【摘 要】
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音圈电机已广泛应用于工业生产、光学设备、振动产生等几大领域,在数码产品、数控机床、机械手、医疗器械、航空航天等场合具有不可或缺的地位。这些领域的生产加工活动包括定位、跟踪、推送、送料等,且多为往复运动,对速度、精度和稳定性要求较高,音圈电机机体轻小、精度高、响应快、运行可靠,成为最佳的执行机构。在此背景下,本文展开了对控制算法的研究,设计并实现了音圈电机控制系统。对音圈电机的工作原理进行分析,得到
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音圈电机已广泛应用于工业生产、光学设备、振动产生等几大领域,在数码产品、数控机床、机械手、医疗器械、航空航天等场合具有不可或缺的地位。这些领域的生产加工活动包括定位、跟踪、推送、送料等,且多为往复运动,对速度、精度和稳定性要求较高,音圈电机机体轻小、精度高、响应快、运行可靠,成为最佳的执行机构。在此背景下,本文展开了对控制算法的研究,设计并实现了音圈电机控制系统。对音圈电机的工作原理进行分析,得到了电机的数学模型,建立了三闭环控制系统模型。因为滑模控制具有鲁棒性强,抗干扰性高,响应迅速的优点,而音圈电机结构简单稳定,适合使用滑模控制,所以本文为控制系统设计了滑模控制器。滑模控制的缺点是存在抖振,通过仿真,发现传统的抖振抑制方法的原理有损系统的快速性。为了全面地提高算法的性能,本文引入分数阶微积分理论,在MATLAB/Simulink平台完成了复频域内分数阶算子的求解和仿真,分析了分数阶环节的输入输出特性、对数频率特性,在此基础上,设计并仿真了全分数阶滑模(分数阶滑模面+分数阶趋近律)控制器。目前与分数阶相结合的控制器仅有PID、滑模,所以设计了分数阶PID控制器作为分数阶方法的对比。本文以TMS320F28335为主控芯片,在Altium Designer平台设计了系统的硬件电路并将其实现,主要包括最小系统、辅助电源、H桥驱动、电流采样、位置反馈等电路,搭建了电机控制系统的硬件平台。在Code Composer Studio平台开发了系统的软件程序,主要包括初始化配置、中断服务、分数阶算子离散化数值解等程序。本文针对分数阶参数对滑模控制的影响进行仿真和调试,并设计了四组对照实验,证明了全分数阶滑模控制响应最快、抗干扰性最强、抖振最小。将程序在硬件平台上运行并调试,结果表明系统能够准确、快速地跟踪控制指令。本文首次设计并实现了基于音圈电机的全分数阶滑模控制策略,填补了研究空白,总结了参数整定经验(并从实际出发改进了滑模参数c的设置方法),具备一定工程价值和指导意义。
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