磁悬浮轴承混合控制系统研究

摘要

随着机械向高速化、高精度化发展,对主轴的要求也越来越高,磁悬浮轴承(AMB)支承的主轴单元已经成为高速加工机床的理想主轴单元.目前,磁悬浮轴承采用的大都是相对位移控制法,即用传感器检测转子与定子之间的相对位移,并进行反馈控制,这种方法能够保证转子具有非常高的精度.但是,一旦将采用相对位移控制的磁悬浮主轴安装到机床等复杂弹性结构上之后,由于弹性结构受到轴承电磁力、主轴电机电磁力、还有机床的其他激励因素的影响,将诱发振动,从而定子跟随振动,造成相对运动系统的参考基准出现偏差,此时,转子相对于定子仍然具有高的精度,但是它的绝对坐标已经发生了改变,也即转子的精度和动刚度下降. 为了确保安装到复杂弹性结构上的磁悬浮主轴单元的精度和动刚度,在设计控制系统的过程中应充分考虑基础运动对转子动态特性的影响,提出了相对和绝对运动混合控制策略.基于混合控制的磁悬浮轴承研究成果能广泛应用于超高速精密机床,可以提高磁悬浮主轴的精度,产生巨大的经济效益.另外,可为开发拥有完全自主知识产权的AMB主轴控制系统奠定理论基础,为振兴国家装备制造业的产业政策目标做贡献. 本论文针对磁悬浮轴承混合控制系统的研究,做了以下几个方面的工作: 首先对磁悬浮轴承转子系统进行了解耦分析,在一定条件下磁悬浮轴承转子系统是符合解耦条件的,建立了单自由度磁悬浮轴承转子的数学模型,设计了PID控制器,并进行了仿真分析.分析表明控制器参数K<,p>、K<,i>、K<,d>对转子动态特性有很大影响. 因此,选取合适的参数非常重要,在满足稳定性的前提下,优选了一组控制参数对系统的动刚度和精度进行了分析.结果表明,转子的精度能够达到目前磁悬浮轴承支承转子的精度等级,在所设计转速范围内,转子的动态性能优良,控制器的设计合理. 为了研究基础运动对磁悬浮轴承动态特性的影响,从单自由度入手,建立了刚性基础一磁悬浮轴承一转子的数学模型,选取相同的PID控制器及控制器参数,在不同激励频率和振幅条件下对转子进行了稳定性分析.结果表明,在激励频率和振幅超过一定范围时,转子会失稳.将计入基础运动与不考虑基础运动时转子的运动特性进行对比,结果表明,在磁悬浮系统设计过程中绝不能忽略基础运动对系统的影响.基础运动不但会引起主轴轴心的绝对位置发生改变,而且基础的振动将导致主轴的刚度和精度下降,造成机床加工精度的降低.另外基础振动可能造成转子失稳或者强烈振动,将导致磁悬浮轴承失去支承转子的能力,因此在建模和控制系统设计过程中必须充分考虑基础振动的影响. 根据磁悬浮轴承的工作原理,给出了详细的实验系统设计过程和步骤. 最后,对多自由度转子系统进行了建模分析,计算了系统的固有频率和模态振型,对基础一磁悬浮轴承一转子系统进行了混合控制系统的设计,在控制律的选取上采用模态控制,确定了各阶模态的控制位移增益g<,i>与速度增益h<,i>,给出了实际控制力的表达式.结果表明,控制力不仅同转子的位移和速度有关,而且同定子的位移和速度有关.确定了以各种激励为输入,转子位移为输出的传递函数,并进行了响应分析.结果表明,与仅采取相对运动控制法时转子的动态性能对比,混合控制系统的响应速度快、超调量小、精度高.它不仅能够有效抑制基础运动对转子动态性能的影响,提高基础运动时转子的精度,而且也能够抑制各种干扰对系统动态性能的影响.因此,混合控制具有优良的动态性能.此外,混合控制可以通过极点配置来实现.因此,针对系统的特殊性能要求,可以获得相应的位移增益与速度增益,增加了控制系统的可调性. 本论文的创新性在于提出相对和绝对运动混合控制策略,并将模态控制作为混合控制的控制律,并且给出了模态控制的实施方法.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

1.1磁悬浮轴承的发展及应用概述

1.2磁悬浮轴承转子动力学研究进展

1.3课题研究的背景及意义

1.4论文研究的主要内容

1.5论文主要创新点

第二章单自由度磁悬浮轴承控制系统设计及分析

2.1引言

2.2解耦分析

2.3磁悬浮轴承的组成

2.4单自由度磁悬浮轴承控制系统的设计

2.4.1单自由度磁悬浮轴承数学模型

2.4.2控制方式的选择

2.4.3稳定性研究

2.5数值仿真与分析

2.5.1系统结构参数

2.5.2 PID控制器参数优选

2.6转子精度和动刚度研究

2.7 小结

第三章基础运动对磁悬浮轴承转子系统的影响

3.1引言

3.2基础运动时磁悬浮转子系统模型分析

3.3基础振动的影响分析

3.3.1阶跃响应分析

3.3.2正弦响应分析

3.4 小结

第四章磁悬浮实验系统的设计

4.1引言

4.2力学模型的相似化

4.3实验系统的设计

4.3.1转子的设计

4.3.2磁极数的确定

4.3.3工作气隙的选择

4.3.4承载能力计算

4.3.5线圈参数设计

4.3.6线圈结构安排设计

4.4传感器的选型与轴向位置分布

4.5实验装置

4.6小结

第五章多自由度磁悬浮转子系统的建模与分析

5.1引言

5.2实际模型简化分析

5.3模态控制法

5.3.1多自由度系统的模态分析

5.3.2模态控制

5.4多自由度转子系统分析

5.4.1基础-磁悬浮轴承-转子系统力学模型

5.4.2模态分析与计算

5.4.3转子的位移响应分析

5.5 小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录

一、攻读硕士期间发表论文情况

二、攻读硕士期间参与的科研项目