基于壓電作動器的齒輪傳動系統(tǒng)振動主動控制及算法研究.pdf

1、齒輪系統(tǒng)的振動不但會產生噪聲和導致傳動系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且會加速傳動系統(tǒng)的疲勞損害，使其失效進而產生嚴重后果。齒輪作為機械傳動中的通用基礎件，降低其振動噪聲對于減少齒輪箱故障、改善工作環(huán)境具有重要工程意義。目前齒輪系統(tǒng)的振動噪聲控制主要采取被動方式，包括齒輪修形優(yōu)化、調整轉子質量或剛度來改變其動力特性等。為了抑制齒輪嚙合誤差引起的周期振動噪聲，本文結合壓電智能材料的應用，將主動控制技術應用在齒輪傳動嚙合振動主動控制中，基于主動控制軸橫向振

2、動的思想，采用主動控制結構，使主動控制力以更直接的方式來控制齒輪嚙合點由于傳動誤差激勵而引起的振動，進而達到控制齒輪傳動系統(tǒng)振動噪聲的目的。論文主要工作如下：
　　1)為了分析齒輪系統(tǒng)在嚙合力的作用下產生的動態(tài)響應，首先建立齒輪系統(tǒng)的動力學模型，應用集中質量法建立了由一對漸開線直齒圓柱齒輪組成的傳動系統(tǒng)三自由度數學模型，在此模型基礎上分析了激勵頻率和負載對齒輪傳動系統(tǒng)動態(tài)響應的影響。利用壓電堆作動器作為振動主動控制的執(zhí)行器，提出了

3、用于振動主動控制的齒輪箱主動結構方案。
　　2)針對影響壓電陶瓷作動器輸出精度的滯回非線性問題，提出能夠精確描述其滯回非線性特性的數學模型，分別采用Preisach模型和PI模型對壓電作動器的滯回非線性進行建模，對壓電堆的輸出特性進行了仿真；在此基礎上提出一種開環(huán)逆控制方法，應用PI逆模型作為控制器來補償滯回非線性。仿真結果表明控制器的設計保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，并有效抑制了壓電作動器滯回非線性的影響。
　　3)為了有效抑制齒輪傳

4、動系統(tǒng)由于嚙合誤差引起的周期振動，采用一種基于自適應濾波算法的振動主動控制方案。分別應用M文件型Level-2 S函數和C-MEX S函數編寫 FxLMS自適應控制算法模塊；通過算例驗證了控制算法模塊的正確性。在保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和快速收斂的前提下，深入討論了用于周期性信號的振動主動控制 FxLMS算法收斂條件，并對影響算法性能的內部因素進行了分析，同時分析了在次級通道辨識有誤差和延遲的情況下算法的性能，為在實際應用中保證算法收斂并達到

5、最佳控制效果提供重要理論依據。
　　4)在ADAMS環(huán)境下建立了齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機，將其作為被控對象子模塊，添加到Simulink環(huán)境中建立的FxLMS控制系統(tǒng)中，建立起完整的齒輪傳動振動主動控制聯合仿真系統(tǒng)。聯合仿真驗證了所建模型以及控制算法的正確性。
　　5)最后根據所提出的齒輪傳動系統(tǒng)振動主動控制方法，構建了齒輪箱與壓電堆作動器、傳感器和控制器等必要的軟、硬件構成的振動主動控制實驗系統(tǒng)，進行了快速控制原型半實物實驗：

6、通過基于級聯自適應陷波器技術提取齒輪嚙合振動信號頻率進而合成參考信號，利用歸一化 LMS自適應濾波器對包含壓電堆作動器的次級通道進行離線辨識實驗，得到次級通道的傳遞函數；最后將算法代碼下載到dSPACE中作為控制器，與內置壓電堆作動器的齒輪箱實驗臺組成快速控制原型進行實驗驗證。結果表明：由 FxLMS算法控制的壓電堆作動器對齒輪的嚙合振動主動控制效果明顯，在不同轉速、不同負載情況下嚙合振動有15dB-26dB的衰減。實驗結果驗證了本文提