主动磁轴承支承的电主轴数字控制系统研究

摘要

主动磁轴承支承的电主轴是一种高科技机电一体化产品，利用电磁力使转子悬浮的非接触式轴承，具有传统轴承所没有的转速高、功耗低、无磨损、寿命长、便于控制等一系列突出优点，使得磁悬浮电主轴在航空航天、真空技术、涡轮机械及机床等领域具有广泛的应用前景。本课题在国家自然科学基金(60974053)和江苏省自然科学基金(BK2012707)等支持下研究了一种新型交流主动磁轴承支承的电主轴系统，建立了该系统的状态方程，并利用动态递归模糊神经网络逆这一理论方法对电主轴系统进行解耦，构建了五自由度主动磁轴承支承的电主轴数字控制系统实验平台，并进行了相关实验研究。主要研究工作如下:
　　 首先，给出了五自由度主动磁轴承支承的电主轴的总体结构，在分析二自由度交流主动磁轴承和单自由度轴向磁轴承的结构与工作原理的基础之上，采用磁路等效原理，分别推导了径向和轴向悬浮力的数学模型，最后建立了五自由度主动磁轴承支承的电主轴的状态方程。
　　 其次，介绍了动态递归模糊神经网络逆的基本理论，利用该理论对五自由度主动磁轴承支承的电主轴进行解耦研究，采用动态递归模糊神经网络加积分器来构造被控对象的模糊神经网络逆，模糊神经网络逆与原系统串联组成伪线性系统，利用线性系统理论对伪线性系统进行了综合和仿真，仿真试验表明这种控制策略能够实现系统五自由度之间的动态解耦，且系统具有良好的动静态性能。
　　 再次，介绍了以DSPTMS320F2812为核心的电主轴数字控制系统，重点阐述了数字控制系统中硬件与软件的设计，其中硬件部分主要有DSP最小系统开发板、位移接口电路、径向功率驱动板以及轴向开关功放的电路设计;软件部分主要有DSP2812内部的各个功能模块和VB调试界面的设计。
　　 最后，构建了五自由度交流主动磁轴承支承的电主轴数字控制系统实验平台，进行了典型实验研究。针对径向两自由度磁轴承、轴向单自由度磁轴承给出了转子起浮、扰动、解耦控制等实验波形，并分析了实验结果;同时给出五自由度主动磁轴承电主轴动态递归模糊神经网络逆解耦控制方案。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁轴承系统概述

1．1．1 磁轴承控制系统的工作原理

1．1．2 磁轴承的分类及特点

1．2 磁轴承国内外研究发展概况及发展方向

1．2．1 国外研究发展概况

1．2．2 国内研究发展概况

1．2．3 磁轴承发展方向

1．3 磁轴承数控技术

1．4 课题的背景及研究意义

1．4．1 课题的背景

1．4．2 课题的研究意义

1．5 论文内容的安排

第二章 五自由度主动磁轴承电主轴结构及数学模型

2．1 五自由度主动磁轴承电主轴结构

2．2 二自由度径向交流主动磁轴承结构及数学模型

2．2．1 二自由度径向交流主动磁轴承结构及工作原理

2．2．2 二自由度径向交流主动磁轴承数学模型

2．3 单自由度轴向磁轴承结构与数学模型

2．3．1 单自由度轴向磁轴承结构与工作原理

2．3．2 单自由度轴向磁轴承数学模型

2．4 五自由度主动磁轴承支承电主轴状态方程

2．5 五自由度主动磁轴承支承电主轴结构尺寸及参数

2．6 本章小结

第三章 五自由度主动磁轴承电主轴动态解耦控制

3．1 模糊神经网络逆基础理论

3．1．1 神经网络

3．1．2 逆系统

3．1．3 模糊神经网络

3．2 模糊神经网络逆解耦控制

3．2．1 DRFNN结构

3．2．2 可逆性分析

3．3．1 DRFNN逆的实现

3．3 闭环控制系统

3．3．1系统闭环控制器

3．3．2 电主轴控制系统框图

3．4 仿真与性能分析

3．4．1 转子起浮试验

3．4．2 转子干扰试验

3．4．2 解耦试验

3．5 本章小结

第四章 五自由度主动磁轴承电主轴数字控制系统

4．1 五自由度主动磁轴承电主轴系统控制框图

4．2 数字控制系统硬件设计

4．2．1 TMS320F2812 DSP最小系统板

4．1．2 功率驱动模块

4．1．3 位移检测模块

4．2 数字控制系统软件设计

4．2．1 DSP-F2812的软件设计

4．2．1 功能模块介绍

4．3 本章小结

第五章 五自由度主动磁轴承电主轴控制系统调试与实验

5．1 五自由度主动磁轴承电主轴数字控制系统构建

5．2 五自由度主动磁轴承电主轴数字控制系统调试

5．2．1 DSP-F2812最小系统板调试

5．2．2 三相功率驱动板调试

5．2．3 位移传感器及接口电路调试

5．3 五自由度主动磁轴承电主轴实验

5．3．1 起浮实验

5．3．2 静态悬浮实验

5．3．3 扰动实验

5．3．4 解耦实验

5．4 五自由度主动磁轴承电主轴DRFNN逆解耦控制方案

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的主要工作

6．2 需作进一步研究的工作

参考文献

读硕士学位期间发表论文

致谢