潘文宏

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院數(shù)控工程學院 西安 710300）

1 引言

液力變矩器滾鉚工藝是指將露出外環(huán)的耳片（如圖1（a）所示）定位爪壓彎，以實現(xiàn)壓彎后的葉片爪（如圖1（b）所示）與渦輪背部的貼合間隙在0.2mm以下，其主要是為了方便葉片固定以便于在液力變矩器內部流道增距［1～3］。

目前，液力變矩器滾鉚工藝在國內大部分企業(yè)還是以傳統(tǒng)手工作業(yè)為主，生產效率低下。滾鉚自動化和專業(yè)化設備比較缺少，發(fā)展緩慢，效率難以得到保證。由于國外技術壟斷，滾鉚工藝在汽車以及工程機械制造中格外重要，因此開發(fā)一臺液力變矩器滾鉚機設備是很有必要的。

圖1 滾鉚前/后效果圖

本文主要對滾鉚機主軸主運動控制系統(tǒng)進行設計，研究由交流電機、減速器、變頻器和編碼器組成的整個主軸主運動調速系統(tǒng)的模型建立和系統(tǒng)仿真［4～5］。利用 Matlab 建模分析軟件中的 Simulink模塊為技術工具，建立各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)仿真模型，構建好模型之后根據(jù)滾鉚機實際的工作狀況進行穩(wěn)定性仿真實驗分析，并結合模型參考自適應控制加以分析。

2 滾鉚機主軸主運動控制系統(tǒng)設計

專用滾鉚機主要用于液力變矩器渦輪分總成和泵輪分總成的葉片固定滾鉚，生產節(jié)拍為40s/件；零件傳輸采用自動上下料，輸送形式為連續(xù)通過式。

滾鉚機主軸進給下移的同時，旋轉加速至120r/min，接觸葉片后旋轉滾鉚，然后進行減速保壓。以此來對耳片進行保壓以減少形變回彈，后上升回至初始位置，這一過程就是滾鉚的完整流程。滾鉚機主軸主運動控制系統(tǒng)主要是由立式交流電機、減速器、變頻器以及編碼器組成的，如圖2所示。原理如下：立式交流電機通過變頻器參數(shù)設置，以及減速器的穩(wěn)定減速來實現(xiàn)滾鉚主軸速度控制。滾鉚機主軸旋轉系統(tǒng)配置圖如圖3所示。

圖2 滾鉚機主軸主運動控制系統(tǒng)結構圖

圖3 專用滾鉚機主軸旋轉系統(tǒng)配置圖

3 滾鉚機主軸系統(tǒng)仿真分析

針對滾鉚機主軸主運動控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)（變頻器，三相電機、減速器以及編碼器）的模型進行建模，以便于后續(xù)主軸系統(tǒng)的仿真運算。

3.1 三相電機仿真模型的建立

由電機中電流和電壓的關系，電機中電流和電壓之間的傳遞函數(shù)關系為［6］

其中參數(shù)?。篟=7.875Ω，L=27.7mH，C=600μF，則有：TL=LR=0.0035S；TC=RC=0.0047S 。

對應異步旋轉電機，其運動方程為

3.2 MM440變頻器仿真模型的建立

在實際的變頻器應用生產過程之中，根據(jù)設計分析，對變頻器的仿真建模而言，對定義和設定其傳遞函數(shù)也是不同的。本文將其過程可以看做是小慣性環(huán)節(jié)和一個比例環(huán)節(jié)，這樣就可以使得問題得到簡化，一般的工作條件下也是允許的。對于本文研究分析，將MM440變頻器視為慣性環(huán)節(jié)來建模分析［7～8］，那么就依據(jù)變頻器控制和輸出電壓關系建立U（i控制電壓）和U（o輸出電壓）之間傳遞函數(shù)。

時間Ts一般為幾十到幾百ms。在這里取Ts=0.015s，依據(jù)選取的變頻器，得知控制電壓Ui=24V，Uo=380V，那么比例系數(shù)Kb：

3.3 減速器模型的建立

減速器變頻器后后端，減速器其傳動比i一定，其模型可以簡化為一個比例環(huán)節(jié)K（Gain4）來處理，K則是減速器的傳動比，由于減速器的傳動比為5.02，即K=5.02。

3.4 滾鉚機主軸調速控制系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)滾鉚機本體的設計分析研究，那么可以對滾鉚機的主軸速度響應的仿真模型進行建立。位于變頻器后面的減速器由于其傳動比i一定，因此可以將減速器模型可以將其簡化為一個比例環(huán)節(jié)K=5.02（Gain4）來處理，編碼器反饋環(huán)節(jié)也可以視作一個比例環(huán)節(jié)K1（Gain3）。根據(jù)仿真模型中運用到的標準功能模塊，將上述各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型與電機仿真模型［9～10］鍵入到 Simulink Model中，由式（1）、（5）和減速器模型可知其四個環(huán)節(jié)（電機，變頻器，減速器和編碼器）的關系，最后滾鉚機主軸調速控制系統(tǒng)模型得以建立，如圖4所示。

圖4 專用滾鉚機控制系統(tǒng)Simulink模型結構圖

4 滾鉚機主軸控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

由模型結構圖4以及其開環(huán)傳遞函數(shù)推出系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程［11］：

利用Matlab來繪制滾鉚機主軸主運動控制系統(tǒng)bode圖，繪制系統(tǒng)的仿真曲線如圖5所示。由圖5可知系統(tǒng)是不穩(wěn)定的（穩(wěn)態(tài)要求幅值裕度GM＞0，且相角PM裕度＞0），但是通過調節(jié)增益可以使系統(tǒng)達到穩(wěn)定，最后使得系統(tǒng)幅值裕度和相位裕度保持在穩(wěn)定的范圍，調整成一個穩(wěn)定系統(tǒng)。最后，通過調節(jié)增益運行（Start Simulation）系統(tǒng)結構圖之后可得到仿真曲線，最終的階躍速度響應仿真曲線結果，如圖6所示。

圖5 滾鉚機主軸控制系統(tǒng)開環(huán)bode圖

圖6 專用滾鉚機Simulink階躍速度響應仿真圖

5 滾鉚機主軸主運動模型參考自適應控制（MRAC）系統(tǒng)分析

自適應控制輸入為方波信號［12］，根據(jù)滾鉚機主軸的數(shù)學模型得到所需的Simulink仿真模塊框圖，如圖7所示。

圖7 模型參考自適應控制系統(tǒng)Simulink仿真框圖

根據(jù)Matlab運行圖7對應的M文件，得到滾鉚機主軸主運動模型參考自適應控制系統(tǒng)的仿真結果曲線如圖8所示。

圖8 模型參考自適應控制系統(tǒng)的仿真結果

由圖8結果分析表表明，隨著Tv值的增大，自適應控制系統(tǒng)的效果變好，并最終保持在可接受的范圍之內。由此可知，可以利用控制策略得到想要的結果。最終由圖5的控制系統(tǒng)仿真框圖仿真得到階躍速度相應仿真曲線結果是穩(wěn)定的，如圖6所示。得知轉速仿真結果可以看出，實際要求速度和仿真模擬速度均為120r/min，所以電動機、變頻器、編碼器和減速器的仿真模型在動態(tài)性能上很好地對實際系統(tǒng)進行了模擬，可以滿足速度仿真中對轉速控制環(huán)節(jié)的要求［13～15］。

6 結語

通過利用Matlab/Simulink對液力變矩器滾鉚機的主軸旋轉系統(tǒng)進行建模和轉速動態(tài)仿真分析，通過調節(jié)增益可以使系統(tǒng)達到穩(wěn)定，為后續(xù)專機設備開發(fā)提供設計和分析依據(jù)；滾鉚機轉速實際要求120r/min，通過調節(jié)增益運行系統(tǒng)結構圖之后可得到仿真曲線和實際要求一致。以此滿足轉速控制要求，與樣機的調試相比，可節(jié)約設計者分析設計周期，提高產品開發(fā)周期。同時也可為后續(xù)產品開發(fā)提供方法借鑒。