過約束磁懸浮導(dǎo)軌的穩(wěn)定性分析與控制.pdf

1、主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)是利用電磁力把導(dǎo)軌工作臺穩(wěn)定懸浮起來的一種新型的平面多點(diǎn)支承系統(tǒng)。與普通導(dǎo)軌相比，主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌具有無摩擦阻力、無接觸磨損、無需潤滑、精度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。由于主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的滑箱與導(dǎo)板之間相對運(yùn)動(dòng)時(shí)表面沒有接觸，大大地減小了運(yùn)動(dòng)阻力，因而加快了導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，為提高數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度提供了技術(shù)條件，避免了因機(jī)械摩擦和直接接觸而導(dǎo)致的導(dǎo)軌壽命縮短和加工精度下降等問題，因而主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通導(dǎo)軌。與靜壓導(dǎo)

2、軌相比，由于主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌省掉了龐大的油路系統(tǒng)，所以減輕了環(huán)境污染、降低了潔凈防塵條件，因此，主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌支承技術(shù)有望得到迅速的發(fā)展。
　　從機(jī)床導(dǎo)軌的承載特性考慮，主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的工作平面必須采用多點(diǎn)支承，但是對于一個(gè)平面而言，這種多點(diǎn)支承就存在主動(dòng)式過約束。隨著主動(dòng)磁懸浮技術(shù)的深入研究，發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)支承的主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的主動(dòng)式過約束會(huì)引起“顫振”，導(dǎo)致難以將先進(jìn)的控制策略應(yīng)用到平面多點(diǎn)支承的主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中，也難以進(jìn)一步

3、提高主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的承載能力和控制精度，甚至阻礙了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的研究工作。首先，本文針對多點(diǎn)支承的主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌中出現(xiàn)的“顫振”問題進(jìn)行了一系列的研究，提出了一種產(chǎn)生主動(dòng)式磁阻尼的新方法來解決顫振問題。其次，在解決顫振問題之后，引入了基于PID控制、模型參考自適應(yīng)控制及滑模變結(jié)構(gòu)控制的特征主導(dǎo)型控制策略，并借助非線性補(bǔ)償?shù)氖侄蝸磉M(jìn)一步提升主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的性能。最后，搭建了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)平臺，開展了相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，消除了“顫

4、振”的影響，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的平穩(wěn)運(yùn)行，提升了系統(tǒng)性能。本文詳細(xì)的研究內(nèi)容如下:
　　1.設(shè)計(jì)了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的工作機(jī)理，建立了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的數(shù)學(xué)模型，著重對主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中的剛度—阻尼特性進(jìn)行了分析與計(jì)算。
　　2.針對多點(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

5、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(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)。
　　3.解決了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中的顫振問題之后，提出了特征主導(dǎo)型控制策略，根據(jù)導(dǎo)軌處于平動(dòng)段、過渡段和沖擊段三種不同的工作狀態(tài)，分別采取PID主導(dǎo)控制策略、模型參考自適應(yīng)主導(dǎo)控制策略、滑模變結(jié)構(gòu)主導(dǎo)控制策略，并構(gòu)建了相關(guān)的控制系統(tǒng)，進(jìn)行了相應(yīng)的仿真研究，進(jìn)一步提升了主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌的性能，對最終克服多

6、點(diǎn)支承系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)起到至關(guān)重要的作用。
　　4.引用課題組的前期成果—非線性功率放大器，減少系統(tǒng)的非線性影響。通過采用非線性功率放大器，使控制對象等效地轉(zhuǎn)換為一個(gè)線性子系統(tǒng)，從而可以更廣泛地引入一些先進(jìn)算法，進(jìn)一步擴(kuò)大了系統(tǒng)的穩(wěn)定域。
　　5.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，為驗(yàn)證課題的研究結(jié)論創(chuàng)造了條件。構(gòu)建了基于DSPTMS320F28335的主動(dòng)磁懸浮導(dǎo)軌控制系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了相關(guān)的硬件、軟件