過約束磁懸浮導(dǎo)軌的穩(wěn)定性分析與控制.pdf

1、主動磁懸浮導(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支承系統(tǒng)。與普通導(dǎo)軌相比，主動磁懸浮導(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。由于主動磁懸浮導(dǎo)軌的滑箱與導(dǎo)板之間相對運動時表面沒有接觸，大大地減小了運動阻力，因而加快了導(dǎo)軌的運動響應(yīng)，為提高數(shù)控機床的進給速度提供了技術(shù)條件，避免了因機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，因而主動磁懸浮導(dǎo)軌的可靠性遠遠高于普通導(dǎo)軌。與靜壓導(dǎo)

2、軌相比，由于主動磁懸浮導(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，主動磁懸浮導(dǎo)軌支承技術(shù)有望得到迅速的發(fā)展。
　　從機床導(dǎo)軌的承載特性考慮，主動磁懸浮導(dǎo)軌的工作平面必須采用多點支承，但是對于一個平面而言，這種多點支承就存在主動式過約束。隨著主動磁懸浮技術(shù)的深入研究，發(fā)現(xiàn)多點支承的主動磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的主動式過約束會引起“顫振”，導(dǎo)致難以將先進的控制策略應(yīng)用到平面多點支承的主動磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中，也難以進一步

3、提高主動磁懸浮導(dǎo)軌的承載能力和控制精度，甚至阻礙了主動磁懸浮導(dǎo)軌的研究工作。首先，本文針對多點支承的主動磁懸浮導(dǎo)軌中出現(xiàn)的“顫振”問題進行了一系列的研究，提出了一種產(chǎn)生主動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，并借助非線性補償?shù)氖侄蝸磉M一步提升主動磁懸浮導(dǎo)軌的性能。最后，搭建了主動磁懸浮導(dǎo)軌的實驗平臺，開展了相關(guān)的仿真和實驗研究，消除了“顫

4、振”的影響，實現(xiàn)了主動磁懸浮導(dǎo)軌的平穩(wěn)運行，提升了系統(tǒng)性能。本文詳細的研究內(nèi)容如下:
　　1.設(shè)計了主動磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了主動磁懸浮導(dǎo)軌的工作機理，建立了主動磁懸浮導(dǎo)軌的數(shù)學(xué)模型，著重對主動磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中的剛度—阻尼特性進行了分析與計算。
　　2.針對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

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)。
　　3.解決了主動磁懸浮導(dǎo)軌系統(tǒng)中的顫振問題之后，提出了特征主導(dǎo)型控制策略，根據(jù)導(dǎo)軌處于平動段、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)，進行了相應(yīng)的仿真研究，進一步提升了主動磁懸浮導(dǎo)軌的性能，對最終克服多

6、點支承系統(tǒng)的技術(shù)難點起到至關(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)換為一個線性子系統(tǒng)，從而可以更廣泛地引入一些先進算法，進一步擴大了系統(tǒng)的穩(wěn)定域。
　　5.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，為驗證課題的研究結(jié)論創(chuàng)造了條件。構(gòu)建了基于DSPTMS320F28335的主動磁懸浮導(dǎo)軌控制系統(tǒng)的模擬實驗平臺，進行了相關(guān)的硬件、軟件