磁悬浮轴承的变结构控制研究

发布时间：2020-07-26 14:44

【摘要】： 本文研究了刚性磁悬浮铣削主轴以及柔性转子—磁轴承系统的变结构控制方法,设计开发了基于微机与高速数字信号处理器(DSP)主从控制结构的柔性转子—磁轴承系统主动控制硬件平台,并进行了计算机仿真和实验研究。全文工作取得如下创造性成果: 首次将变结构控制策略用于磁悬浮机床主轴的主动控制。考虑切削过程扰动影响,建立了电流控制型磁悬浮主轴系统动力学模型,以磁轴承为控制对象,设计了基于自由递阶切换模式的离散变结构控制器,并进行了仿真研究。结果表明,当趋近律参数选择合适时,采用变结构控制的主轴系统在外扰动作用下具有良好性能,其动态稳定性及对系统自身特性变化的适应能力明显强于PID控制器。此外,变结构控制系统在变切厚情况下的控制效果也明显优于PID控制器。仿真表明,对于再生颤振情况,单纯依靠磁轴承不能有效抑制主轴振动。为此,本文采用辨识颤振频率和主轴转速在线调节的方法,与磁轴承控制相结合抑制主轴振动,取得良好效果。首次提出无传感器磁轴承的变结构控制方案,建立了无传感器磁悬浮主轴系统动力学模型,设计出基于最终滑动模态切换模式的离散变结构控制器。仿真结果表明,采用变结构控制的无传感器磁悬浮主轴系统对于外扰动及系统模型摄动的鲁棒性、以及在变切厚情况下的控制效果均明显强于PID控制器。由于无传感器磁轴承的使用能够降低主轴系统的硬件成本,而且不存在传感器—电磁作动器非并置问题,因此具有广泛的工程应用前景。针对柔性转子—磁轴承系统设计了基于固定切换顺序的变结构控制器,并进行了仿真研究及实验验证。结果表明,变结构控制器对于因模态截断及非并置问题导致的未建模动态以及因系统自身特性变化而导致的参数摄动具有不敏感性,系统在上浮过程、受到外界扰动及复杂运转情况下的性能均优于PID控制器。以上结果表明,本文研究的变结构控制律在转子主动控制领域具有很好的工程应用前景。本文的研究对于发展高速加工技术及丰富柔性转子系统主动控制方法具有重要的理论意义和工程应用价值。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：1999
【分类号】：TH133.3
【图文】：

系统结构图,柔性转子,磁轴承,系统结构图

固定递阶变结构控制5.1 引言前几章研究了刚性磁悬浮主轴的变结构控制，本章将讨论柔性转子—磁轴承系统的变结构控制。对于柔性转子系统，由于建模时需做模态截断，从而使得系统模型精度下降，传感器与电磁作动器之间的非并置问题也会在一定程度上影响模型精度。如采用 PID 控制器或最优控制器，当转子柔性较高时，系统的动态响应就可能出现严重超调。因此，寻求克服上述问题的方法，对于确保转子系统动态稳定将具有重要意义。本章将首先建立柔性转子—磁轴承系统动力学模型，然后设计基于固定切换顺序的变结构控制器，并通过仿真研究来验证设计理论。5.2 柔性转子—磁轴承系统模型因实验条件所限，本章所研究的柔性转子—磁轴承系统如图 5.1 所示，转子两端分别由向心球轴承和磁轴承支承。

极性图,定子线圈,磁轴承,电磁作动器

第六章电磁作动器设计开发引言验证第五章提出的理论，需要设计开发转子—磁轴承系统磁轴承系统的性能主要取决于电磁作动器及控制系统的设实验装置开发工作也将由设计电磁作动器及建立主动控制成。章将首先设计磁轴承结构及参数，通过实验标定磁轴承的电流参数，然后设计开关型功率放大器。磁轴承设计磁轴承结构及参数设计

现场照片,标定实验

天津大学博士学位论文轴承力参数的标定实验在 XK8140 数控铣床上进行，实验原理及现场照片如图 6.4 和图 6.5 所示。转子与主轴通过弹簧卡套安装在铣床的刀轴上，定机座与 Kistler 测力平台一起固定在铣床的工作台上。测力平台上装有四只传感器，能够测量水平方向上的剪切力。实验过程中可通过工作台的水平和刀轴的纵向移动来实现磁轴承气隙的微小变化。电流的幅值用电流表来，功率放大器的控制输入由直流电源来提供。电磁铁所产生的电磁力就通力仪来测量，但此时测到的不是定子产生的电磁力，而是转子作用于定子力。

【引证文献】