柔性薄膜涂敷装置运动控制系统研究与设计

论文摘要

柔性材料加工是一类在纺织、造纸、印刷和薄膜材料等工业中常见的加工类型,随着新技术和新工艺的发展,柔性材料的卷取控制在半导体制造、生物医药和新能源等行业中的材料加工中的应用也愈来愈广泛。在燃料池膜电极连续制造中,需要将催化剂定位涂敷在质子交换膜上,由于质子交换膜是柔性薄膜,对柔性薄膜的收放卷定位控制成为加工过程的重要控制问题之一。在柔性薄膜材料涂敷的运动控制装置中,采用永磁同步电机作为驱动装置。机电系统的间隙特性和柔性材料的形变特性等因素所构成的非线性特性,使得对事先标记好的柔性材料进行定位卷取的动态控制难度增加。本文针对柔性材料的卷取位置控制问题,研究获得快速和准确控制方法。由于薄膜是柔性材料,传统的对刚性材料的控制方法并不完全适用于本系统。在对包含伺服电机和柔性薄膜的收放卷系统进行了详细的动力学分析的基础上,得到各环节传递函数。针对系统柔性薄膜材料的非线性特性,设计模糊PID智能控制算法设计位置调节器。通过基于MATLAB仿真模型,分别建立柔性形变模型的系统与无形变模型的系统；研究了模糊PID智能控制算法与传统PID控制算法对控制系统稳定性、稳态精度和动态快速响应的影响。通过仿真结果,表明建立柔性形变模型和采用模糊控制算法的意义。然后,对薄膜位置控制系统的硬件设计作了详细论述。系统以TI公司的TMS320F2812芯片为控制核心,设计了控制器的硬件电路部分；给出了转子位置,三相绕组相电流,速度和负载位置等检测电路；并以SANYO公司的RS1A10AA伺服驱动器,设计了交流永磁同步电机的驱动电路。最后,对薄膜位置控制系统的软件设计作了详细论述。在系统软件设计中,主要包括：初始化程序、检测子程序、ADC中断服务子程序,调节控制程序,驱动控制程序,网络通讯程序等。主要实现了系统的位置、速度、电流的检测以及闭环控制等功能。间隙和形变补偿是本文讨论的重点,但由于时间所限,只进行了初步探讨。本文的完成,对薄膜同步位置控制系统的建模,仿真及传动机械间隙,柔性材料形变的补偿控制打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题来源及意义
• 1.3 本文所作的工作
• 第2章 柔性薄膜位置控制问题描述
• 2.1 膜电极组件涂敷加工工艺
• 2.2 涂敷装置位置控制系统建模
• 2.3 涂敷装置位置控制系统设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 柔性薄膜运动系统建模与仿真分析
• 3.1 永磁同步电机控制原理
• 3.1.1 永磁同步电机数学模型
• 3.1.2 永磁同步电机矢量控制
• 3.2 检测装置原理
• 3.2.1 薄膜位置检测光电传感器
• 3.2.2 电机转速检测旋转编码器
• 3.3 系统非线性误差模型
• 3.3.1 机械传动间隙模型
• 3.3.2 薄膜形变模型
• 3.4 仿真与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 运动控制策略设计与仿真
• 4.1 电流控制环设计
• 4.2 转速控制环设计
• 4.3 位置控制环设计
• 4.4 仿真与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 运动控制系统硬件设计
• 5.1 系统硬件总体结构
• 5.2 电源模块设计
• 5.3 处理器模块设计
• 5.3.1 控制芯片介绍
• 5.3.2 程序下载接口
• 5.3.3 存储器扩展电路
• 5.3.4 网络通讯接口
• 5.4 输入和输出电路设计
• 5.4.1 定子电流检测电路设计
• 5.4.2 电机转速检测电路设计
• 5.4.3 薄膜位置检测电路设计
• 5.5 伺服驱动电路设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 运动控制系统软件设计
• 6.1 系统主程序设计
• 6.2 检测程序设计
• 6.3 运动控制程序设计
• 6.3.1 位置信号采样程序
• 6.3.2 位置信号滤波程序
• 6.3.3 位置模糊控制程序
• 6.3.4 柔性特性补偿控制程序
• 6.3.5 催化剂定位控制程序
• 6.4 伺服驱动程序设计
• 6.4.1 电机速度控制程序
• 6.4.2 定子电流控制程序
• 6.4.3 电机矢量控制程序
• 6.5 通讯程序设计
• 6.6 本章小结
• 第7章 全文总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 致谢