磁懸浮軸承混合控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著機(jī)械向高速化、高精度化發(fā)展,對(duì)主軸的要求也越來越高,磁懸浮軸承(AMB)支承的主軸單元已經(jīng)成為高速加工機(jī)床的理想主軸單元.目前,磁懸浮軸承采用的大都是相對(duì)位移控制法,即用傳感器檢測轉(zhuǎn)子與定子之間的相對(duì)位移,并進(jìn)行反饋控制,這種方法能夠保證轉(zhuǎn)子具有非常高的精度.但是,一旦將采用相對(duì)位移控制的磁懸浮主軸安裝到機(jī)床等復(fù)雜彈性結(jié)構(gòu)上之后,由于彈性結(jié)構(gòu)受到軸承電磁力、主軸電機(jī)電磁力、還有機(jī)床的其他激勵(lì)因素的影響,將誘發(fā)振動(dòng),從而定子跟隨振動(dòng),

2、造成相對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)出現(xiàn)偏差,此時(shí),轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子仍然具有高的精度,但是它的絕對(duì)坐標(biāo)已經(jīng)發(fā)生了改變,也即轉(zhuǎn)子的精度和動(dòng)剛度下降. 為了確保安裝到復(fù)雜彈性結(jié)構(gòu)上的磁懸浮主軸單元的精度和動(dòng)剛度,在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性的影響,提出了相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)混合控制策略.基于混合控制的磁懸浮軸承研究成果能廣泛應(yīng)用于超高速精密機(jī)床,可以提高磁懸浮主軸的精度,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益.另外,可為開發(fā)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

3、的AMB主軸控制系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ),為振興國家裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)做貢獻(xiàn). 本論文針對(duì)磁懸浮軸承混合控制系統(tǒng)的研究,做了以下幾個(gè)方面的工作: 首先對(duì)磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了解耦分析,在一定條件下磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是符合解耦條件的,建立了單自由度磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了PID控制器,并進(jìn)行了仿真分析.分析表明控制器參數(shù)K<,p>、K<,i>、K<,d>對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性有很大影響. 因此,選取合適的參數(shù)非常重要,在滿

4、足穩(wěn)定性的前提下,優(yōu)選了一組控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)剛度和精度進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子的精度能夠達(dá)到目前磁懸浮軸承支承轉(zhuǎn)子的精度等級(jí),在所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良,控制器的設(shè)計(jì)合理. 為了研究基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)對(duì)磁懸浮軸承動(dòng)態(tài)特性的影響,從單自由度入手,建立了剛性基礎(chǔ)一磁懸浮軸承一轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型,選取相同的PID控制器及控制器參數(shù),在不同激勵(lì)頻率和振幅條件下對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了穩(wěn)定性分析.結(jié)果表明,在激勵(lì)頻率和振幅超過一定范圍時(shí),轉(zhuǎn)子會(huì)失穩(wěn)

5、.將計(jì)入基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)與不考慮基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,在磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中絕不能忽略基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響.基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)不但會(huì)引起主軸軸心的絕對(duì)位置發(fā)生改變,而且基礎(chǔ)的振動(dòng)將導(dǎo)致主軸的剛度和精度下降,造成機(jī)床加工精度的降低.另外基礎(chǔ)振動(dòng)可能造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)或者強(qiáng)烈振動(dòng),將導(dǎo)致磁懸浮軸承失去支承轉(zhuǎn)子的能力,因此在建模和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮基礎(chǔ)振動(dòng)的影響. 根據(jù)磁懸浮軸承的工作原理,給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和步驟

6、. 最后,對(duì)多自由度轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析,計(jì)算了系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型,對(duì)基礎(chǔ)一磁懸浮軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在控制律的選取上采用模態(tài)控制,確定了各階模態(tài)的控制位移增益g<,i>與速度增益h<,i>,給出了實(shí)際控制力的表達(dá)式.結(jié)果表明,控制力不僅同轉(zhuǎn)子的位移和速度有關(guān),而且同定子的位移和速度有關(guān).確定了以各種激勵(lì)為輸入,轉(zhuǎn)子位移為輸出的傳遞函數(shù),并進(jìn)行了響應(yīng)分析.結(jié)果表明,與僅采取相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制法時(shí)轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)性

7、能對(duì)比,混合控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、精度高.它不僅能夠有效抑制基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)性能的影響,提高基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的精度,而且也能夠抑制各種干擾對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響.因此,混合控制具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能.此外,混合控制可以通過極點(diǎn)配置來實(shí)現(xiàn).因此,針對(duì)系統(tǒng)的特殊性能要求,可以獲得相應(yīng)的位移增益與速度增益,增加了控制系統(tǒng)的可調(diào)性. 本論文的創(chuàng)新性在于提出相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)混合控制策略,并將模態(tài)控制作為混合控制的控制律,并且給出了模態(tài)控