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1.前言 主動磁懸浮技術是利用電磁鐵產生的受控電磁力對轉子或者導軌等物體無接觸地懸浮支承的一種新型技術，其支承系統(tǒng)主要分別應用于兩種對象，一種是用于旋轉對象，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，成為國內外研究人員的研究熱點問題，也具有廣泛的應用前景。 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是主動磁懸浮理論及其支承技術，系統(tǒng)主要由四部分組成：位置傳感與檢測、信號控制與調節(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)中的驅動與控制問題，重點對功率放大部分存在的問題和不足進行分析研究；對主動磁懸浮導軌系統(tǒng)中存在的顫振問題進行分析并提出一種新型的控制策略。主要研究內容如下： (1)
設計了主動磁懸浮旋轉支承結構和平面支承結構，分析了主動磁懸浮導軌的工作機理，針對主動磁懸浮系統(tǒng)中的電磁機構進行了一定的分析，建立了主動磁懸浮支承系統(tǒng)的數學模型，著重對主動磁懸浮支承系統(tǒng)中的剛度—阻尼特性進行了分析與計算。 (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)的功率放大器設計方案。采用線性器件構建主動磁懸浮支承系統(tǒng)用的模擬功率放大器，采用開關器件構建磁懸浮支承系統(tǒng)用的開關功率放大器；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行了分析討論，設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，能夠在特殊設計的程序控制下實現(xiàn)“根據磁性材料的非線性特性自動調整功放的增益”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在數控機床中應用的要求。 (4)
針對平面多點支承的主動磁懸浮導軌中存在的主動式過約束，分析了過約束產生顫振的機理，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軌工作臺平面的法向磁阻尼模型，并對相應的磁阻尼力進行了相關的計算，為解決多點支承的主動磁懸浮導軌中的顫振提供了必要的理論依據。 (5)
解決了主動磁懸浮導軌系統(tǒng)中的顫振問題之后，提出了一種特征主導型控制策略，根據導軌運行狀態(tài)，把導軌的工作區(qū)間分為平動段、過渡段和沖擊段三種不同的工作狀態(tài)，針對導軌運行時間較長的平動段及特點，采取PID主導控制策略，分析了特征主導型控制的相位同步與強度轉換過程，進一步提升了主動磁懸浮導軌的性能，對最終克服平面多點支承系統(tǒng)的技術難點起到至關重要的作用。 (6) 研究并搭建了主動磁懸浮導軌系統(tǒng)的硬件及實驗平臺。構建了基于DSP
TMS320F28335的主動磁懸浮導軌控制系統(tǒng)的模擬實驗平臺，進行了相關的硬件、軟件調試等實驗研究，尤其針對主動磁懸浮導軌系統(tǒng)中的主要控制芯片、位移傳感器等進行了相關的研究，并進行了相應的參數分析及關鍵部分的硬件電路設計。 本書在撰寫的過程中，參閱了國內外大量的相關著作和文獻，尤其是張建生教授提供了很多技術方面的指導，也提供了很多參考資料。在此，向本書所引用文獻的作者及張建生教授表達衷心的感謝。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)建設工程資助項目(TAPP,項目負責人：朱錫芳，項目編號：PPZY2015B129)、“十三五”江蘇省重點學科項目——電氣工程重點建設學科、2016年度江蘇省高校重點實驗室建設項目——特種電機研究與應用重點建設實驗室。 編者2017年6月 2.目錄 1緒論(1) 1.1研究背景(1) 1.2磁懸浮支承技術的研究現(xiàn)狀(3) 1.2.1磁懸浮支承技術的國外狀況(3) 1.2.2磁懸浮支承技術的國內狀況(5) 1.2.3高檔數控機床的應用現(xiàn)狀(7) 1.2.4主動磁懸浮系統(tǒng)驅動裝置的研究現(xiàn)狀(8) 1.3磁懸浮支承的關鍵技術(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)的結構及工作機理(14) 2.1主動磁懸浮支承系統(tǒng)的兩種典型形式(14) 2.1.1主動磁懸浮旋轉支承結構(14) 2.1.2主動磁懸浮平面支承結構(15) 2.2主動磁懸浮系統(tǒng)的電磁機構設計(16) 2.2.1電磁參數的設計(16) 2.2.2電磁鐵的設計(18) 2.3主動磁懸浮支承系統(tǒng)電控部分的結構(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)的單自由度數學建模(21) 3.2磁懸浮支承系統(tǒng)的剛度阻尼特性分析(25) 3.3主動磁懸浮平面進給導軌系統(tǒng)的力學模型(27) 3.3.1磁懸浮平面導軌系統(tǒng)建模(27) 3.3.2磁懸浮平面導軌系統(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驅動輸出電流與剛度的關系(38) 4.1.2驅動電流與動剛度的關系(40) 4.2開關功放的驅動方式(41) 4.3改進型線性功放(43) 4.4磁性材料的影響(46) 4.5擴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(48) 4.6PWM開關功放設計(50) 4.7恒流斬波開關功放(50) 4.8主動磁懸浮支承系統(tǒng)中功放的性能比較(51) 5主動磁懸浮驅動電路設計(53) 5.1開關功放的輸出電路(53) 5.2開關管驅動電路(54) 5.2.1驅動方式(54) 5.2.2IR2110驅動器(55) 5.3非線性功放開關管的控制模式(56) 5.3.1PWM控制模式(57) 5.3.2恒流斬波控制模式(58) 5.4外圍電路的設計(59) 5.4.1柵極負偏置IR2110(59) 5.4.2自舉元器件的分析(59) 5.4.3IR2110驅動的擴展(60) 5.4.4抗干擾電路的設計(61) 5.4.5開關管保護電路(62) 5.4.6反饋校正回路設計(63) 5.5電源、功放與控制關系(65) 6主動磁懸浮導軌的顫振分析(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非線性功放的結構(85) 7.1.4非線性功放的應用(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構(90) 7.4功放的非線性補償的實現(xiàn)(91) 7.4.1預測算法(91) 7.4.2分段線性化(95) 7.4.3預置參數法處理(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主動磁懸浮驅動系統(tǒng)的應用(103) 8.1基本參數(103) 8.2驅動系統(tǒng)的應用(104) 8.3分段線性化的效果(106) 9主動磁懸浮系統(tǒng)的特征主導型控制(108) 9.1特征主導型控制(108) 9.2特征主導型控制的相位同步與強度轉換(110) 9.3導軌平動段的PID主導控制(113) 9.3.1PID主導控制的磁懸浮導軌系統(tǒng)(113) 9.3.2智能PID控制器中參數的確定(114) 9.3.3PID主導控制的流程(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濾波器技術參數分析(122) 10.2.3信號檢測電路設計(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)調試及系統(tǒng)參數驗證(130) 10.5.1磁阻尼作用下的靜態(tài)參數測試(130) 10.5.2沖擊響應及動態(tài)測試數據及分析(132) 參考文獻(135) |
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