基于磨削电主轴的磁悬浮轴承数控系统及试验研究

【摘要】： 本论文对国内外磁轴承控制技术进行了综述，建立了磁轴承控制模型，构造了硬件控制系统，并对磁轴承的控制过程进行了深入分析，实现了五自由度悬浮。理论与实验结合分析了磁轴承系统的动态特性及非线性特性，探讨了滑动模态变结构控制方法。对磁轴承应用于磨削电主轴进行了性能测试。 本文对磁轴承的控制模型进行了理论分析，建立了状态空间模型，提出了为使惯性耦合最小的转子赤道转动惯量与转子质量及前后磁轴承分布应满足的关系。给出了减小陀螺效应耦合的控制流程。 在研究控制模型的同时分析得出了：转子不平衡质量引起的涡动可以通过合理设计刚度使本征频率远离涡动频率而避免共振的发生，在建模时增加静不平衡及动不平衡矩阵也是有利的方法。选择适当大小的平衡位置电流及对磁极电流单独控制可以减小磁耦合。转子偏心可视为内部扰动而利用变结构控制克服。 通过对转子起浮过程的分析，首次提出了电流对称、非对称及分段控制的方法。对转子平衡位置采取分级控制策略提高了系统的刚度及稳定性。 本文研究了磁轴承的控制机理，利用稳定判据及极点配置实现了数字控制五自由度磁轴承全悬浮。分别对磁轴承各自由度单位阶跃响应，脉冲响应及零极点分布作了仿真分析，获得了磁轴承时域及频域特性的具体指标。 理论推导表明传感器存在非线性结构误差，系统参数变化及外部干扰引起的非线性特性在实验中也时有发生，同时本文也利用描述函数法讨论了电磁铁的饱和非线性特性。 本文将磁轴承模型与滑模变结构控制理论相结合，研究了磁轴承滑动模态存在的条件，给出了广义滑模存在的空间范围。论证了磁轴承的滑动模态变结构控制，对磁轴承系统参数及外部干扰产生的摄动具有完全自适应性。在满足滑模存在条件下给出轴向径向变结构等效控制方程及滑模运动微分方程，并作了初步实验探讨。对变结构抖振产生的原因及消弱抖振的方法作了分析。 建立了磁轴承硬件系统及试验台，进行了最大承载力及动态加载实验。