多电机同步联动系统的动力学分析与建模

以双电机同步联动伺服系统为例，研究了多电机同步联动系统的机械结构以及齿轮间的啮合关系．利用机理分析法，分析了齿轮啮合动力学的原理以及多电动机联动的动力学．将电机侧的参数折算到负载侧，首次建立了双电机同步联动伺服系统的无齿隙理想动力学模型．通过齿隙特性的分析，建立了含齿隙双电机同步联动伺服系统的动力学模型，给出了双电机同步联动系统结构图模型和状态方程模型，并推导出了含齿隙的多电机同步联动系统的动力学一般模型。     

双电机同步联动控制系统

采用多电机同步联动以获得大功率驱动必须研究多电机同步联动的控制性能。以双电机同步联动控制系统为例,提出了一种“差速负反馈”同步联动控制方案。结合PI控制策略,分析了双电机同步联动控制系统的稳态精度和动态性能。仿真研究表明所提同步联动控制方法性能优良,该方法已获成功应用。该文的研究结果还为实现高精度伺服系统的电消齿隙控制奠定了基础。     

单级齿轮传动系统非线性动力学特性分析

建立综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差等因素下的直齿轮副的单自由度非线性动力学模型,利用变步长Runge-Kutta法对单自由度运动微分方程进行数值求解.结合系统的分岔图、相图、Poincaré映射图以及FFT频谱图,分析系统在不同侧隙值下,啮合刚度变化时的动力学特性,得到系统的混沌运动形成过程.结果表明侧隙值影响到系统倍化分岔的临界值,而对系统的叉式分岔及其分岔值没有影响.     

单自由度齿轮系统非线性动力学特性分析

建立了综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差等因素的直齿轮副的单自由度非线性动力学模型,利用变步长Runge-Kutta法对单自由度运动微分方程进行数值求解.结合系统的分岔图、相图、Poincaré映射图以及FFT频谱图,分析了系统在不同侧隙值下,阻尼比变化时的动力学特性,得到了系统的混沌运动形成过程.     

船用齿轮箱多体动力学仿真及声振耦合分析

基于多体系统动力学理论,综合考虑齿轮副时变啮合刚度、齿侧间隙、轴承支撑刚度等内部激励以及螺旋桨外部激励,建立了含传动系统及结构系统的船用齿轮装置多刚体系统动力学模型,计算了齿轮副动态啮合力及轴承支反力;对齿轮箱及支座进行柔性化处理,形成多柔体系统动力学模型,采用模态叠加法计算了箱体表面的动态响应.而后以多体动力学分析所得的轴承支反力频域历程为边界条件,建立了箱体声振强耦合分析模型,预估了齿轮箱表面声压及外声场辐射噪声.结果表明,齿轮副动态啮合力、轴承支反力以及箱体动态响应频域曲线的峰值均出现在齿轮副的啮合频率及其倍频处;仿真所得的箱体振动加速度及外声场辐射噪声与齿轮箱振动噪声试验台架实测结果吻合良好.     

提高齿隙非线性系统精度的应用研究

针对一类含输出齿隙非线性的伺服控制系统,提出了2种克服齿隙影响系统跟踪精度的方法。对大型雷达天线伺服系统,采用了电消齿隙、差速负反馈的多电机联动新方法,并已应用于某天线伺服系统,获得了很高的跟踪精度。针对单电机驱动的含齿隙伺服系统,提出了一种智能比例、积分和微分（PID）控制器及基于规则的补偿控制策略。实际系统调试结果表明,该方法有效地提高了系统的定位和跟踪精度。     

考虑裂纹与磨损故障的齿轮传动系统动态特性分析

针对齿轮系统中同时出现裂纹与磨损故障时实现复合故障诊断较为困难的问题，提出了考虑齿廓磨损和齿根裂纹故障的齿轮传动系统动态特性分析模型。首先，基于Archard公式，建立齿轮传动系统磨损数值仿真模型，求解不同磨损周期下的齿廓磨损量；然后，通过势能法建立裂纹及磨损作用下的单齿啮合刚度计算模型，在双齿接触区考虑啮合齿对磨损量间的关系，结合变形协调，建立双齿啮合刚度计算模型；最后，采用集中质量法建立齿轮系统4自由度动力学模型，以含故障的时变啮合刚度为输入，使用Newmark-β法对动态响应进行求解，获得不同程度裂纹与磨损作用下的齿轮动态特性。实验结果表明：该模型能够较好反应复合故障中磨损与裂纹特征；与未考虑磨损后双齿区实际变形的裂纹与磨损复合故障模型相比，该复合故障模型双齿区刚度计算准确性提高了约22%,所提模型可为含磨损与裂纹的齿轮传动系统故障诊断提供有效的动力学补充。     

齿轮传动系统随机振动模型与仿真

除考虑齿轮的齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差和轴承纵向响应外,还考虑了由扭矩波动引起的低频外激励和齿轮阻尼比、齿侧间隙、激励频率、啮合刚度的随机扰动,根据牛顿定律建立了单对三自由度直齿齿轮传动系统的动力学方程.利用系统的分岔图、相图、时间历程图、Poincaré映射图、李雅普诺夫指数和功率谱图分析了齿轮传动系统在齿轮时变啮合刚度变化下的动力学特性,以及啮合刚度的随机扰动对系统动力学的影响.数值仿真表明,随着齿轮时变啮合刚度的增大,齿轮传动系统从周期运动通过倍化分岔通向混沌运动;在啮合刚度的随机扰动不是很大时,系统解的周期结构不会发生大的变化.     

基于反步法的双电机同步联动伺服系统自适应鲁棒控制

针对具有未知传动齿隙的伺服系统,采用双电机同步联动消除齿隙,分别施加偏置力矩,在系统参数未知、存在未建模动态及外界扰动的情况下,设计了基于反步法的自适应鲁棒控制器。该控制器包括基于模型参数在线估计的自适应补偿、稳定反馈和鲁棒控制三部分。通过逐步选择控制系统Lyapunov函数,使得系统闭环控制系统信号有界,且跟踪误差在任意期望的精度内。理论证明和仿真分析验证了算法的有效性。     

基于不同啮合原理的谐波传动齿廓研究

为了研究双圆弧齿廓和S形齿廓在空载状态下的啮合性能差异,对采用包络啮合理论设计的双圆弧齿廓进行共轭齿廓拟合分析,并根据齿条近似原理给出S形齿廓的完整表达式,对基于不同啮合原理设计的谐波传动齿廓的运动轨迹、啮合侧隙进行对比分析.结果表明:双圆弧齿廓和S形齿廓都存在啮合侧隙,但是由于S形齿廓在凸齿廓共轭区啮合侧隙更小,侧隙分布更均匀,因此其啮合性能比双圆弧齿廓更好.此外,双圆弧齿廓的齿顶高系数对其啮合侧隙和啮合范围均有很大影响,而S形齿廓的齿顶高系数对其啮合侧隙没有影响.     

双电机驱动伺服系统的全系数自适应控制

双电机驱动伺服系统中存在齿隙非线性和摩擦非线性,从而降低系统跟踪响应速度、稳态精度及其抗干扰能力,为了削弱齿隙和摩擦非线性对系统产生的不利影响,提出了一种新的全系数自适应控制方法。首先分别给出了齿隙和摩擦非线性的动力学模型,然后在此基础上建立了齿隙和摩擦非线性并存时的特征模型,最后进行全系数自适应控制器的设计。将前馈全系数自适应控制和单纯的全系数自适应控制进行仿真比较,结果表明,前者跟踪响应速度快,稳态精度高,抗干扰能力强,具有较高的鲁棒性,说明所提出的控制策略是有效的。     

基于改进型偏差耦合结构的多电机同步控制

针对现有的多电机同步控制方案难以满足高精度控制的要求和不能实现比例同步控制的局限性，提出一种带PI补偿控制的改进型偏差耦合控制结构，可适用于多电机完全同步和比例同步控制.针对永磁同步电动机非线性和强耦合特性，设计了自适应模糊滑模变结构控制器来实现永磁同步电动机的跟踪控制.建立了4台永磁同步电动机的同步控制仿真模型，仿真实验表明，所提出的多电机同步控制结构相对于带固定增益补偿的控制结构具有更高的同步控制精度.与PID和常规滑模控制算法相比，自适应模糊滑模控制策略具有更高的同步稳定性和更强的鲁棒性.     

面齿轮传动系统参数激励振动特性分析

为研究各参数对面齿轮传动系统动态特性的影响,建立了包含齿侧间隙、传动误差、时变啮合刚度、阻尼、支承和外激励等参数的系统弯扭耦合非线性动力学模型,结合非线性动力学数值分析理论求解并得到了系统在不同参数下的分岔特性。计算结果表明,增加齿侧间隙、时变啮合刚度和传动误差会导致系统动载荷明显增大,而增加啮合阻尼则能有效降低系统的动载荷。     

电传动履带车辆双侧驱动控制研究

提出了采用双电机分别驱动两侧主动轮的电传动履带车辆行驶控制方案.在建立车辆及驱动系统数学模型的基础上,完成了分布式控制系统设计,提出转速调节与转矩调节的双侧驱动控制方案并进行对比分析.行驶试验验证了控制方案的可行性.两种控制方案已在车辆上成功应用.     

数控车床进给系统的建模与仿真

根据机械动力学原理建立了机床进给传动系统的数学模型,利用MATLAB软件中的动态仿真工具Simulink构建了车床进给系统的仿真模型,获得了反映系统性能的仿真曲线。利用仿真模型分析了间隙、死区等非线性因素对系统精度的影响,并给出了提高传动系统性能的措施。为机械传动系统的设计、参数的选择以及性能的改进提供理论依据。     

转速及扭矩对啮合齿轮副非线性特性影响分析

综合考虑时变啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合误差等因素,建立了两自由度直齿轮副非线性动力学模型.用4阶变步长Runge-Kutta算法对微分方程进行了数值求解,统计了迭代过程中轮齿啮合状态比例,研究了转速和扭矩对动态传递误差的影响.研究表明:随着转速增加,轮齿啮合状态发生变化,解释了动态传递误差的周期、混沌响应和误差幅值跳跃现象;随着扭矩的增大,出现跳跃现象的转速增加,幅值变化也增大,但轮齿冲击减少.     

一类单自由度齿轮系统动力学特性分析

建立了考虑齿侧间隙、时变啮合刚度等因素下的单自由度齿轮系统非线性动力学模型,采用变步长Runge-Kutta法对系统运动微分方程进行数值求解.结合系统的分岔图、Lyapunov指数图、相图、庞加莱映射图、时间相应图,分析系统随阻尼比变化时的动力学特性和啮合刚度对系统的影响,得到系统的混沌运动形成过程.结果表明,随着阻尼比变化,系统表现出丰富的动力学特性,同时啮合刚度影响系统的分岔点位置.     

鼓形齿联轴器轮齿理论间隙角的定义与极小化

为解决鼓形齿联轴器多齿接触研究课题中的实际接触齿对数的关键技术轮齿理论间隙的问题,首次用间隙角的概念对轮齿理论间隙作了定义和描述;建立了该变量的极小化模型;对一鼓形齿联轴器作了实际优化计算,得出了鼓形齿联轴器多齿接触研究中计算实际接触齿对数所需的不同啮合状态下的最小间隙角．