力反馈磁悬浮控制系统的传感器性能研究

摘要

在力反馈转子磁悬浮控制系统中，传感器检测转子的力信号是对轴承进行主动控制的依据，力传感器是力反馈转子磁悬浮控制系统中的反馈环节，是联系输入与输出的纽带，因而是整个系统研究的重点和难点之一。力反馈转子磁悬浮控制系统的控制精度受其所用力传感器的限制。只有设计出频响范围宽、误差小、稳定性高的力传感器，才能保证力反馈转子磁悬浮控制系统具有高速、高精度、高稳定性的性能，因此力传感器是力反馈转子磁悬浮控制系统正常工作并发挥其特点的前提条件之一。
　　 目前所研究力传感器主要有测力轴承、应用于机器人中的应变式力传感器和压电式力传感器，但是它们均不适用于力反馈转子磁悬浮控制系统，因此必须设计出一种适用于力反馈转子磁悬浮控制系统的二维力传感器。该二维力传感器应用于力反馈转子磁悬浮控制系统中，要兼具支承和测量的作用。它不仅能够解决基于位移控制磁悬浮系统中的不足，而且能简化磁悬浮控制系统的结构，对以后磁悬浮控制系统的发展有重要的意义。
　　 在总结国内外力传感器研究现状的基础上，对力反馈转子磁悬浮控制系统的传感器进行了设计和性能研究。首先，分析了力反馈转子磁悬浮控制系统对二维力传感器性能的要求，确定了研究对象：其次，分析和优化力敏元件的结构与空间布置，完成了高灵敏度、高刚度、高线性度和强解耦的二维力传感器的设计和研制。再次，阐述了动态条件下传感器的力电变换关系，分析了多向力间的耦合关系及交叉灵敏度的影响，提出了高频多向的测量原理和方法；最后，建立了机电耦合系统的动力学模型，研究了机电耦合系统的动态性能，形成了完整的转子支承多向动态测量方法。本文完成的主要工作如下：
　　 (1)从力反馈转子磁悬浮控制系统的性能要求出发，阐述了选择压电式力传感器作为二维力传感器敏感元件的意义，确定了敏感元件的圆周对称布局及差动连线方式，并综合考虑转子试验台的特点，给出了二维力传感器的各个部件的设计要点，设计了传感器的传力构件、预紧构件和壳体等部件及二维力传感器的整体结构，并解决了传感器承载能力和力测量之间的矛盾，为实现力反馈磁悬浮控制提供重要保证。同时根据主要受力部件的特点，利用ANSYS建模对传感器进行了必要的强度校核，确定了二维力传感器的结构参数。
　　 (2)分析了二维力传感器的原理，利用ANSYS和影响系数法，推导出二维力传感器的灵敏度计算公式。研究了结构参数对传感器灵敏度的影响，通过对仿真结果的分析，得到结构参数变化对传感器灵敏度的影响规律，并解决了交叉灵敏度对传感器测量精度的影响问题，发展了高频多向的测量原理和方法。
　　 (3)由于要兼顾传感器承载能力和力测量两方面的性能，不失真测量条件较难满足。为此，建立了机械结构的动力学模型以及机械结构和测量电路耦合系统的动力学模型，研究了传感器机械结构的幅频特性和机电耦合系统的幅频特性，对系统动态测量误差进行了深入的分析，分析结果表明机电耦合导致测量精度的降低。根据工作频段的误差分析结果，采用幅频特性修正的方法，给出了修正函数，对机电耦合系统进行了修正，结果表明，修正之后，幅频特性误差小于1％，耦合系统具有较好的动态性能，满足了不失真测量条件。
　　 (4)建立了二维力传感器机械结构和测量电路耦合系统的瞬态动力学模型。对机械结构和耦合系统的阶跃激励响应和脉冲激励响应分别进行了仿真计算，得到机械结构和耦合系统的瞬态响应曲线。分析了机械结构和测量电路的耦合对系统动态性能的影响，结果表明所设计的传感器测量系统的动态性能满足力反馈转子磁悬浮控制系统的要求。
　　 (5)对二维力传感器机械结构的脉冲激励响应进行了实验研究：利用差动方法对实验数据进行处理，得到了二维力传感器机械结构的脉冲激励响应和交叉脉冲激励响应，与理论值作对比，结果表明采用的特殊结构设计可以有效的降低交叉误差；由于机电系统存在耦合，二维力传感器动态性能变差，误差增大，为此进行了电路参数的调整，对动态特性进行了修正，修正后二维力传感器机械结构的相对平方积分绝对误差、峰值误差和交叉误差均大幅度降低，修正起到了降低测量电路和机械结构耦合带来的误差。
　　 本研究的特色在于：在结构上，设计出一种适用于力反馈转子磁悬浮控制系统的新型力传感器，解决了传感器承载能力和力测量之间的矛盾，为实现力反馈磁悬浮控制提供了依据，保证了二维力传感器的一阶固有频率f1n远高于二倍工作频率f02，解决了交叉灵敏度对传感器精度的影响问题；建立了二维力传感器机电耦合系统模型并研究了机电耦合系统的动力学特性，形成了完整的转子支承多向动态测量方法：为了获得高精度的测量，把机电两部分作为一个整体，并对机电耦合系统做了整体修正。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题概述

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 选题目的及意义

1．2 多维力传感器研究状况

1．3 课题研究的主要内容

1．4 本章小结

第二章 二维力传感器的结构设计

2．1 引言

2．2 初步确定二维力传感器的结构

2．2．1 敏感元件的选择

2．2．2 敏感元件的布局及连接方式的确定

2．2．3 传感器结构参数的初步设定

2．2．4 二维力传感器材料的选择

2．2．5 二维力传感器的强度校核

2．3 本章小结

第三章 二维力传感器机械结构的静态特性分析

3．1 引言

3．2 二维力传感器灵敏度的计算

3．3 各结构参数对二维力传感器灵敏度的影响

3．4 本章小结

第四章 二维力传感器机电耦合系统的动力学分析

4．1 引言

4．2 模态分析、谐响应分析与瞬态分析的理论

4．3 二维力传感器机械结构的模态分析

4．4 正弦激励作用下二维力传感器机电耦合系统的稳态响应分析

4．4．1 二维力传感器机械结构的稳态动力学建模

4．4．2 测量电路稳态动力学建模

4．4．3 二维力传感器机械结构与测量电路耦合系统的稳态动力学建模

4．4．4 二维力传感器机械结构与测量电路耦合系统的仿真与分析

4．5 各种激励作用下二维力传感器机电耦合系统瞬态动力学分析

4．5．1 二维力传感器机械结构的瞬态动力学建模

4．5．2 测量电路的瞬态动力学建模

4．5．3 二维力传感器机械结构与测量电路耦合系统的瞬态动力学建模

4．5．4 阶跃激励作用下二维力传感器机电耦合系统的仿真与分析

4．5．5 脉冲激励作用下二维力传感器机电耦合系统的仿真与分析

4．6 本章小结

第五章 二维力传感器动态性能的实验研究

5．1 瞬态特性测试

5．2 实验结果及分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

附录:攻读硕士学位期间的成果与奖励