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1.前言 主動磁懸浮技術(shù)是利用電磁鐵產(chǎn)生的受控電磁力對轉(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)用于兩種對象，一種是用于旋轉(zhuǎn)對象，如主動磁懸浮軸承；另一種是用于平動支承對象。由于主動磁懸浮技術(shù)具有無直接接觸、無摩擦、無潤滑、無污染等顯著的優(yōu)點，成為國內(nèi)外研究人員的研究熱點問題，也具有廣泛的應(yīng)用前景。 對于一個主動磁懸浮支承系統(tǒng)而言，其中的核心理論和技術(shù)是主動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、信號控制與調(diào)節(jié)、電源與功率放大以及被浮體。本書針對主動磁懸浮系統(tǒng)中的驅(qū)動與控制問題，重點對功率放大部分存在的問題和不足進(jìn)行分析研究；對主動磁懸浮導(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)計了主動磁懸浮旋轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)和平面支承結(jié)構(gòu)，分析了主動磁懸浮導(dǎo)軌的工作機(jī)理，針對主動磁懸浮系統(tǒng)中的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一定的分析，建立了主動磁懸浮支承系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，著重對主動磁懸浮支承系統(tǒng)中的剛度—阻尼特性進(jìn)行了分析與計算。 (2)
在分析研究了主動磁懸浮支承系統(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)計方案。采用線性器件構(gòu)建主動磁懸浮支承系統(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，通過對磁性材料的測試，找出磁性材料非線性對系統(tǒng)性能的影響并提出一種非線性功放，能夠在特殊設(shè)計的程序控制下實現(xiàn)“根據(jù)磁性材料的非線性特性自動調(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)
針對平面多點支承的主動磁懸浮導(dǎo)軌中存在的主動式過約束，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，用于解決多點支承的主動磁懸浮系統(tǒng)中的顫振問題。建立了主動磁懸浮導(dǎo)軌工作臺平面的法向磁阻尼模型，并對相應(yīng)的磁阻尼力進(jìn)行了相關(guān)的計算，為解決多點支承的主動磁懸浮導(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)軌運行狀態(tài)，把導(dǎo)軌的工作區(qū)間分為平動段、過渡段和沖擊段三種不同的工作狀態(tài)，針對導(dǎo)軌運行時間較長的平動段及特點，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度轉(zhuǎn)換過程，進(jìn)一步提升了主動磁懸浮導(dǎo)軌的性能，對最終克服平面多點支承系統(tǒng)的技術(shù)難點起到至關(guān)重要的作用。 (6) 研究并搭建了主動磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的硬件及實驗平臺。構(gòu)建了基于DSP
TMS320F28335的主動磁懸浮導(dǎo)軌控制系統(tǒng)的模擬實驗平臺，進(jìn)行了相關(guān)的硬件、軟件調(diào)試等實驗研究，尤其針對主動磁懸浮導(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。 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，敬請廣大讀者批評指正。 本書受到了以下項目的資助：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目(TAPP,項目負(fù)責(zé)人：朱錫芳，項目編號：PPZY2015B129)、“十三五”江蘇省重點學(xué)科項目——電氣工程重點建設(shè)學(xué)科、2016年度江蘇省高校重點實驗室建設(shè)項目——特種電機(jī)研究與應(yīng)用重點建設(shè)實驗室。 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主動磁懸浮系統(tǒng)驅(qū)動裝置的研究現(xiàn)狀(8) 1.3磁懸浮支承的關(guān)鍵技術(shù)(9) 1.4主動磁懸浮系統(tǒng)中功放形式(11) 2主動磁懸浮支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理(14) 2.1主動磁懸浮支承系統(tǒng)的兩種典型形式(14) 2.1.1主動磁懸浮旋轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)(14) 2.1.2主動磁懸浮平面支承結(jié)構(gòu)(15) 2.2主動磁懸浮系統(tǒng)的電磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(16) 2.2.1電磁參數(shù)的設(shè)計(16) 2.2.2電磁鐵的設(shè)計(18) 2.3主動磁懸浮支承系統(tǒng)電控部分的結(jié)構(gòu)(19) 3主動磁懸浮支承系統(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主動磁懸浮驅(qū)動裝置的性能分析(38) 4.1主動磁懸浮系統(tǒng)的承載能力(38) 4.1.1驅(qū)動輸出電流與剛度的關(guān)系(38) 4.1.2驅(qū)動電流與動剛度的關(guān)系(40) 4.2開關(guān)功放的驅(qū)動方式(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(50) 4.7恒流斬波開關(guān)功放(50) 4.8主動磁懸浮支承系統(tǒng)中功放的性能比較(51) 5主動磁懸浮驅(qū)動電路設(shè)計(53) 5.1開關(guān)功放的輸出電路(53) 5.2開關(guān)管驅(qū)動電路(54) 5.2.1驅(qū)動方式(54) 5.2.2IR2110驅(qū)動器(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(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)動的擴(kuò)展(60) 5.4.4抗干擾電路的設(shè)計(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(63) 5.5電源、功放與控制關(guān)系(65) 6主動磁懸浮導(dǎo)軌的顫振分析(67) 6.1主動磁懸浮平面多點支承(67) 6.1.1平面多點支承的顫振(67) 6.1.2平面多點支承的過約束分析(69) 6.1.3過約束點的判斷(71) 6.2平面多點支承的法向磁阻尼(73) 6.2.1平面導(dǎo)軌工作臺法向支承磁阻尼(73) 6.2.2磁阻尼消振分析(76) 6.3磁阻尼力的計算與分析(79) 7非線性功放的補償算法(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功放的非線性補償?shù)膶崿F(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查表法補償(100) 7.5PWM控制的軟件(101) 8主動磁懸浮驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用(103) 8.1基本參數(shù)(103) 8.2驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用(104) 8.3分段線性化的效果(106) 9主動磁懸浮系統(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度轉(zhuǎn)換(110) 9.3導(dǎo)軌平動段的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信號檢測電路設(shè)計(124) 10.3磁懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定性評估的一般方法(125) 10.4系統(tǒng)性能指標(biāo)測試平臺(127) 10.4.1系統(tǒng)實驗平臺(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)及動態(tài)測試數(shù)據(jù)及分析(132) 參考文獻(xiàn)(135) |
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