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超精密气磁轴承轴系动力学及控制方法的研究

刘庆国  
【摘要】:气体轴承和磁轴承是当今世界上回转精度最高的轴承,它们在精密系统中得到了广泛的运用。在军事、航天工业以及民用工业方面所起的作用越来越大。但这两种轴承也有各自的优点和缺点,气体轴承具有极小摩擦、无渗漏等优点,缺点是加工难度大,不易控制。磁轴承具有无摩擦、可控性好等优点,缺点是承载能力较低。气体轴承和磁轴承一般都单独使用,因此在发挥他们各自优势的同时也很难消除它们的缺点。 目前,无论是气体轴承还是磁轴承,它们在高速回转、超精密回转轴系方面所取得的成就是有目共睹的。但是尖端科技提出的超精密加工所要达到的精度等级越来越高,目前工程界和学术界普遍采用的改进方法是提高气体轴承和磁轴承本身的制造精度和性能采用新型的材料,研究更加先进的控制算法。这些方法虽然都有可行性,但不一定理想,改进的程度也有限。人们在实践中认识到,气体轴承和磁轴承各自所表现出来的优点恰恰可以弥补对方的不足,因此产生了气磁轴承混合使用的想法。 本文就考虑气磁轴承的混合使用。利用气体静压轴承作为主要支承,利用磁轴承作控制和误差补偿,使两者优势互补。在发挥气体轴承较高承载能力、磁轴承良好的可控性的同时也避免了这两种轴承在单独使用时的缺点。这种组合方式还可以简化控制系统,转子较容易地工作在磁轴承的线性范围内。将两类轴承结合起来,通过让磁轴承修正气体轴承的误差和外界干扰的影响而达到超高精度。 本文首先介绍了气体轴承和磁轴承的发展历史、发展情况、特点和应用前景。在分析了气体轴承和磁轴承工作原理的基础上,结合气体轴承和磁轴承各自的特点,建立了单自由度和四自由度的气磁轴承的动力学模型和控制模型。根据气磁轴承对控制器的要求,完成了基于TMS320F2812处理器的数字控制器的硬件设计和实现。在对经典控制方法分析的基础上,优化控制算法,提出了气磁轴承的数字PID控制方法。在完成硬件设计的基础上又完成了软件的设计和整个系统的调试、仿真。


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