磁懸浮軸承混合控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著機械向高速化、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成為高速加工機床的理想主軸單元.目前,磁懸浮軸承采用的大都是相對位移控制法,即用傳感器檢測轉子與定子之間的相對位移,并進行反饋控制,這種方法能夠保證轉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床等復雜彈性結構上之后,由于彈性結構受到軸承電磁力、主軸電機電磁力、還有機床的其他激勵因素的影響,將誘發(fā)振動,從而定子跟隨振動,

2、造成相對運動系統(tǒng)的參考基準出現偏差,此時,轉子相對于定子仍然具有高的精度,但是它的絕對坐標已經發(fā)生了改變,也即轉子的精度和動剛度下降. 為了確保安裝到復雜彈性結構上的磁懸浮主軸單元的精度和動剛度,在設計控制系統(tǒng)的過程中應充分考慮基礎運動對轉子動態(tài)特性的影響,提出了相對和絕對運動混合控制策略.基于混合控制的磁懸浮軸承研究成果能廣泛應用于超高速精密機床,可以提高磁懸浮主軸的精度,產生巨大的經濟效益.另外,可為開發(fā)擁有完全自主知識產權

3、的AMB主軸控制系統(tǒng)奠定理論基礎,為振興國家裝備制造業(yè)的產業(yè)政策目標做貢獻. 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子系統(tǒng)進行了解耦分析,在一定條件下磁懸浮軸承轉子系統(tǒng)是符合解耦條件的,建立了單自由度磁懸浮軸承轉子的數學模型,設計了PID控制器,并進行了仿真分析.分析表明控制器參數K<,p>、K<,i>、K<,d>對轉子動態(tài)特性有很大影響. 因此,選取合適的參數非常重要,在滿

4、足穩(wěn)定性的前提下,優(yōu)選了一組控制參數對系統(tǒng)的動剛度和精度進行了分析.結果表明,轉子的精度能夠達到目前磁懸浮軸承支承轉子的精度等級,在所設計轉速范圍內,轉子的動態(tài)性能優(yōu)良,控制器的設計合理. 為了研究基礎運動對磁懸浮軸承動態(tài)特性的影響,從單自由度入手,建立了剛性基礎一磁懸浮軸承一轉子的數學模型,選取相同的PID控制器及控制器參數,在不同激勵頻率和振幅條件下對轉子進行了穩(wěn)定性分析.結果表明,在激勵頻率和振幅超過一定范圍時,轉子會失穩(wěn)

5、.將計入基礎運動與不考慮基礎運動時轉子的運動特性進行對比,結果表明,在磁懸浮系統(tǒng)設計過程中絕不能忽略基礎運動對系統(tǒng)的影響.基礎運動不但會引起主軸軸心的絕對位置發(fā)生改變,而且基礎的振動將導致主軸的剛度和精度下降,造成機床加工精度的降低.另外基礎振動可能造成轉子失穩(wěn)或者強烈振動,將導致磁懸浮軸承失去支承轉子的能力,因此在建模和控制系統(tǒng)設計過程中必須充分考慮基礎振動的影響. 根據磁懸浮軸承的工作原理,給出了詳細的實驗系統(tǒng)設計過程和步驟

6、. 最后,對多自由度轉子系統(tǒng)進行了建模分析,計算了系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型,對基礎一磁懸浮軸承一轉子系統(tǒng)進行了混合控制系統(tǒng)的設計,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g<,i>與速度增益h<,i>,給出了實際控制力的表達式.結果表明,控制力不僅同轉子的位移和速度有關,而且同定子的位移和速度有關.確定了以各種激勵為輸入,轉子位移為輸出的傳遞函數,并進行了響應分析.結果表明,與僅采取相對運動控制法時轉子的動態(tài)性

7、能對比,混合控制系統(tǒng)的響應速度快、超調量小、精度高.它不僅能夠有效抑制基礎運動對轉子動態(tài)性能的影響,提高基礎運動時轉子的精度,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.因此,針對系統(tǒng)的特殊性能要求,可以獲得相應的位移增益與速度增益,增加了控制系統(tǒng)的可調性. 本論文的創(chuàng)新性在于提出相對和絕對運動混合控制策略,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