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Research on Modeling and Control of Motor Driven Honing
Feed System
by
WANG Shuang
B.E.( Anyang Institute of Technology)2019
A thesis submitted in partial satisfaction of the
Requirements for the degree of
Master of Engineering
in
Mechanical Manufacture and Automation
in the
School of Mechanical and Electronical Engineering
Lanzhou University of Technology
Supervisor
Professor Gong Jun
March, 2023
目 录
第 1 章 绪论............................................................................................... 1
1.1 课题研究背景及意义 ....................................................................... 1
1.2 国内外研究现状 ............................................................................... 2
1.2.1 珩磨技术的研究现状 ................................................................. 2
1.2.2 珩磨进给控制的研究现状 ......................................................... 2
1.2.3 电机控制的研究现状 ................................................................. 4
1.3 课题研究方法 ................................................................................... 5
1.4 课题研究内容 ................................................................................... 6
第 2 章 珩磨进给控制系统及其数学模型 .............................................. 8
2.1 引言 ................................................................................................... 8
2.2 珩磨进给控制系统结构................................................................... 8
2.3 机械传动系统数学建模................................................................... 9
2.4 永磁同步电机数学建模................................................................. 10
2.4.1 坐标变换原理 ........................................................................... 10
2.4.2 同步旋转坐标系下的数学建模 ............................................... 11
2.5 永磁同步电机矢量控制系统 ........................................................ 12
2.5.1 矢量控制技术 ........................................................................... 12
2.5.2 逆变器数学建模 ....................................................................... 13
2.5.3 空间矢量脉宽调制技术 ........................................................... 15
2.6 本章小结 ......................................................................................... 18
第 3 章 基于不同控制策略下珩磨恒压进给系统研究 ........................ 19
3.1 引言 ................................................................................................. 19
3.2 控制方案与控制器设计................................................................. 19
3.2.1 控制方案设计 ........................................................................... 19
3.2.2 直接转矩控制原理 ................................................................... 20
3.2.3 转矩控制器与磁链控制器设计 ............................................... 24
3.2.4 速度控制器设计 ....................................................................... 24
3.2.5 IF 控制器设计 ........................................................................... 27
3.3 不同控制策略下的珩磨恒压进给系统仿真建模 ........................ 28
3.3.1 传统 PI 控制策略下的珩磨恒压进给系统仿真建模 ............. 28
3.3.2 模糊 PI 滑模控制策略下的珩磨恒压进给系统仿真建模 ..... 30
3.4 不同控制策略下的珩磨恒压进给系统仿真结果分析 ................ 31
3.4.1 不同控制策略下的转速的响应 ............................................... 32
3.4.2 不同控制策略下的转矩的响应 ............................................... 33
3.5 本章小结 ......................................................................................... 34
第 4 章 基于不同控制策略下珩磨恒速进给系统研究 ........................ 36
4.1 引言 ................................................................................................. 36
4.2 控制方案与控制器设计................................................................. 36
4.2.1 控制方案设计 ........................................................................... 36
4.2.2 模型参考自适应控制原理 ....................................................... 36
4.2.3 内模控制器设计 ....................................................................... 40
4.2.4 滑模速度控制器设计 ............................................................... 42
4.3 不同控制策略下的珩磨恒速进给系统仿真建模 ........................ 43
4.3.1 传统 PI 控制策略下的珩磨恒速进给系统仿真建模 ............. 43
4.3.2 滑模内模控制策略下的珩磨恒速进给系统仿真建模 .......... 44
4.4 不同控制策略下的珩磨恒速进给系统仿真结果分析 ................ 46
4.4.1 基于正向负载力作用下的转速的响应 .................................. 46
4.4.2 基于反向负载力作用下的转速的响应 .................................. 48
4.4.3 不同负载力方向的误差对比 ................................................... 50
4.4.4 基于同向负载力作用下的不同转速的响应 .......................... 51
4.5 本章小结 ......................................................................................... 53
第 5 章 珩磨进给系统实验 .................................................................... 54
5.1 引言 ................................................................................................. 54
5.2 实验目的 ......................................................................................... 54
5.3 实验平台总体结构 ......................................................................... 54
5.4 实验结果与分析讨论 ..................................................................... 56
5.4.1 不同控制策略下的珩磨恒压进给系统实验结果对比分析 .. 56
5.4.2 不同控制策略下的珩磨恒速进给系统实验结果对比分析 .. 59
5.5 实验误差分析 ................................................................................. 61
5.6 本章小结 ......................................................................................... 61
结论与展望 ............................................................................................... 62
主要研究成果与结论 ............................................................................ 62
课题展望 ................................................................................................ 63
参考文献 ................................................................................................... 64
兰州理工大学硕士学位论文
I
摘 要
珩磨加工作为制造业产业链的重要支柱,如果进给控制不趋于自动化,将会
影响整个珩磨过程的加工效率,进而阻碍制造业的发展。因此,在珩磨加工过程
中,利用电机驱动代替液压驱动,对保证珩磨工件的加工效率、尺寸精度和表面
质量等具有重要意义。但由于现有的电机驱动珩磨恒压、恒速进给系统仍然存在
效率低、波动强、误差大及精度低等缺点,难以满足珩磨高效率、高精度的加工
要求。因此,本文开展了对珩磨进给系统机构与控制方案的研究。
本研究以珩磨进给系统为研究对象,从仿真建模与实验验证的研究方法着手,
以提高珩磨加工效率、尺寸精度及表面质量为研究目的,主要解决两个方面的问
题:1)珩磨进给系统建模;2)控制方案设计。论文的主要研究内容及结果如下:
(1)针对珩磨进给系统建模的问题,本文在分析机械传动系统与电机控制系统
基本理论的基础上,结合进给机构的结构特点,分别对其系统建立数学模型,分
析了珩磨进给压力与电机输出转矩、珩磨进给速度与电机转速之间的函数关系,
据此将对珩磨恒压进给控制的研究转换为对电机恒转矩控制的研究,对珩磨恒速
进给控制的研究转换为对电机恒转速控制的研究,为后文研究不同控制策略下珩
磨恒压、恒速进给控制系统性能提供了理论支撑。
(2)针对珩磨加工效率及精度低的问题,本文对系统的控制方案进行设计。在
珩磨恒压进给系统中,设计了基于模糊 PI 滑模控制的直接转矩控制方案。此控制
方案首先在滑模控制算法的基础上,分别对磁链控制器与转矩控制器进行设计,
并应用于系统内环中;其次在模糊控制算法与 PID 控制算法的前提下,对速度控
制器进行设计,并应用于系统外环中;最后借助 Matlab 仿真软件对珩磨恒压进给
系统进行仿真建模与结果分析。同理,在珩磨恒速进给系统中,设计了基于滑模
内模控制的模型参考自适应控制方案。此控制方案首先利用内模控制算法对电流
环 PI 调节器进行参数整定,实现对交叉耦合电动势的完全解耦;其次根据滑模速
度控制原理实现对滑模速度控制器的设计;最后借助 Matlab 仿真软件对恒速进给
系统进行仿真建模与结果分析。结果表明,设计的控制方案优于传统的控制方案。
(3)为了验证新型控制方案的有效性与优越性,采用对比实验进行研究。首先
通过分析珩磨进给系统的总体结构,设计实验平台结构图;其次利用永磁同步电
机、三相电机驱动板和数字信号处理器等组件搭建实验平台;最后验证了珩磨恒
压、恒速进给系统仿真结果的准确性,但由于外在环境与人为操作等不可控因素
的影响,其仿真结果与实验结果之间存在一定的误差。
关键词:珩磨;恒压进给;恒速进给;建模;控制方案
电机驱动珩磨进给系统建模与控制研究
II
Abstract
Honing process is an important pillar of the manufacturing industry chain, if feed
control is not automated, it will affect the processing efficiency of the entire honing
process, thereby hindering the development of the manuf acturing industry. Therefore,
in the honing process, using electric motor drive instead of hydraulic drive is of great
significance in ensuring the machining efficiency, dimensional accuracy, and surface
quality of the honing workpiece. However, due to the shortcomings of low efficiency,
strong fluctuations, large errors, and low accuracy in existing motor driven honing
constant pressure and constant speed feed systems, it is difficult to meet the machining
requirements of high efficiency and precision in honing. Therefore, this article
conducts research on the mechanism and control scheme of the honing feed system.
This study takes the honing feed system as the research object, starting from the
research methods of simulation modeling and experimental verif ication, with the aim
of improving honing processing efficiency, dimensional accuracy, and surface quality.
It mainly solves two problems: 1) modeling the honing feed system; 2) Control scheme
design. The main research content and results of the paper are as follows:
(1) In response to the problem of modeling the honing feed system, this article
analyzes the basic theories of mechanical transmission system and motor control
system, and combines the structural characteristics of the feed mechanism to establi sh
mathematical models for their systems. The functional relationship between honing
feed pressure and motor output torque, honing feed speed and motor speed is analyzed,
and based on this, the research on honing constant pressure feed control is transform ed
into the research on motor constant torque control, The research on honing constant
speed feed control has been transformed into research on motor constant speed control,
providing theoretical support for the subsequent research on the performance of ho ning
constant pressure and constant speed feed control systems under different control
strategies.
(2) In response to the low efficiency and accuracy of honing processing, this
article designs the control scheme of the system. In the constant pressure feed system
of honing, a direct torque control scheme based on fuzzy PI Sliding mode control is
designed. Firstly, based on the Sliding mode control algorithm, the flux controller and
torque controller are designed and applied to the inner loop of the system; Secondly,
based on the fuzzy control algorithm and PID control algorithm, the speed controller
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