【摘要】：磁懸浮軸承(Magnetic Bearing,簡(jiǎn)稱MB)是利用磁力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間,使轉(zhuǎn)子和定子之間實(shí)現(xiàn)無接觸支承的一種新型高性能軸承。由于磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子和定子之間沒有機(jī)械接觸,具有眾多優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)子、定子間無摩擦,正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可不考慮磨耗問題,因而主軸壽命長(zhǎng),易維護(hù)；振動(dòng)噪聲��；可實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)；能耗低；無需潤(rùn)滑,無油污染,可在真空中,無塵室內(nèi),高溫、低溫、特殊氣體中,甚至人體內(nèi)等特殊環(huán)境中使用；通過控制器對(duì)電磁力予以調(diào)節(jié),即支承剛度阻尼可調(diào),因而可對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)施主動(dòng)控制,進(jìn)行不平衡補(bǔ)償,溫升補(bǔ)償?shù)?有利于提高轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)性能。因?yàn)榇艖腋≥S承具有以上優(yōu)點(diǎn),目前被應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械、透平設(shè)備、心臟泵和轉(zhuǎn)子飛輪等各個(gè)領(lǐng)域。 作為電氣、控制與機(jī)械綜合的一項(xiàng)高新技術(shù),磁懸浮軸承中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。優(yōu)良的控制系統(tǒng)可使磁懸浮軸承具有強(qiáng)大的功能,但另一方面,控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的工作。本課題的研究目的是,在高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的工業(yè)磨床上應(yīng)用磁懸浮軸承,通過建立基于DSP平臺(tái)的磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定和高魯棒性能,并通過時(shí)延補(bǔ)償控制、位姿誤差補(bǔ)償控制提高磨床電主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精密度。 為完成課題,本文主要進(jìn)行了以下工作： 首先,為了滿足磨削時(shí)磁懸浮軸承電主軸各項(xiàng)控制要求,本文設(shè)計(jì)了基于DSP平臺(tái)的數(shù)字控制系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)平臺(tái)。其中,數(shù)字控制系統(tǒng)主要由位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP數(shù)字控制器和FPGA數(shù)字功率放大器組成。數(shù)字電主軸狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)轉(zhuǎn)子位移、電磁鐵線圈電流以及電主軸溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 然后,本文根據(jù)H∞理論以及不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的魯棒控制原理,結(jié)合了對(duì)磁懸浮軸承電主軸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及不確定性的分析,設(shè)計(jì)了磁懸浮軸承魯棒控制器。其中,使用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)對(duì)磁懸浮軸承的非參數(shù)不確定性進(jìn)行了智能辨識(shí),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的H∞控制器,相對(duì)于僅考慮參數(shù)不確定性的控制器來說,這種方法具有更好的魯棒性能,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。 數(shù)字控制系統(tǒng)中,數(shù)字控制時(shí)延對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)造成影響。本文在研究了磁懸浮軸承數(shù)字控制時(shí)延的組成及其對(duì)控制系統(tǒng)性能影響的基礎(chǔ)上,提出了一種新的時(shí)延補(bǔ)償算法。該算法通過預(yù)測(cè)下一采樣時(shí)刻的系統(tǒng)輸出來消除時(shí)延對(duì)控制系統(tǒng)的影響。預(yù)測(cè)算法由磁懸浮軸承的離散化模型得到,算法系數(shù)可以經(jīng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠很好地補(bǔ)償數(shù)字控制時(shí)延,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制磁懸浮軸承的穩(wěn)定懸浮和高速運(yùn)轉(zhuǎn)。 為了實(shí)現(xiàn)在磨床應(yīng)用上的高定位精度,本文在檢測(cè)系統(tǒng)溫升的基礎(chǔ)上,建立了溫升與轉(zhuǎn)子位姿的相關(guān)模型,確定了5路位移控制輸入設(shè)定值與轉(zhuǎn)子位姿的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并利用數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)溫升膨脹的位姿誤差在線補(bǔ)償。補(bǔ)償算法由FPGA硬件實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法可很好地補(bǔ)償溫升造成的位姿誤差,保證了磁懸浮軸承電主軸的穩(wěn)定性和精度。 最后,通過對(duì)MK2110型內(nèi)圓磨床進(jìn)行改裝,搭建了磁懸浮軸承電主軸控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。成功實(shí)現(xiàn)了磁懸浮軸承磨床電主軸的五自由度穩(wěn)定懸浮；進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),轉(zhuǎn)速最高達(dá)到30000rpm。在360Hz下進(jìn)行了磨削實(shí)驗(yàn),磨削出的工件粗糙度和圓度基本滿足加工要求,接近工業(yè)應(yīng)用水平。 本文主要進(jìn)行了以下創(chuàng)新：針對(duì)磁懸浮軸承電主軸系統(tǒng)的H∞控制器設(shè)計(jì),利用智能辨識(shí)方法解決加權(quán)矩陣選擇問題,得到了磁懸浮軸承電主軸系統(tǒng)中的非參數(shù)不確定性描述,將非參數(shù)不確定加權(quán)函數(shù)應(yīng)用在Hoo控制器設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)了高魯棒性能；針對(duì)磁懸浮軸承系統(tǒng)中數(shù)字控制時(shí)延對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響,提出了一種數(shù)字控制時(shí)延的補(bǔ)償算法,該算法有效地消除了數(shù)字控制時(shí)延的影響,實(shí)現(xiàn)了磁懸浮軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；針對(duì)磁懸浮軸承電主軸的溫升問題,在檢測(cè)系統(tǒng)溫升的基礎(chǔ)上,建立了溫升與轉(zhuǎn)子位姿的相關(guān)模型；提出了一種溫升補(bǔ)償算法,并利用數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了磨頭位姿的在線調(diào)整,完成了系統(tǒng)溫升膨脹的在線補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法可很好地對(duì)溫升膨脹進(jìn)行補(bǔ)償,保證了磁懸浮軸承電主軸的穩(wěn)定性和精度�；谏鲜鰟�(chuàng)新研究工作,設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。 以上工作中,實(shí)施主動(dòng)控制,利用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法以達(dá)到系統(tǒng)高魯棒性,并進(jìn)行在線補(bǔ)償以抵消時(shí)延、溫升等因素對(duì)系統(tǒng)的不利影響,這是磁懸浮軸承的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn),也是本課題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn),需要吸取轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析、系統(tǒng)辨識(shí)、自動(dòng)控制、傳感器、電力電子技術(shù)等多項(xiàng)學(xué)科的先進(jìn)知識(shí)。首先,磁懸浮軸承是具有強(qiáng)烈非線性且本質(zhì)不穩(wěn)定的控制對(duì)象,磨床加工又要求主軸同時(shí)具有高精度和高剛度,需要精心設(shè)計(jì)合適的控制器。由于系統(tǒng)模型中存在參數(shù)不確定性和動(dòng)態(tài)不確定性,使得采用PID控制或者依賴于確定性模型的控制方法達(dá)不到理想的控制效果,因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒性能良好的控制器與系統(tǒng)模型不確定性相適應(yīng)。在H∞控制方法中,加權(quán)函數(shù)的選擇是一個(gè)待解決的難題,加權(quán)函數(shù)的選擇是依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試算。一般來說,取決于控制設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求、指標(biāo)的選擇等。文中使用智能辨識(shí)方法進(jìn)行非參數(shù)不確定性加權(quán)函數(shù)的選擇,滿足了設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)具有較好的控制性能。其次,磁懸浮軸承系統(tǒng)中,溫升效應(yīng)會(huì)影響磁懸浮軸承系統(tǒng)的靜態(tài)精度,惡化軸向軸承的特性,對(duì)系統(tǒng)可靠性造成威脅。為了解決溫升問題,本文研究了溫升對(duì)轉(zhuǎn)子位姿的影響,并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了關(guān)鍵溫度點(diǎn)溫度值與轉(zhuǎn)子位姿偏移的映射關(guān)系,如何用硬件實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償,是本論文的一個(gè)難點(diǎn)。 本文采用主動(dòng)控制對(duì)溫升問題進(jìn)行了補(bǔ)償,作為下一步研究工作,可以從磁懸浮軸承電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度,減少系統(tǒng)的發(fā)熱源,從源頭上控制溫升。研究過程中,發(fā)現(xiàn)磁懸浮軸承電主軸工作中存在拍振現(xiàn)象,影響磨削效果,也需要進(jìn)一步的研究并加以抑制。 研究工作表明,論文提出并完成的針對(duì)磁懸浮軸承數(shù)字魯棒控制系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究方法是重要和有價(jià)值的研究成果,得到的控制器在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果。本文的研究工作為國內(nèi)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的深入研究和未來的工業(yè)應(yīng)用打下了基礎(chǔ),具有非常重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TH133.3;TP273

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2618543