过约束磁悬浮导轨的稳定性分析与控制

发布时间：2019-03-31 13:02

【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一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DSP TMS320F28335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。
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【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG659

【参考文献】