【摘 要】
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滚珠丝杠作为常见转化运动的传动元件广泛应用于航天航空、工业智能制造以及武器装备领域,故而伺服电机+滚珠丝杠的位置控制技术呈现巨大需求。尤其是在一些航天航空设备中,滚珠丝杠的工作条件和性能要求更加严苛。针对高承载高往复工况下位置伺服系统跟踪精度低,抗干扰能力差等问题,对滚珠丝杠位置伺服系统进行深入的研究。研究并设计了以“伺服电机+滚珠丝杠副”驱动-传动模式的直线位置伺服系统,完成了位置伺服系统刚体动
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滚珠丝杠作为常见转化运动的传动元件广泛应用于航天航空、工业智能制造以及武器装备领域,故而伺服电机+滚珠丝杠的位置控制技术呈现巨大需求。尤其是在一些航天航空设备中,滚珠丝杠的工作条件和性能要求更加严苛。针对高承载高往复工况下位置伺服系统跟踪精度低,抗干扰能力差等问题,对滚珠丝杠位置伺服系统进行深入的研究。研究并设计了以“伺服电机+滚珠丝杠副”驱动-传动模式的直线位置伺服系统,完成了位置伺服系统刚体动态模型的搭建;通过对系统中传动构件的受力以及力传导路径分析,建立起系统运动协调关系,完成了位置伺服系统柔体动力学模型的搭建,同时利用MATLAB/Simulink软件建立仿真模型,为后续控制算法的设计提供仿真验证平台;对影响系统传动精度的因素进行了探寻,具体分析了转动惯量和刚度等结构参数对系统伺服性能的影响;考虑摩擦的影响建立了系统的非线性模型,并对具体的影响规律进行了探究。针对位置系统的刚体模型设计伺服控制算法。设计了传统的PID控制器和自适应滑模控制器;设计了非线性干扰观测器对系统所受外界干扰进行估算;将反步控制与滑模控制方法相结合,并引入干扰观测器,完成了改进型自适应反步滑模控制器的设计;通过仿真对比试验验证了基于非线性干扰观测器的自适应反步滑模控制器的位置跟踪精度更高,扰动抑制效果最佳。针对位置系统的柔体模型设计伺服控制算法。针对系统构件的弹性变形,选用前馈控制算法对变形量进行补偿;针对系统其它干扰因素,结合刚体模型仿真结果,选用基于非线性干扰观测器自适应反步滑模控制算法进行抑制;将前馈和反步滑模综合成混合控制器,并通过仿真试验证实了混合控制器的合理性和有效性。基于LabVIEW和PXI平台完成了直线位置控制系统的设计与搭建,并在此试验装置的基础上完成了空载、恒载以及惯性负载下的位移跟踪试验。由试验结果得知,滑模+前馈混合控制器对系统跟踪精度和运动平稳性方面的提升明显优于传统的PID控制器和滑模控制器,针对柔性体设计的混合控制器相较于刚体模型控制器跟踪精度更高,鲁棒性更好。
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