过约束磁悬浮导轨的稳定性分析与控制

摘要

主动磁悬浮导轨系统是利用电磁力把导轨工作台稳定悬浮起来的一种新型的平面多点支承系统。与普通导轨相比，主动磁悬浮导轨具有无摩擦阻力、无接触磨损、无需润滑、精度高、寿命长等优点。由于主动磁悬浮导轨的滑箱与导板之间相对运动时表面没有接触，大大地减小了运动阻力，因而加快了导轨的运动响应，为提高数控机床的进给速度提供了技术条件，避免了因机械摩擦和直接接触而导致的导轨寿命缩短和加工精度下降等问题，因而主动磁悬浮导轨的可靠性远远高于普通导轨。与静压导轨相比，由于主动磁悬浮导轨省掉了庞大的油路系统，所以减轻了环境污染、降低了洁净防尘条件，因此，主动磁悬浮导轨支承技术有望得到迅速的发展。
　　从机床导轨的承载特性考虑，主动磁悬浮导轨的工作平面必须采用多点支承，但是对于一个平面而言，这种多点支承就存在主动式过约束。随着主动磁悬浮技术的深入研究，发现多点支承的主动磁悬浮导轨系统的主动式过约束会引起“颤振”，导致难以将先进的控制策略应用到平面多点支承的主动磁悬浮导轨系统中，也难以进一步提高主动磁悬浮导轨的承载能力和控制精度，甚至阻碍了主动磁悬浮导轨的研究工作。首先，本文针对多点支承的主动磁悬浮导轨中出现的“颤振”问题进行了一系列的研究，提出了一种产生主动式磁阻尼的新方法来解决颤振问题。其次，在解决颤振问题之后，引入了基于PID控制、模型参考自适应控制及滑模变结构控制的特征主导型控制策略，并借助非线性补偿的手段来进一步提升主动磁悬浮导轨的性能。最后，搭建了主动磁悬浮导轨的实验平台，开展了相关的仿真和实验研究，消除了“颤振”的影响，实现了主动磁悬浮导轨的平稳运行，提升了系统性能。本文详细的研究内容如下:
　　1.设计了主动磁悬浮导轨系统的结构，分析了主动磁悬浮导轨的工作机理，建立了主动磁悬浮导轨的数学模型，着重对主动磁悬浮导轨系统中的刚度—阻尼特性进行了分析与计算。
　　2.针对多点支承的主动磁悬浮导轨中存在的主动式过约束，分析了过约束产生颤振的机理，提出了一种磁阻尼控制的新方法，用于解决多点支承的主动磁悬浮系统中的颤振问题。建立了主动磁悬浮导轨工作台平面的法向磁阻尼模型，并对相应的磁阻尼力进行了相关的计算，为解决多点支承的主动磁悬浮导轨中的颤振提供了必要的理论依据。
　　3.解决了主动磁悬浮导轨系统中的颤振问题之后，提出了特征主导型控制策略，根据导轨处于平动段、过渡段和冲击段三种不同的工作状态，分别采取PID主导控制策略、模型参考自适应主导控制策略、滑模变结构主导控制策略，并构建了相关的控制系统，进行了相应的仿真研究，进一步提升了主动磁悬浮导轨的性能，对最终克服多点支承系统的技术难点起到至关重要的作用。
　　4.引用课题组的前期成果—非线性功率放大器，减少系统的非线性影响。通过采用非线性功率放大器，使控制对象等效地转换为一个线性子系统，从而可以更广泛地引入一些先进算法，进一步扩大了系统的稳定域。
　　5.研究并搭建了主动磁悬浮导轨系统的硬件及实验平台，为验证课题的研究结论创造了条件。构建了基于DSPTMS320F28335的主动磁悬浮导轨控制系统的模拟实验平台，进行了相关的硬件、软件调试等实验研究，尤其针对主动磁悬浮导轨系统中的主要控制芯片、位移传感器等进行了相关的研究，并进行了相应的参数分析及关键部分的硬件电路设计，利用所研发的实验平台验证了主动磁悬浮导轨系统中磁阻尼及特征主导型控制策略的正确性。
　　最后，对全文进行了研究总结与工作展望，总结了论文完成的主要内容，并提出了论文内容有待于深入研究的方面。

目录

声明

摘要

1．1 磁悬浮导轨的研究背景

1．2 磁悬浮技术的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题研究的目的及意义

1．4 课题研究的内容及论文结构

1．4．1 课题研究的内容

1．4．2 论文的结构

第2章 主动磁悬浮导轨系统的结构及工作机理

2．1 主动磁悬浮导轨的结构

2．2 主动磁悬浮平面支承系统的工作机理

2．3 主动磁悬浮进给导轨的电磁机构设计

2．3．1 电磁参数的设计

2．3．2 电磁铁的设计

2．4 主动磁悬浮导轨电控部分的结构

2．5 本章小结

第3章 主动磁悬浮支承系统的建模及分析

3．1 磁悬浮支承系统的分段式微变等效数学模型

3．2 磁悬浮支承系统的刚度阻尼特性分析

3．3 主动磁悬浮平面进给导轨系统的力学模型

3．3．1 磁悬浮平面导轨系统建模

3．3．2 磁悬浮平面导轨系统模型简化

3．4 主动磁悬浮导轨系统的振动分析

3．5 本章小结

第4章 主动磁悬浮平面多点支承的磁阻尼计算与分析

4．1 主动磁悬浮平面多点支承

4．1．1 平面多点支承的颤振

4．1．2 平面多点支承过约束的分析

4．1．3 过约束点的判断

4．2 平面多点支承中的法向磁阻尼

4．2．1 平面导轨工作台法向支承磁阻尼

4．2．2 磁阻尼消振分析

4．3 磁阻尼力的计算与分析

4．4 本章小结

第5章 主动磁悬浮导轨的控制策略研究

5．1 特征主导型控制

5．2 特征主导型控制的相位同步与强度转换

5．3 导轨平动段的PID主导控制

5．3．1 PID主导控制的磁悬浮导轨系统

5．3．2 智能PID控制器中参数的确定

5．3．3 PID主导控制的流程

5．3．4 PID主导控制仿真

5．4 导轨过渡段的模型参考自适应主导控制

5．4．1 自适应主导控制的磁悬浮导轨系统

5．4．2 自适应主导控制的流程

5．4．3 模型参考自适应控制器设计

5．5 导轨冲击响应下的滑模变结构主导控制

5．5．1 滑模主导控制的磁悬浮导轨系统

5．5．2 滑模主导控制的流程

5．5．3 滑模变结构控制器的设计

5．6 主动磁悬浮导轨控制性能仿真与分析

5．6．1 磁悬浮导轨动力学性能仿真

5．6．2 动力学对磁悬浮导轨动态特性的分析

5．7 本章小结

第6章 磁悬浮系统综合实验与分析

6．1 磁悬浮导轨控制系统组成

6．2 系统主要硬件组成

6．2．1 DSP芯片的选择与基本技术参数分析

6．2．2 滤波器技术参数分析

6．2．3 信号检测电路设计

6．3 主动磁悬浮系统非线性补偿

6．4 磁悬浮系统稳定性评估的一般方法

6．5 系统性能指标测试平台

6．5．2 测试方法

6．5．3 传感器的标定

6．5．4 磁悬浮平台传感器布局

6．5．5 传感器选型

6．6 系统调试及系统参数验证

6．6．1 磁阻尼作用下的静态参数测试

6．6．2 主导型控制策略的静态参数测试

6．6．3 冲击响应及动态测试数据及分析

6．7 本章小结

7．1 工作总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文及其他科研成果