磁力轴承反向差动驱动控制的理论及实验研究

摘要

主动磁力轴承是利用电磁力悬浮转子及载荷的一种支承形式。与普通机械轴承相比,主动磁力轴承具有无机械接触和电磁力可控可调等特点,所以磁力轴承在超洁净和高速等环境下的应用具有独特的优势。磁力轴承转子的控制精度和动态响应性能在很大程度上决定着磁力轴承的推广应用。伴随着工业化进程推进,磁力轴承开始趋向于超高速和超精度方向发展,欲要获得这种高性能的磁力轴承,寻找一种新型的励磁方式十分有必要。
　　本文围绕改善磁力轴承转子的动态性能为主题,提出了反向差动驱动控制磁力轴承,并对其进行了理论和实验研究。主要研究工作如下:首先,介绍了主动磁力轴承的工作原理和电磁力的计算公式;介绍了常规差动磁力轴承工作原理,建立了单自由度常规差动驱动控制磁力轴承的动力学方程和仿真模型的动力学方程;在常规差动磁力轴承的基础上,描述反向差动驱动控制磁力轴承工作原理,并建立单自由度反向差动驱动控制磁力轴承的动力学方程和仿真模型的动力学方程。其次,基于PID控制算法,在预设的参数下分别对常规差动驱动控制和反向差动驱动控制的MATLAB仿真。仿真分悬浮、悬浮后位移激励、悬浮后加速度激励三个步骤进行,同时也仿真出反向差动驱动控制在不同电磁铁线圈匝数比的控制效果。仿真结果显示:反向差动驱动控制在超调量、调整时间和稳态误差等反映控制品质方面均优于常规差动驱动控制。接着,依据仿真结果提供的参数,简化磁力轴承控制的自由度,设计了单自由度反向差动驱动控制的实验装置。并详细介绍了实验装置的机械结构部分和电子控制部分。最后,分静态悬浮和周期振动激励两个阶段,通过改变反向差动驱动控制实验装置上电磁铁线圈的连接方式,分别进行反向差动驱动控制和常规差动驱动控制实验。详细介绍了两种驱动方式的实验过程和实验结果对比。实验研究表明:相同的控制环境,同一组PID参数下,反向差动驱动控制相对于常规差动驱动控制在超调量、调整时间和静态悬浮稳态误差方面的表现出优越性,但是在周期振动激励是稳态误差稍大。试验中还发现当电磁力一定时,转子或者衔铁的质量对控制效果有很大影响。实验虽没有获得像仿真那样完美的结果,但是获得一些有益的结论,为进一步深入研究反向差动驱动控制打下基础。

目录

中文摘要

Abstract

目录

第1章 引言

1.1 论文背景

1.2 磁力轴承的发展历程

1.3 磁力轴承的特点及典型应用

1.4 磁力轴承发展趋势

1.5 本文研究方向及内容安排

1.6 本文课题支撑

第2章 磁力轴承反向差动驱动控制原理及建模

2.1 磁力轴承的工作原理

2.1.1 主动磁力轴承的工作原理

2.1.2 磁力轴承电磁力的计算

2.2 常规差动驱动控制原理

2.2.1 常规差动驱动控制磁力轴承的工作原理

2.2.2 建立常规差动驱动控制系统的数学模型和仿真模型

2.3 反向差动驱动控制原理

2.3.1 反向差动驱动控制磁力轴承的工作原理

2.3.2 建立反向差动驱动控制系统数学模型和仿真模型

2.4 本章小结

第3章 反向差动驱动控制的Matlab仿真

3.1 PID控制

3.1.1 PID的改进形式——积分分离的PID控制算法

3.1.2 PID控制中P、I、D参数的选择方法

3.1.3 PID控制中P、I、D参数的选择步骤

3.2 常规差动驱动控制和反向差动驱动控制的MATLAB仿真

3.2.1 MATLAB仿真过程

3.2.2 MATLAB仿真结果分析

3.3 本章小结

第4章 反向差动驱动控制磁力轴承实验装置的设计

4.1 反向差动驱动控制实验装置机械结构部分的设计

4.1.1 机械结构部分原理

4.1.2 实验装置ANSYS电磁场分析

4.2 实验装置电子控制部分的设计方案

4.2.1 核心芯片选型

4.2.2 位移传感器的选择

4.2.3 数据采集卡

4.2.4 数字控制器硬件设计

4.2.5 A/D数据采集模块和D/A数据采集模块

4.2.6 功率放大器

4.3 本章小结

第5章 反向差动驱动控制磁力轴承的实验研究

5.1 数字控制器的调试工具

5.2 实验目的及其步骤

5.3 实验过程和数据处理

5.3.1 改变PID参数中的P值的实验

5.3.2 改变PID参数中的I值的实验

5.3.3 改变衔铁质量后的实验

5.3.4 改变PID参数中的D值的实验

5.3.5 小球冲击试验

5.4 实验结果分析与讨论

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录

(l) 攻读硕士期间发表的论文和获得专利

(2) 把实验中采用的IPD参数分别记为