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1.前言 主动磁悬浮技术是利用电磁铁产生的受控电磁力对转子或者导轨等物体无接触地悬浮支承的一种新型技术，其支承系统主要分别应用于两种对象，一种是用于旋转对象，如主动磁悬浮轴承；另一种是用于平动支承对象。由于主动磁悬浮技术具有无直接接触、无摩擦、无润滑、无污染等显著的优点，成为国内外研究人员的研究热点问题，也具有广泛的应用前景。 对于一个主动磁悬浮支承系统而言，其中的核心理论和技术是主动磁悬浮理论及其支承技术，系统主要由四部分组成：位置传感与检测、信号控制与调节、电源与功率放大以及被浮体。本书针对主动磁悬浮系统中的驱动与控制问题，重点对功率放大部分存在的问题和不足进行分析研究；对主动磁悬浮导轨系统中存在的颤振问题进行分析并提出一种新型的控制策略。主要研究内容如下： (1)
设计了主动磁悬浮旋转支承结构和平面支承结构，分析了主动磁悬浮导轨的工作机理，针对主动磁悬浮系统中的电磁机构进行了一定的分析，建立了主动磁悬浮支承系统的数学模型，着重对主动磁悬浮支承系统中的刚度—阻尼特性进行了分析与计算。 (2)
在分析研究了主动磁悬浮支承系统的基本工作原理的基础上，又分析和讨论了磁悬浮支承系统对功率放大器的要求，提出了适合不同类型磁悬浮支承系统的功率放大器设计方案。采用线性器件构建主动磁悬浮支承系统用的模拟功率放大器，采用开关器件构建磁悬浮支承系统用的开关功率放大器；并对可能由于磁悬浮支承部件材料的BH磁化曲线引起的电磁力非线性影响进行了分析讨论，设计了一种以克服这种非线性影响为目的的智能化功率放大器。 (3)
根据磁性材料的非线性特征，通过对磁性材料的测试，找出磁性材料非线性对系统性能的影响并提出一种非线性功放，能够在特殊设计的程序控制下实现“根据磁性材料的非线性特性自动调整功放的增益”的作用，从而消除系统中这方面的非线性的影响，尽可能满足主动磁悬浮支承技术在数控机床中应用的要求。 (4)
针对平面多点支承的主动磁悬浮导轨中存在的主动式过约束，分析了过约束产生颤振的机理，提出了一种磁阻尼控制的新方法，用于解决多点支承的主动磁悬浮系统中的颤振问题。建立了主动磁悬浮导轨工作台平面的法向磁阻尼模型，并对相应的磁阻尼力进行了相关的计算，为解决多点支承的主动磁悬浮导轨中的颤振提供了必要的理论依据。 (5)
解决了主动磁悬浮导轨系统中的颤振问题之后，提出了一种特征主导型控制策略，根据导轨运行状态，把导轨的工作区间分为平动段、过渡段和冲击段三种不同的工作状态，针对导轨运行时间较长的平动段及特点，采取PID主导控制策略，分析了特征主导型控制的相位同步与强度转换过程，进一步提升了主动磁悬浮导轨的性能，对最终克服平面多点支承系统的技术难点起到至关重要的作用。 (6) 研究并搭建了主动磁悬浮导轨系统的硬件及实验平台。构建了基于DSP
TMS320F28335的主动磁悬浮导轨控制系统的模拟实验平台，进行了相关的硬件、软件调试等实验研究，尤其针对主动磁悬浮导轨系统中的主要控制芯片、位移传感器等进行了相关的研究，并进行了相应的参数分析及关键部分的硬件电路设计。 本书在撰写的过程中，参阅了国内外大量的相关著作和文献，尤其是张建生教授提供了很多技术方面的指导，也提供了很多参考资料。在此，向本书所引用文献的作者及张建生教授表达衷心的感谢。由于作者水平有限，书中难免有不足之处，敬请广大读者批评指正。 本书受到了以下项目的资助：江苏高校品牌专业建设工程资助项目(TAPP,项目负责人：朱锡芳，项目编号：PPZY2015B129)、“十三五”江苏省重点学科项目——电气工程重点建设学科、2016年度江苏省高校重点实验室建设项目——特种电机研究与应用重点建设实验室。 编者2017年6月 2.目录 1绪论(1) 1.1研究背景(1) 1.2磁悬浮支承技术的研究现状(3) 1.2.1磁悬浮支承技术的国外状况(3) 1.2.2磁悬浮支承技术的国内状况(5) 1.2.3高档数控机床的应用现状(7) 1.2.4主动磁悬浮系统驱动装置的研究现状(8) 1.3磁悬浮支承的关键技术(9) 1.4主动磁悬浮系统中功放形式(11) 2主动磁悬浮支承系统的结构及工作机理(14) 2.1主动磁悬浮支承系统的两种典型形式(14) 2.1.1主动磁悬浮旋转支承结构(14) 2.1.2主动磁悬浮平面支承结构(15) 2.2主动磁悬浮系统的电磁机构设计(16) 2.2.1电磁参数的设计(16) 2.2.2电磁铁的设计(18) 2.3主动磁悬浮支承系统电控部分的结构(19) 3主动磁悬浮支承系统的建模及分析(21) 3.1磁悬浮支承系统的单自由度数学建模(21) 3.2磁悬浮支承系统的刚度阻尼特性分析(25) 3.3主动磁悬浮平面进给导轨系统的力学模型(27) 3.3.1磁悬浮平面导轨系统建模(27) 3.3.2磁悬浮平面导轨系统模型简化(28) 3.4多自由度磁悬浮支承系统的建模(33) 4主动磁悬浮驱动装置的性能分析(38) 4.1主动磁悬浮系统的承载能力(38) 4.1.1驱动输出电流与刚度的关系(38) 4.1.2驱动电流与动刚度的关系(40) 4.2开关功放的驱动方式(41) 4.3改进型线性功放(43) 4.4磁性材料的影响(46) 4.5扩大功放功率范围的方法(46) 4.5.1典型的线性功放原理(47) 4.5.2智能化电源(47) 4.5.3多管并联与均流技术(48) 4.6PWM开关功放设计(50) 4.7恒流斩波开关功放(50) 4.8主动磁悬浮支承系统中功放的性能比较(51) 5主动磁悬浮驱动电路设计(53) 5.1开关功放的输出电路(53) 5.2开关管驱动电路(54) 5.2.1驱动方式(54) 5.2.2IR2110驱动器(55) 5.3非线性功放开关管的控制模式(56) 5.3.1PWM控制模式(57) 5.3.2恒流斩波控制模式(58) 5.4外围电路的设计(59) 5.4.1栅极负偏置IR2110(59) 5.4.2自举元器件的分析(59) 5.4.3IR2110驱动的扩展(60) 5.4.4抗干扰电路的设计(61) 5.4.5开关管保护电路(62) 5.4.6反馈校正回路设计(63) 5.5电源、功放与控制关系(65) 6主动磁悬浮导轨的颤振分析(67) 6.1主动磁悬浮平面多点支承(67) 6.1.1平面多点支承的颤振(67) 6.1.2平面多点支承的过约束分析(69) 6.1.3过约束点的判断(71) 6.2平面多点支承的法向磁阻尼(73) 6.2.1平面导轨工作台法向支承磁阻尼(73) 6.2.2磁阻尼消振分析(76) 6.3磁阻尼力的计算与分析(79) 7非线性功放的补偿算法(83) 7.1非线性功放的基本原理(83) 7.1.1非线性功放(83) 7.1.2非线性补偿(84) 7.1.3非线性功放的结构(85) 7.1.4非线性功放的应用(86) 7.2磁性材料的非线性(88) 7.2.1磁滞现象(88) 7.2.2磁滞回线族(89) 7.2.3电磁铁的非线性(89) 7.3非线性功放软件整体结构(90) 7.4功放的非线性补偿的实现(91) 7.4.1预测算法(91) 7.4.2分段线性化(95) 7.4.3预置参数法处理(96) 7.4.4非线性功放的信息处理(98) 7.4.5查表法补偿(100) 7.5PWM控制的软件(101) 8主动磁悬浮驱动系统的应用(103) 8.1基本参数(103) 8.2驱动系统的应用(104) 8.3分段线性化的效果(106) 9主动磁悬浮系统的特征主导型控制(108) 9.1特征主导型控制(108) 9.2特征主导型控制的相位同步与强度转换(110) 9.3导轨平动段的PID主导控制(113) 9.3.1PID主导控制的磁悬浮导轨系统(113) 9.3.2智能PID控制器中参数的确定(114) 9.3.3PID主导控制的流程(115) 10主动磁悬浮系统的性能分析(118) 10.1磁悬浮导轨控制系统组成(118) 10.2系统主要硬件组成(119) 10.2.2滤波器技术参数分析(122) 10.2.3信号检测电路设计(124) 10.3磁悬浮系统稳定性评估的一般方法(125) 10.4系统性能指标测试平台(127) 10.4.1系统实验平台(127) 10.4.2测试方法(127) 10.4.3传感器的标定(128) 10.4.4磁悬浮平台传感器布局(129) 10.4.5传感器选型(129) 10.5系统调试及系统参数验证(130) 10.5.1磁阻尼作用下的静态参数测试(130) 10.5.2冲击响应及动态测试数据及分析(132) 参考文献(135) |
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