（机械电子工程专业论文）双电机驱动振动系统自同步与相位控制理论的研究.pdf

i ，：，； 、。 一i at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g s t u d yo nt h et h e o r i e so fs e l f - s y n c h r o n 谊a t i o na n dp h a s e c o n t r o lf o r v i b r a t i n gs y s t e mw i t ht w o m o t o rd r i v e s b yl ij i e s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o rz h a oc h u n y u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 l ， l 、 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：本浩 日 期：2 - 0 0 7 12 2 刍 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i 东北大学硕士学位论文摘要 双电机驱动振动系统自同步与相位控制理论的研究 摘要 自从上世纪6 0 年代，国内外学者对自同步振动系统的机电耦合特性就进行了大量的 研究工作，得到了许多关键性的研究成果。但振动同步理论对电动机特性涉及比较少， 而且建立的理论基础是仅以双偏心转子相位为可变参数，没有涉及到系统运行过程的频 率俘获。且仅能讨论电动机的转子转动惯量及阻力系数相同的情况。而在生产实际过程 中，即使相同型号的同一批电动机，其参数差异也在所难免。因此，利用机电耦合理论， 进一步研究振动同步系统的动力学特征，发展自同步振动理论，为此类机械系统的设计 提供理论依据，具有重要的理论研究意义和工程实际应用价值。 本文主要研究了双电机驱动振动系统的自同步与相位控制理论，主要完成了以下几 个方面的工作： ( 1 ) 运用达朗伯原理，对惯性系统中两偏心转子的受力情况进行了分析，得出了同 向回转双机驱动振动系统摆动运动、圆运动对两转子同步状态的影响。根据振动系统运 动特点，提出由机体两对称点加速度观测两偏心转子相位差的方案，设计出了系统检测 电路，解决了自同步系统双偏心转子的相位差检测难的问题。利用p i 控制器，设计出相 位差控制系统，通过计算机仿真证明上述方案的有效性。 ( 2 ) 运用机电耦合理论，研究了同向回转和反向回转双机驱动振动系统自同步理论。 首先，利用异步电动机电压同步坐标系，导出了电动机稳态运行时电磁转矩与转速的关 系；其次，以两转子的平均旋转频率和相位的瞬时波动系数为变量，通过耦合动力学分 析，导出了自同步振动系统的频率俘获的方程，并提出“俘获力矩 的概念，给出了实 现频率俘获的条件，得到了系统俘获频率和两偏心转子相位差计算的非线性方程组；最 后，利用r o u t h h u r w i t z 准则，得出系统同步的稳定条件及实现系统振动同步传动的条 件。 ( 3 ) 根据理论分析，得出自同步振动系统频率俘获力矩的特征：即系统频率力矩与 两偏心转子相位差正弦值之积的一半，以阻力矩形式作用在相位超前的转子上，限制其 转速的增大，而另一半以驱动力矩形式作用在相位滞后的转子上，限制其转速的降低： 当系统进入同步稳态运行状态时，系统俘获力矩对系统不做功。 ( 4 ) 利用耦合动力学理论，分析了同向和反向回转双机驱动振动两相异激振器的同 东北大学硕士学位论文塑墨 _ _ 一一 步理论，得出了系统实现两相异激振器频率俘获的条件及同步状态的稳定性条件。 ( 5 ) 通过计算机仿真，证明了上述理论分析结果的正确性。 关键词：控制同步；自同步理论；频率捕获；频率捕获力矩 s t u d y o nt h et h e o r i e so f s e l f _ s y n c h r o n 娩a t i o na n dp h a s e c o n t r o lf o rv i b r a t i n g s y s t e mw i t ht w o m o t o rd r i v e s a b s t r a c t a l t h o u g he x t e n s i v er e s e a r c hh a sb e e nd e v o t e dt ot h et h e o r yo fm e c h a n i c e l e c t r i cc o u p l i n g i ns e l f - s y n c h r o n i z a t i o nv i b r a t i n gs y s t e ma n d m a n yt h e o r e t i c a lr e s u l t sh a v eb e e no b t a j n e ds i n c e 19 6 0 s t h e r ea rea l s os o m ed e f i c i e n c i e si ns u c ht h e o r i e s o no n e h a n d t l l ec u 玎e n tm e o r i e sa r e b a s e do nt h ep h a s ed y n a m i ca p p r o a c ha n di g n o r et h ef e a t u r eo ff r e q u e n c yc a p t u r e t h e y a u r e o n l ys u i t a b l et oa n a l y z et h es y n c h r o n i z a t i o no ft h es y s t e mw i t ht w oa s y n c h r o n o u sm o t o ro f l e c l o s ed y n a m i cp a r a m e t e r s w h e nt h e r ea r e b i g g e rd i f f e r e n c e si nt h ep 孤锄e t e r so ft h et v 旧 i n d u c t i o nm o t o r s ，t h es y n c h r o n i z a t i o no ft h es y s t e mc a nn o te v e nb er e a l i z e d o nt h eo t h e r h a n d ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa s y n c h r o n o u sm o t o ra r el e s s c o n s i d e r e d a c t u a l l y s e l f - s y n c h r o n i z a t i o no fv i b r a t i o nsy s t e m si st h ee f f e c to fm e c h a n i c e l e c t r i cc o u p l i n ga 1 1 dt l l e s t a t eo fm o t i o n o fc o n s i d e r e ds y s t e m s i s c l o s e l yr e l a t i v et ot h ed y n a m i cp a r a m e t e r so f a s y n c h r o n o u sm o t o r ( n o - i d e a le n e r g ys o u r c e ) i nt h es y s t e m t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt 0 d e v e l o pt h et h e o r yo fm e c h a n i c - e l e c t r i cc o u p l i n gi ns y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m t h et h e o r i e so fs e l f - s y n c h r o n i z a t i o n a n dp h a s ec o n t r o lf o rv i b r a t i o ns v s t e mw i m t w o 。m o t o rd r i v e sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h ew o r k si nt h i sp a p e r a r ed e s c r i b e d 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) b yv i r t u eo fd a l e m b e r t i a np r i n c i p l e ，t h ef o r c ea n a l y s i sf o rt h ee c c e n t r i cl u m p si nt h e v i b r a t i n gs y s t e mo fc i r c u l a rm o t i o ni sc a r r i e do u ta n dt h ee f f e c t so fa s w a ym o t i o n 孤l dc i r c l e m o t i o no ft h em a c h i n eb o d yo nt h es y n c h r o n i z a t i o no f t h et w oe c c e n t r i cr o t o r s 剐o b t a i n e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o t i o no ft h ev i b r a t o r ys y s t e m ，t h eo b s e r v e ro f t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ep h a s e so ft h et w oe c c e n t r i c l u m p si sd e s i g n e db yu s i n gt h et w oa c c e i e r a t i o n s i g n a l sm e a s u r e df r o mt h et w os y m m e t r i c a lp o s i t i o n si nt h em a c h i n eb o d yt oo v e r c o m et l l e d i f f i c u l t yo ft h ep h a s ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n t ap ic o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oc o n t r o lt l l ep h a s e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oe c c e n t r i cl u m p sa n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n s a r ec a r r i e do u tt 0 v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e ds c h e m e ( 2 ) t h e o r i e so fs e l f - s y n c h r o n i z a t i o nw i t ht w i n m o t o rd r i v e r s r o t a t i n gi n t h es 锄e d i r e c t i o na n dt h er e v e r s ed i r e c t i o n sa r eb e e ns t u d i e db yu s i n gm e c h a n i c a l e l e c t r i cc o u p l i n g t v ，；- t h e o r y a tf i r s t ，i nt h es ”1 c l u o r l o u sf r a m eo fs t a t o rv o l t a g e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo f a n i n d u c t i o nm o t o ri nt h eq u a s i s t e a d y s t a t eo p e r a t i o ni sd e r i v e d s e c o n d l y , a v e r a g i n gt h e e q u a t i o n so fm o t i o no ft h et w oe c c e n t r i cr o t o r so v e rt h ep e r i o do fp o s s i b l es y n c h r o n o u s o p e r a t i o n ，t h ee q u a t i o n so ff r e q u e n c yc a p t u r ea r ed e r i v e d t h ec o n c e p t o ft o r q u eo f f r e q u e n c y c a p t u r ei sp r o p o s e d ，t h ec o n d i t i o n so ft h ef r e q u e n c yc a p t u r ea r eo b t a i n e d ，a n dt h en o n l i n e a r e q u a t i o n so fc a l c u l a t i n gt h ec a p t u r er o t a t i n gv e l o c i t ya n d t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w o e c c e i i 函cl a m p sa r ed e r i v e d a tl a s t ，t h ec o n d i t i o no fs t a b i l i t y i so b t a i n e du s i n gt h e i 沁u 廿1 h u r w i t zc r i t e r i o n ，a n dt h ec o n d i t i o no fr e a l i z i n gv i b r a t o r ys y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o ni s o b t a i n e d ( 3 ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t co ft o r q u eo ff r e q u e n c yc a p t u r ei n t h es e l f - s y n c h r o n i z a t i o nv i b r a t i o ns y s t e mi so b t a i n e d ，i e ，o n eh a l fo ft h ep r o d u c t so ft h e t o r q u eo ff r e q u e n c yc a p t u r ea n dt h es i n e o ft h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oe c c e 栅c l a m p sa c t so nt h em o t o ro ft h ep h a s el e a d i n ga st h el o a dt o r q u et ol i m i tt h ei n c r e a s e m e n t o fi t s r o t a t i n gv e l o c i t y , a n da n o t h e ra c t so nt h eo t h e rm o t o ra s t h ed r i v i n gt o r q u et ol i m i tt h e r e d u c t i o no fi t sr o t a t i n gv e l o c i t y d u r i n gt h es t e a d y s t a t eo p e r a t i o no f t h ev i b r a t i n gs y s t e m ，t h e t o r q u eo ff r e q u e n c yc a p t u r ed o e sn o t d ow o r k ( 4 ) t h et h e o r yo fc o u p l i n gd y n a m i c si se m p l o y e d t os t u d yt h es y n c h r o n o u sc h a r a c t e r i s t c o ft w od i s s i m i l a rc o u p l e de x c i t e r si na nu n - r e s o n a n tv i b r a t i n gs y s t e m t h et w oe x c i t e r sa r e d r i v e nb yt h et w oi n d u c t i o nm o t o r sr o t a t i n gi nt h es a m ed i r e c t i o na n dr e v e r s ed i r e c t i o n s ， r e s p e c t i v e l y t h e c o n d i t i o no fr e a l i z i n gt h ef r e q u e n c yc a p t u r ea n dt h ec o n d i t i o no f s y n c h r o n o u ss t a b i l i t yi nt h ev i b r a t i n gs y s t e m si so b t a i n e d ( 5 ) t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n sa r e c a r r i e do u tt ov e r i f yt h er e s u l t so ft h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa f o r e m e n t i o n e d k e yw o r d s ：c o n t r o l l e ds y n c h r o n i z a t i o n ；s e l f - s y n c h r o n i z a t i o n ；f r e q u e n c yc a p t u r e ；t o r q u eo f f r e q u e n c yc a p t u r e ；m e c h a n i c e l e c t r i cc o u p l i n g v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要。 a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 机械系统同步研究的发展现状2 1 2 1 振动同步的国内外研究发展现状2 1 2 2 控制同步的国内外研究发展现状4 1 3 本文研究的主要内容6 第2 章双机驱动振动系统相位差的观测和控制。8 2 1 同向回转双机驱动振动系统的力学模型一8 2 2 振动系统两偏心块的受力分析及计算机仿真1 0 2 2 1 双机驱动振动系统的自同步机制1 0 2 2 2 计算机仿真结果i1 2 2 3 相位差的观测和控制1 6 2 3 1 相位差的观测1 6 2 3 2 相位差的控制18 2 3 3 相位差观测和控制的计算机仿真结果1 8 2 4 本章结论2 0 第3 章同向回转双机驱动振动系统的自同步理论2 1 3 1 同向回转双机驱动振动系统的数学模型2 1 3 2 异步电动机准稳态电磁转矩的数学模型2 1 3 3 同向回转双转子动力学耦合的频率俘获2 4 3 3 1 两偏心转子的频率俘获方程2 4 3 3 2 同向回转系统实现频率俘获的条件及稳定性条件2 8 3 4 本章结论3 2 第4 章反向回转双机驱动振动系统的自同步理论3 3 4 1 反向回转双机驱动振动系统的数学模型3 3 东北大学硕士学位论文目录 4 2 反向回转两偏心转子动力学耦合的频率俘获3 3 4 2 1 两偏心转子的频率俘获方程3 3 4 2 2 实现频率俘获条件及稳定性3 7 4 3 本章结论4 1 第5 章两相异激振器驱动振动系统的自同步理论4 3 5 1 同向回转两相异激振器驱动振动系统的自同步理论4 3 5 1 1 同向回转两相异激振器驱动自同步系统的数学模型4 3 5 1 2 双转子动力学耦合的频率俘获4 3 5 2 反向回转自同步振动机的自同步理论5 3 5 2 1 反向回转两相异激振器驱动自同步系统的数学模型5 3 5 2 2 两偏心转子动力学耦合的频率俘获5 4 5 3 计算机仿真结果6 1 5 4 本章结论6 9 第6 章结论7 0 参考文献7 2 致谢7 5 攻读硕士期间发表论文情况7 6 t 1 j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 同步是自然界、人类社会及工程技术领域中客观存在的一种运动形式。所谓同步， 是指两个或两个以上的物件、物体或所观察的对象实现相同或相似的运动形式或物理形 态，如相同的速度、相同的相位和相同或相似的运动轨迹等，这些所要求达到的同步形 式或物理形态，我们称之为同步参数【1 1 。在机械系统中，两个或两个以上物件，如转轴、 机构、杆件、油缸、活塞，甚至是整个机器在相同的( 或具有一定比值的) 位移、速度、 加速度、相位或作用力的条件下实现同步运转，即称为同步。 在自然界、人类社会与工程技术领域中，同步现象和同步问题随处可见。在人们所 涉及的任何一种科学技术领域和部门，包括所有的自然科学与社会科学，无一不存在同 步现象或同步问题，如宇宙学、化学、物理学、生物学、生态学、生命科学、医学、经 济学、电工技术、无线电技术、电子技术和机械等科学技术领域，同步现象和同步问题 普遍地存在。 在自然界中，例如星球的同步运转，细胞的同步繁衍，一些植物的同步生长，花卉 的同步开放，昆虫的同步呜叫，萤火虫的同步闪亮，鸟类的同步飞行与聚居以及鱼类的 同步泪游。在人类社会中，例如同一家族遗传基因的同步性与相似性一些不同地区经济 发展状况的同步性与相似性乐队或歌舞剧团在集体演出时，各种乐器演奏的乐调、歌唱 家演唱声调及舞蹈家集体表演的同步性与协调性等。在工程技术领域中，例如时钟的同 步和各种计量仪器和装置的同步为了使收音机能接收到电台发射出的信息，其接收频率 必须与发射台发出的信号频率接近相等。 在工程中，许多机械设备在工作时都要求多台或多个部件同步动作一回转轴有接近 相同的速度或有相同的相位，其中有要求几台电机的轴严格同步传动的，如门型吊车、 水闸闸门、升降桥等；有的则要求几台电机转角或转速的比值按某一规律连续变化，如 造纸机、塑料薄膜机等1 2 。另外还有许许多多的机器，如双电机驱动或多电机驱动的振 动给料机、振动输送机、振动筛、振动干燥机、振动冷却机、振动打桩机、同步轧机、 拉伸式矫直机、双滚筒驱动的带式输送机、辊式破碎机、煤球机、液压顶升机、飞剪机 等，都要求其中两个或两个以上的部件实现同步运转。诸如此类的工程实例，不胜枚举。 由于振动机械的广泛应用，因此研究多机传动机械系统同步的理论和方法对保证机 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 械同步运行，进而使这类机械有效、可靠、稳定地运转，都有着非常重要的现实意义。 如果不能实现同步状态或不能实现更加理想的同步状态，机械就不能更好的工作。比如， 振动筛的筛分力不能到达最大，筛分效果不理想，甚至机筛体摆动起来，这是要坚决制 止的；或者是振动破碎机的破碎力因为机体没有实现同步而不能达到要求的大小时，破 碎效果不理想等等诸多问题，因此解决机械的同步问题具有十分重要的实际意义。 1 2 机械系统同步研究的发展现状 机械系统同步的实现方式随着科学技术的进步而不断发展，其过程大致可分为以下 三个阶段： 第一代同步方式：利用刚性传动( 如齿轮传动) 或柔性传动( 如链或带传动) 实现 同步； 第二代同步力式：振动同步( 对于双激振器式振动机) 或电轴同步( 对于一般机械) ； 第三代同步方式：传统的控制同步和智能控制同步。 研究同步的理论和方法对保证这类机械同步运行，进而使该类机械有效和可靠地运 转，无疑会起到重要的作用。 2 0 世纪6 0 年代，苏联的b l e h m a n 博士提出了双激振器振动机的同步理论【l j 。应用 这一理论，可使机器结构大为简化。目前在许多工业部门，数以万计的利用振动同步原 理的自同步振动机获得了应用，并已创造了重大的经济效益和社会效益。 8 0 年代以来，控制理论和方法得到了迅速发展。因此，利用控制的技术和方法实现 同步不仅已成为现实，而且可获得良好的控制效果，即获得满意的精度和工作稳定性。 因此，实现同步的方法已逐渐由第代、第二代向传统的或智能的控制同步方法过渡。 1 2 1 振动同步的国内外研究发展现状 最早发现机械系统的振动同步现象或自同步现象的是h u y g n e n s ( 1 6 2 9 1 6 9 5 ) 2 1 - 2 2 。 他曾做过这样的试验，当两台挂钟同时挂在可摆动的薄板上，并满足一定条件时，可以 观察到两台挂钟同步摆动，而将它们挂到墙时，它们会失去同步。 从1 8 9 4 到1 9 2 2 年，许多科学家，如r a y l e i g h , v i n c e n t , m o l e r ，a p p l e t o n t , v a i ld e rp o l ， 在非线性电路中发现了同步现象，并称这种现象为“频率俘获 【l 】。 2 0 世纪6 0 年代，前苏联的b l e h m a n 博士提出了双激振器振动机的同步理论【1 1 。即 在一个振动体上，安装两台感应电动机分别驱动的两个惯性激振器，在具备一定条件时， 两惯性激振器可以实现同步运转，在振动机中就可以取消齿轮同步器。采用由两台感应 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 电动机分别驱动的两个惯性激振器激励，可使机器实现所要求的直线振动、圆周运动或 其他形式的运动。 1 9 8 0 年，日本学者i n o u e 和a r a k i 等研究了双电机驱动的平面振动机的3 倍频同步 【3 1 。1 9 8 1 年，我国学者闻邦椿院士提出，在某些非线性系统中，不仅实现3 倍频同步， 而且可以实现各次谐波的倍频同步，即2 倍频、3 倍频和n 倍频同步 4 1 。实际上，多个 旋转体或多个更加通用的旋转机械结构，通过确定的系统耦合动力学特性相联系，都可 以实现某一特定的同步运动【1 1 1 。因此，研究该类系统中耦合作用的特征、耦合作用对系 统动力学行为的影响是复杂系统科学的重要内容【1 0 1 2 刖】。此类机械机电耦合的动力学特 性的理论，对该类机械系统设计及耦合同步控制器设计具有重要的理论意义与实际应用 价值【1 6 】。 采用振动同步原理，有以下一些优点： ( 1 ) 利用自同步原理代替了强制同步式振动机中的齿轮传功，使其传动部的结构相当 简单； ( 2 ) 由于取消了齿轮传动，使机器的润滑、维修和检修等大为简化； ( 3 j 可以减小启动停车通过共振区时垂直方向与水平方向的振幅( 但在一些自同步振 动机中通过共振区时的摇摆振动的振幅有时会显著增大，这是该种振动机的不足) 。 ( 4 ) 双机驱动自同步振动机虽然增加了一台电动机，但日前工业中应用的自同步振动 机中有不少是采用激振电机直接驱动，这使它的构造较为简单，成本降低，而且便于安 装。 ( 5 ) 自同步振动机激振器两根主轴可以在较大距离条件下进行安装。 ( 6 ) 该类振动机便于实现系列化、通用化与标准化。 为了使这种新技术得到推广使用，近十几年来，我国有关部门已相继研究成功了白 同步概率筛、自同步振动冷却机、自同步振动给料机、自同步振动输送机、自同步直线 振动筛与热矿振动筛等【2 0 粕】。但是在工作中有时还会出现“失步 和振动机运动轨迹不 能满足实际需要等问题。这些问题包括： ( 1 ) 自同步振动机“失步 的原因及保证振动机同步运转的基本措施； ( 2 ) 自同步振动机的两种同步运转状态相对应的运动轨迹及其稳定性问题； ( 3 ) 电动机特性、传动系统速比和传动部摩擦阻矩对自同步振动机同步性、同步运转 状态稳定性及机体运动轨迹的影响： ( 4 ) 直线振动自同步振动机振动方向角变化的原因及各类自同步振动机功率不均衡 原因的分析及其采取的措施 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 目前国内外已有不少文献对前面的问题进行过研究f 2 9 4 5 1 ，但是研究还不够充分。自 从上世纪6 0 年代，国内外学者对自同步振动系统的机电耦合特性就进行了大量的研究工 作，得到了许多关键性的研究成果，如：平面运动振动机自同步理论、空间运动振动机 自同步理论、激振器偏转式振动机自同步理论等【l 】。但振动同步理论对电动机特性涉及 比较少，而且建立的理论基础是仅以双偏心转子相位为可变参数，没有涉及到系统运行 过程的频率俘获。且仅能讨论电动机的阻力系数、驱动系数相同的情况【5 】。而在生产实 际过程中，即使相同型号的同一批电动机，其参数差异在所难免，甚至不能实现同步运 行【1 1 。 1 2 2 控制同步的国内外研究发展现状 工程中的许多机械，都要求它们的回转轴有接近相同的速度或有相同的相位，即所 谓“同步”。这就需要采用适当的方法来满足它们的工作要求。目前最常用的方法是采 用控制的方法，即应用“控制同步 的方法。 机械系统的控制同步是一门新兴的跨学科的综合性科学技术，是机械技术、电力电 子技术和信息技术的有机结合。它的发展和其他相关技术的发展密切联系在一起。控制 同步的主要对象是电动机( 在液压系统中是油缸和活塞) ，主要控制参数是位移、速度 和相位。目前控制参数除一般控制参数( 如转速和相位) 以外，还包括其他一些参数， 如作用力和变形等。 2 0 世纪8 0 年代以来，传统的控制理论与智能控制理论都得到了迅速的发展。并在 工程实际中得到了广泛地应用，因此，目前用控制的方法实现同步不仅已成为现实，而 且可获得良好的控制效果，即能获得满意的精度和工作稳定性。 为了使两轴实现同步运转。必须对某一转轴的驱动电动机的转速进行调节。在该轴 的转速落后的情况下，通过调节来增加它的转速；而在超前的情况下，应通过调节，减 小其转速，直到它们的转速达到相同为止。目前最常采用的连续调节交流电机转速的方 法有两种： ， 第一种是通过增减外负荷来调节轴的转速。即每个工作电机都加一个辅助发电机， 通过辅助发电机调节加在主电机上的外载来间接调节工作主电机的转速，达到多个电机 同步的目的。但这种方法速度调节范围小，而且很不经济，如今工程上已不再使用。 第二种是利用变频调速技术来调节电动机的转速。变频调速技术是2 0 世纪7 0 年代 到8 0 年代发展起来的，是交流电机材料与结构、控制理论及方法、电子技术发展的结果。 控制理论与技术的发展，是交流调速系统的性能大大提高，并有逐渐取代直流伺服调速 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 系统的趋势，至今已被广泛的应用于生产实际中【1 1 。 对于多电机同步控制的研究主要是深入到速度和转角的双重同步控制研究，它的研 究成功将为军事、航空以及一般工业技术领域等需要统一动作功能的多电机提供同步控 制技术。 在工业生产中，伺服控制是机械加工控制系统的基础。一个机械系统通常有多个轴 需要伺服控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种伺服系统中，最常见 的控制算法为多电机非交叉耦合控制算法。但是由于各电机的动态性能不可能完全一样， 并且由于受到负载干扰和噪声干扰等诸多因素的影响，各电机的动态性能也是在不断改 变的。因此针对提高每一个电机控制精度，而对其它电机具有不可预见性的多电机非交 叉耦合控制策略显然不能达到多电机驱动的高精度伺服系统的要求。针对这种情况， k o r e n 于1 9 8 0 年提出交叉耦合补偿控制策略。由于同步控制涉及到控制多个电机，因此 多变量控制成为同步控制的基本控制算法。 自从1 9 8 0 年k o r e n 提出交叉耦合控制算法以后，许多科学工作者围绕“多电机协调 控制”展开了进一步的研究，特别是9 0 年代，己深入到速度、转角( 位置) x 2 重同步的多 电机协调控制理论的研究。k u l k a m i 和s r i n i v a s a n ( 19 8 5 ，19 8 6 ) 详细地分析了交叉耦合补 偿控制策略，并于1 9 8 9 年引进了最优控制方案，而t o m i z u k a 等又把自适应前馈控制策 略用到交叉耦合控制器中，以提高瞬间响应和抗干扰能力。采用交叉耦合控制能有效地 解决各电机之间动态性能不匹配的问题。 要实现多机传动机械系统的同步控制，机械系统的动力学分析与电力传动控制是解 决多机传动机械系统同步控制的基础，两者有机的结合是解决多机传动机械系统同步控 制问题的关键所在。 在多机传动系统中，由于机械结构本身的复杂件，影响系统同步的因素较多。从机 械系统方面考虑，由于机械系统加到各电机的负载不均，这会导致各电机不同步。这一 情况由两方面引起：一方面，机械系统的耦合作用使各电机的负载按一定规律变化，如 双电机驱动的振动同步系统，电机负载随两个偏心转子的相位差不同而不同；另一方面， 机械系统工作介质的质量和特性的变化、介质分配的不均匀等，会引起各电机外负载转 矩的重新分配，导致电机的不同步。从电机方面看j 电源的波动、电机参数随环境湿度 和温度的差异而改变，都将会引起同一机械系统中多个电机的不同步。因此，要保证同 一机械系统中的多个电机同步运行，必须选样正确的控制策略，克服系统中种种干扰和 影响，使系统按要求的同步性指标运行。 在多机机械系统同步控制的研究中，传统控制和智能控制等各种主要控制方法均得 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 到了采用，如p i d 控制、变结构自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。 传统的控制策略如p i d 反馈控制、解耦控制、自适应控制、变结构控制等，在交流 电机控制中已得到了广泛应用。其中p i d 控制算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和 将来的信息，具有较强的鲁棒性，与其他新型控制思想相结合，形成了许多有价值的控 制策略，在工程中得到了广泛的应用。 最近二十多年来，智能控制得到迅速的发展和应用，在同步控制过程中可以获得满 意的效果。从本质上来说，智能控制的研究对象具有模型的不确定性、高度非线性和控 制任务的复杂性等特点。 近年来，各国学者都致力于感应电动机的无速度传感器控制系统的研究，利用检测 定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估计以取代速度传感器，其关键在于在线 获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制的要求。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要研究了双电机驱动振动系统的自同步与相位控制理论，主要完成了以下几 个方面的工作 ( 1 ) 运用达朗贝尔原理，对惯性系统中两偏心转子的受力情况进行了分析，得出了 同向回转双机驱动振动系统摆动运动、圆运动对两转子同步状态的影响。根据振动系统 运动特点，提出由机体两对称点加速度观测两偏心转子相位差的方案，设计出了系统检 测电路，解决了自同步系统双偏心转子的相位差检测难的问题。利用p i 控制器，设计出 相位差控制系统，通过计算机仿真证明上述方案的有效性。 ( 2 ) 运用机电耦合理论，研究了同向回转和反向回转双机驱动振动系统自同步理论。 首先，利用异步电动机电压同步坐标系，导出了电动机准稳态运行时电磁转矩与转速的 关系；其次，以两转子的平均旋转频率和相位为变量，通过耦合动力学分析，导出了自 同步振动系统的频率俘获的方程，提出了“俘获力矩”的概念，给出了实现频率俘获的 条件，得到了系统俘获频率和两偏心转子相位差计算的非线性方程组；最后，利用 r o u t h h u r w i t z 准则，得出了系统同步的稳定条件及实现系统振动同步传动的条件。 ( 3 ) 根据理论分析，得出自同步振动系统频率俘获力矩的特征：即系统频率力矩与 两偏心转子相位差正弦值之积的一半，以阻力矩形式作用在相位超前的转子上，限制其 转速的增大，而另一半以驱动力矩形式作用在相位滞后的转子上，限制其转速的降低； 当系统进入同步稳态运行状态时，系统俘获力矩对系统不做功。 ( 4 ) 利用耦合动力学理论，分析了同向和反向回转双机驱动振动两相异激振器的同 奎些垄堂塑主兰垡笙查 一 第1 章绪论 一 ：! ：!： 步特征，得出了系统实现两相异激振器频率俘获的条件及同步状态的稳定性条件。 ( 5 ) 通过计算机仿真，证明了上述理论分析结果的正确性。 东北大学硕士学位论文 第2 章双机驱动振动系统相位差的观测和控制 第2 章双机驱动振动系统相位差的观测和控制 本章讨论的是同向回转双机驱动的同步振动系统，运用达朗贝尔原理，对惯性系统 中两偏心转子的受力情况进行了分析，得出了同向回转双机驱动振动系统摆动运动、圆 运动对两转子同步状态的影响。根据振动系统运动特点，提出由机体两对称点加速度观 测两偏心转子相位差的方案，设计出了系统检测电路，解决了自同步系统双偏心转子的 相位差检测难的问题。利用p i 控制器，设计出相位差控制系统，通过计算机仿真证明上 述方案的有效性。 2 1 同向回转双机驱动振动系统的力学模型 双偏心块驱动振动机的力学模型如图2 1 所示。在固定的参考坐标系( d ，z ，y ) 中，振 动系统运动的微分方程式如下式所示u , s j ( m + 2 聊o ) j f + 六戈+ k x = m o ，( 衍c o s 仍+ 魏s i n q ，1 ) + m o ，( 仍- 2c o s 伊2 + 蔹s i n q , 2 ) ( m + 2 m o ) j ；+ 乃夕+ 尼j ，y = 所o ，(