磁懸浮軸承混合控制系統(tǒng)研究

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1、摘要隨著機(jī)械向高速化、高精度化發(fā)展，對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位移控制法，即用傳感器檢測轉(zhuǎn)子與定子之間的相對位移，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)床的其他激勵因素的影響，將誘發(fā)振動，從而定予跟隨振動，造成相對運(yùn)動系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)出現(xiàn)偏差，此時，轉(zhuǎn)子相對于定子仍然具有高的精度，但是它的絕對坐標(biāo)已經(jīng)發(fā)生了改變，也即轉(zhuǎn)子的精度和動剛度下降。為了確保安裝到復(fù)雜

2、彈性結(jié)構(gòu)上的磁懸浮主軸單元的精度和動剛度，在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)運(yùn)動對轉(zhuǎn)子動態(tài)特性的影響，提出了相對和絕對運(yùn)動混合控制策略?；诨旌峡刂频拇艖腋≥S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)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)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)。本論文針對磁懸浮軸承混合控制系統(tǒng)的研究，做了以下幾個方面的工作：首先對磁懸浮軸承轉(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)計了PID控制器，并進(jìn)行了仿真分析。分析表明控制

3、器參數(shù)K。、K、E對結(jié)子動奮特性有很大影響。因此，選取合適的參數(shù)非常重要，在滿足穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)選了一組控制參數(shù)對系統(tǒng)的動剛度和精度進(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，在所設(shè)計轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子的動態(tài)性能優(yōu)良，控制器的設(shè)計合理。為了研究基礎(chǔ)運(yùn)動對磁懸浮軸承動態(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)，在不同激勵頻率和振幅條件下對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，在激勵頻率和振幅超過一定范圍時，轉(zhuǎn)子會失穩(wěn)。將計入基礎(chǔ)運(yùn)動與不考慮基礎(chǔ)運(yùn)動時轉(zhuǎn)子的運(yùn)動磁懸汗軸承混合擰制系統(tǒng)研咒特性進(jìn)行對比，結(jié)果

4、表明，在磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計過程中絕不能忽略基礎(chǔ)運(yùn)動對系統(tǒng)的影響。基礎(chǔ)運(yùn)動不但會引起主軸軸心的絕對位置發(fā)生改變，而且基礎(chǔ)的振動將導(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)振動可能造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)或者強(qiáng)烈振動，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)計過程中必須充分考慮基礎(chǔ)振動的影響。根據(jù)磁懸浮軸承的工作原理，給出了詳細(xì)的實驗系統(tǒng)設(shè)計過程和步驟。最后，對多自由度轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，計算了系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型，對基礎(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，在控制律的選取上采用模態(tài)控制，確定了各階模態(tài)的控制位移增益戤與速度增益hi，給出了實際控制力的表達(dá)式

5、。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，與僅采取相對運(yùn)動控制法時轉(zhuǎn)子的動態(tài)性能對比，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)動對轉(zhuǎn)子動態(tài)性能的影響，提高基礎(chǔ)運(yùn)動時轉(zhuǎn)子的精度，而且也能夠抑制各種干擾對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。因此，混合控制具有優(yōu)良的動態(tài)性能。此外，混合控制可以通過極點配置來實現(xiàn)。因此，針對系統(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)新性在于提出相對和絕對運(yùn)動混合控制策略，并將模態(tài)控制作為混合控制的控

6、制律，并且給出了模態(tài)控制的實施方法。關(guān)鍵詞：磁懸浮軸承：轉(zhuǎn)子；復(fù)雜結(jié)構(gòu)；相對和絕對運(yùn)動混合控制：模態(tài)控制ⅡABSTRACTWiththedevelopmentofhigh·speedandhigh-precisionmachine，therequestsforthespindlearehigher．Theactivemagneticbearings(AM勘spindleunitshavebecometheidealspindleofthemosthighspeedmachinetools．Atthepresenttime，theAMBcontrolsystemalmostusesrelat

7、ivemotioncontrolstrategy．Thedisplacementbetweentherotorandthestator(AMB)measuredbyrelativedisplacementsenSOrSisconsidered鷦feedbackparameterandtransformedtocontrolcurrent．Thismethodcanguaranteehighprecisionofthero