【摘 要】
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Stewart平台成功的商业应用掀起了对并联机构的研究热潮,包括机构设计以及控制策略开发。并联推台也属于并联机构的一种,它在模拟运动平台和并联机床中扮演着重要角色,特别是位姿控制精度能直接影响模拟运动平台的用户体验和并联机床加工精度,因此,并联推台的位姿控制具有重要意义。目前绝大多数并联推台的驱动机构采用液压或丝杆传动式电机,这种驱动机构虽能提供足够的负载能力,但位姿控制的响应速度和精度都较低,难
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Stewart平台成功的商业应用掀起了对并联机构的研究热潮,包括机构设计以及控制策略开发。并联推台也属于并联机构的一种,它在模拟运动平台和并联机床中扮演着重要角色,特别是位姿控制精度能直接影响模拟运动平台的用户体验和并联机床加工精度,因此,并联推台的位姿控制具有重要意义。目前绝大多数并联推台的驱动机构采用液压或丝杆传动式电机,这种驱动机构虽能提供足够的负载能力,但位姿控制的响应速度和精度都较低,难以满足高精度和快速响应这些应用场合的需求。本文并联推台中驱动机构采用永磁同步直线电机(permanent magnet synchronous linear motor,PMSLM),具有结构简单、响应快、精度高的优势,相比传统并联推台,位姿控制具有速度更快和精度更高的特点。为了有效地避免并联推台复杂动力学建模及其模型的控制器设计问题,推台位姿控制采用基于运动学模型的支链点空间控制策略。同时,为减小控制的复杂度,采用先位置后姿态控制方法,实现位置与姿态的独立控制。因此,本文的研究内容如下:首先对并联推台的位姿进行建模分析,获取平台位姿与每台电机运动位置的映射关系;其次,对垂直运动永磁同步直线电机进行数学建模,结合实际电机与驱动器参数对伺服控制器参数进行整定,并在电流环上直接设计重力补偿环节,减小电机动子重力对位置跟踪精度的影响,同时速度环上设计模糊控制器,增加了位置跟踪过程中的抗干扰性能;然后,针对多电机之间同步性能影响推台位置跟踪精度和姿态开环控制中存在姿态跟踪误差的问题,设计了偏差耦合控制结构和姿态偏差补偿算法,从而提高推台的位姿跟踪精度;最后,本文搭建了并联推台位姿控制系统实验平台,开展了单台垂直运动永磁同步直线电机位置跟踪和并联推台位姿跟踪实验。实验结果为:第一,单台电机在“位置环(比例控制P)+速度环(模糊比例-积分PI)+电流环(比例-积分PI)”的伺服系统控制架构下,未加入重力补偿电流下的位置跟踪正向(上行)误差绝对值是0.75mm,负向(下行)误差绝对值是0.45mm,而注入重力补偿电流后,正负向误差一致,且均近似为5μm,实验结果说明PMSLM在垂直运动中,伺服控制下能够实现高精度位置跟踪,且加入重力补偿电流能减小重力对位置跟踪误差不一致的影响;第二,并联推台在支链点空间控制策略下,相比加偏差耦合控制和姿态偏差补偿算法之前,推台位置误差从18μm下降到9μm,跟踪精度提高了50%,姿态跟踪误差从1.5度下降到1.2度,跟踪精度提高了20%,实验结果说明了偏差耦合控制和姿态补偿能有效提高位姿跟踪精度。
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