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1.前言 主動(dòng)磁懸浮技術(shù)是利用電磁鐵產(chǎn)生的受控電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子或者導(dǎo)軌等物體無接觸地懸浮支承的一種新型技術(shù)，其支承系統(tǒng)主要分別應(yīng)用于兩種對(duì)象，一種是用于旋轉(zhuǎn)對(duì)象，如主動(dòng)磁懸浮軸承；另一種是用于平動(dòng)支承對(duì)象。由于主動(dòng)磁懸浮技術(shù)具有無直接接觸、無摩擦、無潤滑、無污染等顯著的優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外研究人員的研究熱點(diǎn)問題，也具有廣泛的應(yīng)用前景。 對(duì)于一個(gè)主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)而言，其中的核心理論和技術(shù)是主動(dòng)磁懸浮理論及其支承技術(shù)，系統(tǒng)主要由四部分組成：位置傳感與檢測、信號(hào)控制與調(diào)節(jié)、電源與功率放大以及被浮體。本書針對(duì)主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)與控制問題，重點(diǎn)對(duì)功率放大部分存在的問題和不足進(jìn)行分析研究；對(duì)主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中存在的顫振問題進(jìn)行分析并提出一種新型的控制策略。主要研究內(nèi)容如下： (1)
設(shè)計(jì)了主動(dòng)磁懸浮旋轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)和平面支承結(jié)構(gòu)，分析了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的工作機(jī)理，針對(duì)主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)中的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一定的分析，建立了主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，著重對(duì)主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)中的剛度—阻尼特性進(jìn)行了分析與計(jì)算。 (2)
在分析研究了主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)的基本工作原理的基礎(chǔ)上，又分析和討論了磁懸浮支承系統(tǒng)對(duì)功率放大器的要求，提出了適合不同類型磁懸浮支承系統(tǒng)的功率放大器設(shè)計(jì)方案。采用線性器件構(gòu)建主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)用的模擬功率放大器，采用開關(guān)器件構(gòu)建磁懸浮支承系統(tǒng)用的開關(guān)功率放大器；并對(duì)可能由于磁懸浮支承部件材料的BH磁化曲線引起的電磁力非線性影響進(jìn)行了分析討論，設(shè)計(jì)了一種以克服這種非線性影響為目的的智能化功率放大器。 (3)
根據(jù)磁性材料的非線性特征，通過對(duì)磁性材料的測試，找出磁性材料非線性對(duì)系統(tǒng)性能的影響并提出一種非線性功放，能夠在特殊設(shè)計(jì)的程序控制下實(shí)現(xiàn)“根據(jù)磁性材料的非線性特性自動(dòng)調(diào)整功放的增益”的作用，從而消除系統(tǒng)中這方面的非線性的影響，盡可能滿足主動(dòng)磁懸浮支承技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用的要求。 (4)
針對(duì)平面多點(diǎn)支承的主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌中存在的主動(dòng)式過約束，分析了過約束產(chǎn)生顫振的機(jī)理，提出了一種磁阻尼控制的新方法，用于解決多點(diǎn)支承的主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)中的顫振問題。建立了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌工作臺(tái)平面的法向磁阻尼模型，并對(duì)相應(yīng)的磁阻尼力進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算，為解決多點(diǎn)支承的主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌中的顫振提供了必要的理論依據(jù)。 (5)
解決了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中的顫振問題之后，提出了一種特征主導(dǎo)型控制策略，根據(jù)導(dǎo)軌運(yùn)行狀態(tài)，把導(dǎo)軌的工作區(qū)間分為平動(dòng)段、過渡段和沖擊段三種不同的工作狀態(tài)，針對(duì)導(dǎo)軌運(yùn)行時(shí)間較長的平動(dòng)段及特點(diǎn)，采取PID主導(dǎo)控制策略，分析了特征主導(dǎo)型控制的相位同步與強(qiáng)度轉(zhuǎn)換過程，進(jìn)一步提升了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的性能，對(duì)最終克服平面多點(diǎn)支承系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)起到至關(guān)重要的作用。 (6) 研究并搭建了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的硬件及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。構(gòu)建了基于DSP
TMS320F28335的主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌控制系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了相關(guān)的硬件、軟件調(diào)試等實(shí)驗(yàn)研究，尤其針對(duì)主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中的主要控制芯片、位移傳感器等進(jìn)行了相關(guān)的研究，并進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)分析及關(guān)鍵部分的硬件電路設(shè)計(jì)。 本書在撰寫的過程中，參閱了國內(nèi)外大量的相關(guān)著作和文獻(xiàn)，尤其是張建生教授提供了很多技術(shù)方面的指導(dǎo)，也提供了很多參考資料。在此，向本書所引用文獻(xiàn)的作者及張建生教授表達(dá)衷心的感謝。由于作者水平有限，書中難免有不足之處，敬請廣大讀者批評(píng)指正。 本書受到了以下項(xiàng)目的資助：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(TAPP,項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：朱錫芳，項(xiàng)目編號(hào)：PPZY2015B129)、“十三五”江蘇省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目——電氣工程重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科、2016年度江蘇省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目——特種電機(jī)研究與應(yīng)用重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室。 編者2017年6月 2.目錄 1緒論(1) 1.1研究背景(1) 1.2磁懸浮支承技術(shù)的研究現(xiàn)狀(3) 1.2.1磁懸浮支承技術(shù)的國外狀況(3) 1.2.2磁懸浮支承技術(shù)的國內(nèi)狀況(5) 1.2.3高檔數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用現(xiàn)狀(7) 1.2.4主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的研究現(xiàn)狀(8) 1.3磁懸浮支承的關(guān)鍵技術(shù)(9) 1.4主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)中功放形式(11) 2主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理(14) 2.1主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)的兩種典型形式(14) 2.1.1主動(dòng)磁懸浮旋轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)(14) 2.1.2主動(dòng)磁懸浮平面支承結(jié)構(gòu)(15) 2.2主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)的電磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(16) 2.2.1電磁參數(shù)的設(shè)計(jì)(16) 2.2.2電磁鐵的設(shè)計(jì)(18) 2.3主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)電控部分的結(jié)構(gòu)(19) 3主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)的建模及分析(21) 3.1磁懸浮支承系統(tǒng)的單自由度數(shù)學(xué)建模(21) 3.2磁懸浮支承系統(tǒng)的剛度阻尼特性分析(25) 3.3主動(dòng)磁懸浮平面進(jìn)給導(dǎo)軌系統(tǒng)的力學(xué)模型(27) 3.3.1磁懸浮平面導(dǎo)軌系統(tǒng)建模(27) 3.3.2磁懸浮平面導(dǎo)軌系統(tǒng)模型簡化(28) 3.4多自由度磁懸浮支承系統(tǒng)的建模(33) 4主動(dòng)磁懸浮驅(qū)動(dòng)裝置的性能分析(38) 4.1主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)的承載能力(38) 4.1.1驅(qū)動(dòng)輸出電流與剛度的關(guān)系(38) 4.1.2驅(qū)動(dòng)電流與動(dòng)剛度的關(guān)系(40) 4.2開關(guān)功放的驅(qū)動(dòng)方式(41) 4.3改進(jìn)型線性功放(43) 4.4磁性材料的影響(46) 4.5擴(kuò)大功放功率范圍的方法(46) 4.5.1典型的線性功放原理(47) 4.5.2智能化電源(47) 4.5.3多管并聯(lián)與均流技術(shù)(48) 4.6PWM開關(guān)功放設(shè)計(jì)(50) 4.7恒流斬波開關(guān)功放(50) 4.8主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)中功放的性能比較(51) 5主動(dòng)磁懸浮驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(53) 5.1開關(guān)功放的輸出電路(53) 5.2開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路(54) 5.2.1驅(qū)動(dòng)方式(54) 5.2.2IR2110驅(qū)動(dòng)器(55) 5.3非線性功放開關(guān)管的控制模式(56) 5.3.1PWM控制模式(57) 5.3.2恒流斬波控制模式(58) 5.4外圍電路的設(shè)計(jì)(59) 5.4.1柵極負(fù)偏置IR2110(59) 5.4.2自舉元器件的分析(59) 5.4.3IR2110驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)展(60) 5.4.4抗干擾電路的設(shè)計(jì)(61) 5.4.5開關(guān)管保護(hù)電路(62) 5.4.6反饋校正回路設(shè)計(jì)(63) 5.5電源、功放與控制關(guān)系(65) 6主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的顫振分析(67) 6.1主動(dòng)磁懸浮平面多點(diǎn)支承(67) 6.1.1平面多點(diǎn)支承的顫振(67) 6.1.2平面多點(diǎn)支承的過約束分析(69) 6.1.3過約束點(diǎn)的判斷(71) 6.2平面多點(diǎn)支承的法向磁阻尼(73) 6.2.1平面導(dǎo)軌工作臺(tái)法向支承磁阻尼(73) 6.2.2磁阻尼消振分析(76) 6.3磁阻尼力的計(jì)算與分析(79) 7非線性功放的補(bǔ)償算法(83) 7.1非線性功放的基本原理(83) 7.1.1非線性功放(83) 7.1.2非線性補(bǔ)償(84) 7.1.3非線性功放的結(jié)構(gòu)(85) 7.1.4非線性功放的應(yīng)用(86) 7.2磁性材料的非線性(88) 7.2.1磁滯現(xiàn)象(88) 7.2.2磁滯回線族(89) 7.2.3電磁鐵的非線性(89) 7.3非線性功放軟件整體結(jié)構(gòu)(90) 7.4功放的非線性補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)(91) 7.4.1預(yù)測算法(91) 7.4.2分段線性化(95) 7.4.3預(yù)置參數(shù)法處理(96) 7.4.4非線性功放的信息處理(98) 7.4.5查表法補(bǔ)償(100) 7.5PWM控制的軟件(101) 8主動(dòng)磁懸浮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用(103) 8.1基本參數(shù)(103) 8.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用(104) 8.3分段線性化的效果(106) 9主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)的特征主導(dǎo)型控制(108) 9.1特征主導(dǎo)型控制(108) 9.2特征主導(dǎo)型控制的相位同步與強(qiáng)度轉(zhuǎn)換(110) 9.3導(dǎo)軌平動(dòng)段的PID主導(dǎo)控制(113) 9.3.1PID主導(dǎo)控制的磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)(113) 9.3.2智能PID控制器中參數(shù)的確定(114) 9.3.3PID主導(dǎo)控制的流程(115) 10主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)的性能分析(118) 10.1磁懸浮導(dǎo)軌控制系統(tǒng)組成(118) 10.2系統(tǒng)主要硬件組成(119) 10.2.2濾波器技術(shù)參數(shù)分析(122) 10.2.3信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)(124) 10.3磁懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)估的一般方法(125) 10.4系統(tǒng)性能指標(biāo)測試平臺(tái)(127) 10.4.1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(127) 10.4.2測試方法(127) 10.4.3傳感器的標(biāo)定(128) 10.4.4磁懸浮平臺(tái)傳感器布局(129) 10.4.5傳感器選型(129) 10.5系統(tǒng)調(diào)試及系統(tǒng)參數(shù)驗(yàn)證(130) 10.5.1磁阻尼作用下的靜態(tài)參數(shù)測試(130) 10.5.2沖擊響應(yīng)及動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)及分析(132) 參考文獻(xiàn)(135) |
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