974723763畢業(yè)設(shè)計（論文）磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計

1、邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒論磁懸浮系統(tǒng)，它是由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成，其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號，然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這就是目前磁懸浮技術(shù)應(yīng)用得最廣的應(yīng)用1。通俗地講，磁懸浮技術(shù)之所以能讓物體懸浮起來，是因為電磁鐵和通電線圈相互間產(chǎn)生了強大的吸引力，從而使得沉重的物體

2、得以懸浮在空中；當(dāng)電流減小或切斷電流時，相互的作用力就減小至消失。磁懸浮技術(shù)今天看似乎還是一個新鮮事物，其實它的理論準(zhǔn)備有很長的歷史。1929年德國人首先提出了磁懸浮理論，日本人1972年開始嘗試eds系統(tǒng)，但這個原理早在1966年就由美國人提出來了。這套技術(shù)的理論背景與當(dāng)時的磁懸浮技術(shù)發(fā)展緊密相關(guān)。因為六、七十年代，是世界磁懸浮技術(shù)應(yīng)用研究的鼎盛時期，利用磁懸浮技術(shù)解決一些應(yīng)用難題是那時的熱點。但中國的磁懸浮技術(shù)發(fā)展很快。目前，國內(nèi)國防科技大學(xué)和西南交通大學(xué)都在進行磁懸浮技術(shù)的研制工作，都已經(jīng)有了比較成熟的技術(shù)。2001年，國防科大磁懸浮實驗線路建成，西南交大的實驗線路也正在建設(shè)。磁懸浮在中

3、國的市場運做進展也很順利，德國柏林到漢堡之間的磁懸浮鐵路建設(shè)計劃擱淺以后，轉(zhuǎn)而與中國達成協(xié)議，在上海修建一條可能將是世界上首條進行商業(yè)運行的磁懸浮鐵路。北京，四川等地也正準(zhǔn)備修建類似鐵路。1.1 課題研究背景與研究目的 隨著科技的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械正快速向高速、輕質(zhì)、高精度方向發(fā)展，一般內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速高達8000r/min，噴氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速達30000-50000r/min，電機轉(zhuǎn)速也超過10000r/min，像導(dǎo)彈，航天器中的陀螺儀，轉(zhuǎn)速也是30000-50000r/min，廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也高達20000r/min，evc汽車上的增壓器轉(zhuǎn)速超過10000r/min。在如此高的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子的動不

4、平衡哪怕只有1g，也將造成數(shù)十公斤或上噸的離心力，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)性，引起高頻振動，使轉(zhuǎn)子及其軸承的偏磨，導(dǎo)致軸承處油膜波蕩，造成機件很快早期磨損2。因此，轉(zhuǎn)子的動平衡精度，成為制約高速旋轉(zhuǎn)機械的瓶頸。常規(guī)的機械式動平衡儀，即使是德國西門子公司生產(chǎn)的，也只能準(zhǔn)確地測出動不平衡質(zhì)量及其位置，要除去動平衡質(zhì)量，必須停機取下不平衡轉(zhuǎn)子，再用機械加工方法找準(zhǔn)不平衡位置切除不平衡量。這樣往往原來的地方或去量不足或過量，很難達到要求，因而常反復(fù)進行多次還達不到平衡要求，特別是高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子，成為生產(chǎn)工藝過程中最感頭疼的事。當(dāng)今世界上用來測量動不平衡點的裝置主要有手工校正機和全自動一體化動平衡校正機。手工校正

5、機采用在動平衡測試機上測量其動不平衡量，然后根據(jù)測試量進行人工鉆或銑削去重的動平衡方法，完成一個轉(zhuǎn)子的動平衡一般常需要重復(fù)次的測試和去重，生產(chǎn)效率低下，平衡精度也不高，且轉(zhuǎn)子上的切槽較多。國外的全自動一體化動平衡校正機雖然平衡精度、生產(chǎn)效率等較高，但價格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對不同規(guī)格的轉(zhuǎn)子適應(yīng)性差。目前，又出現(xiàn)了一種新的設(shè)計方案：轉(zhuǎn)子動平衡去重系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子動平衡去重系統(tǒng)由動平衡測試機和數(shù)控去重機二工位組成，操作工人主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子的裝卸以及對兩機器的啟停管理。動平衡測試機采用相應(yīng)精度的市售商品，其輸出量是轉(zhuǎn)子不平衡量在設(shè)定分解面內(nèi)分解后的幅值和相位的電壓值，以及精度、放大倍數(shù)等信號量?？刂葡到y(tǒng)采用上位機和

6、下位機。上位機通過采集卡獲取動平衡測試機上的不平衡量數(shù)據(jù)，然后生成動平衡去重策略。有一定的計算量，同時也需要良好的交互性，因此采用機作為上位機。下位機控制去重機的具體運行，與硬件的關(guān)系密切，故采用單片機作為下位機。上位機和下位機兩者之間的通訊通過通訊協(xié)議來實現(xiàn)。該系統(tǒng)的主要工作流程如下：首先用測試機測得待平衡轉(zhuǎn)子的不平衡量，然后機通過數(shù)據(jù)采集卡采集不平衡量，按照相應(yīng)的分解策略生成一個最優(yōu)的去重策略，并轉(zhuǎn)化成單片機可直接操作的代碼，最后把這個代碼通過串口傳送給數(shù)控去重機的控制器，待平衡轉(zhuǎn)子安裝完后即可啟動數(shù)控去重機進行動平衡切削。在此過程中，將另一轉(zhuǎn)子放置在動平衡測試機上，開始測量等待加工。將剛

7、加工完的轉(zhuǎn)子卸下后再進行測量，而剛才已測量好的轉(zhuǎn)子則安裝后即可加工。正常情況下，一個操作工人可管理兩臺機器。然而這種方案仍舊令有頭疼。因而，就目前的情況而言，對動平衡質(zhì)量的檢測與增減的各種方案都不是十分理想。為此，我們提出了利用磁懸浮技術(shù)對動不平衡質(zhì)量進行不停機自動切除的方案。本課題的研究目標(biāo)是：利用磁懸浮的運動副摩擦力小，外界干擾少，在動不平衡質(zhì)量影響下的工作臺位移引起磁懸浮間隙變化，導(dǎo)致磁通量變化直接作為不停機自動切除激光能量控制信號，高精度地對現(xiàn)代高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子及機械進行動不平衡質(zhì)量切除 。 1.2 國內(nèi)外的研究狀況自從磁懸浮技術(shù)誕生以來，科學(xué)家們就一直致力于使它走出實驗室。德國和日本是世

8、界上研究磁懸浮技術(shù)并將其用于實際應(yīng)用研究的國家，現(xiàn)在仍處于短距離、低速度的試驗階段。隨著電子元件的集成化以及控制理論和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展，經(jīng)過多年的研究工作，國內(nèi)外對該項技術(shù)的研究都取得了很大的進展。但是不論是在理論還是在產(chǎn)品化的過程中，該項技術(shù)都存在很多的難題，其中磁懸浮技術(shù)的主要難題是懸浮與推進以及一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它的實現(xiàn)需要運用電子技術(shù)、電磁器件、直線電機、機械結(jié)構(gòu)、計算機、材料以及系統(tǒng)分析等方面的高技術(shù)成果。需要攻關(guān)的是組成系統(tǒng)的技術(shù)和實現(xiàn)工程化。最近美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有機塑料聚合物同時具有磁性和超導(dǎo)性能 (10 k以下)如果這種材料能進一步提高超導(dǎo)溫度，并代替金屬磁體，將有助于磁懸浮技

9、術(shù)的研究和實現(xiàn)。懸浮磁系統(tǒng)所需解決的難題則主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)和滿足轉(zhuǎn)子動力特性上。在重視控制系統(tǒng)研究的同時，著重研究系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，從而更有效的改進控制方法和策略；采用具有強魯棒性的滑模控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實現(xiàn)對復(fù)雜轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的控制。 根據(jù)電磁鐵線圈上的電流和電壓信號檢測轉(zhuǎn)子位移主要有兩類方法：一是參數(shù)估計法，將磁懸浮軸承和轉(zhuǎn)子間的氣隙看成是軸承和功率放大器的時變參數(shù)；另外一個是將磁懸浮軸承和轉(zhuǎn)子看成一個整體，位移不是一個參數(shù)，而是一種狀態(tài)。okada用解調(diào)技術(shù)研究了無傳感器的磁懸浮軸承，其不足是系統(tǒng)對開關(guān)功率放大器的占空比很敏感。mizuno、bleuler和visch

10、er等人將磁懸浮軸承看成是一個兩端網(wǎng)絡(luò)，用線性狀態(tài)空間觀測器來表征狀態(tài)的位移，這種磁懸浮軸承系統(tǒng)的不足是控制器和觀測器的魯棒性差，很小的參數(shù)變化會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。myounggyu引用線性參數(shù)估計設(shè)計了一套信號處理器，對開關(guān)波形進行解調(diào)，從而得到轉(zhuǎn)子的位移信號3。matsuda在電磁鐵上繞上兩組不同的線圈，一組是偏磁線圈，一組是控制線圈，將檢測到的控制線圈的電流頻率送入設(shè)計解調(diào)電路，就能得到轉(zhuǎn)子的位移信號，所研制的樣機在12 000 r/min下實現(xiàn)了穩(wěn)定運行。由于偏磁線圈產(chǎn)生的磁場是恒定不變的靜磁場，主要靠控制線圈產(chǎn)生的動磁場來平衡外干擾的作用。故可用永久磁鐵來取代偏磁線圈提供靜磁場構(gòu)成混合磁

11、懸浮軸承，其優(yōu)點是體積小、重量輕且功率損耗小，特別適用于航空領(lǐng)域。但如何檢查出轉(zhuǎn)子的動不平衡點，及將其切除一直是一個難題。國外生產(chǎn)增壓器的最大廠家為英國holst公司，曾進行過了不停機機械切除動不平衡質(zhì)量的研究，由于采用的是機械接觸式的加工切除、精度不高、而未予推廣；激光切除也曾搞過，但對機械摩擦的干擾沒有采取措施，精度沒有很大提高。但總是不十分理想。我校周繼明、歐陽光耀發(fā)表動不平衡質(zhì)量不停機自動切除初探論文，其工作臺是放于靜壓空氣墊臺和氣墊導(dǎo)軌，用差動變壓器提取信號作為激光能量控制信號，尚未立項研究。因此，從目前情況分析，此項目在國內(nèi)尚屬首次。1.3 本文的主要工作磁懸浮技術(shù)作為20世紀(jì)的一

12、項新興技術(shù)，是一門涉及多種學(xué)科的綜合性技術(shù)。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號處理元件器、電磁理論、新型電磁材料和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展，磁懸浮技術(shù)取得長足的發(fā)展，由于其無接觸的特點，能避免物體之間的磨擦和磨損，因此在交通、冶金、機械、電子、材料等各個方面有著廣闊的應(yīng)用前景。標(biāo)志著磁懸浮技術(shù)的新的突破，也展示出磁懸浮技術(shù)的美好的明天。但是它的運用也有許多許多問題期待解決。磁懸浮對于稍稍的振動偏差極為敏感，稍有偏差就會發(fā)生振動。當(dāng)轉(zhuǎn)子在不平衡質(zhì)量的影響下，會使振動平臺發(fā)生振動，這就需要對轉(zhuǎn)子進行動平衡分析，找出不平衡點，并予以切除或增加。但是轉(zhuǎn)子極為沉重，若是停車切除，不僅非常費事，而且也是會影響經(jīng)濟效益。

13、這是提高動平衡加工精度的一個難題。本文研究的主要內(nèi)容是：對磁懸浮工作平臺的平穩(wěn)性、可靠性進行探討；對磁懸浮工作平臺的最佳磁懸浮間隙作測定；在轉(zhuǎn)子離心力作用下，對磁懸浮間隙變化規(guī)律及信號強弱的探測；以及磁懸浮平臺磁力強度與負(fù)載之關(guān)系探討。本文的主要工作就是要在不停機的情況下利用激光加工器對其轉(zhuǎn)子進行自動切除，已達到預(yù)期目的。首先，我對其動平衡特性進行分析，即可先由此找出動不平衡點，以便為下面的過程作好準(zhǔn)備。其次，對其振動特性進行分析。最后一部分是分析磁懸浮系統(tǒng)的工作平臺的結(jié)構(gòu)特性。由以上的所有的準(zhǔn)備工作，來為這一部分服務(wù)。并要求畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，計算系統(tǒng)的動力學(xué)方程，得出計算分析的結(jié)果，設(shè)計出工

14、作平臺的多種結(jié)構(gòu)，進行比較，從中取出最優(yōu)的一種方案。綜上所述，本次設(shè)計的主要構(gòu)思，也就是主要框架是:(1) 先分析它的動平衡特性，由動平衡特性找出動不平衡點；(2) 并分析以及由此引發(fā)的振動，由它的振動特性得出振動特性方程；(3) 由此振動特性來設(shè)計磁懸浮工作平臺結(jié)構(gòu)，在工作平臺上有位移傳感器，位移傳感器能將此振動偏差量接收傳到激光加工系統(tǒng)中進行自動加工，加工部分的設(shè)計在此不作具體描述。2 動平衡分析2.1 動平衡原理及方法 對于軸向尺寸的轉(zhuǎn)子，如內(nèi)燃機曲軸、電機轉(zhuǎn)子和機床主軸等，其質(zhì)量就不能再視為分步在同一平面內(nèi)了。這時偏心質(zhì)量往往是分步在若干個不同平面內(nèi)，在這種情況下，即使轉(zhuǎn)子的質(zhì)心在回轉(zhuǎn)

15、軸線上，由于各偏心質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力不在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，因而將形成慣性力偶，所以仍然是不平衡的。而且該力偶的作用方位是隨轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化的，故不但會在支承中引起附加動壓力，也會引起機械設(shè)備的振動。這種不平衡現(xiàn)象只有在轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的情況下才能顯示出來，稱其為動不平衡。對這種轉(zhuǎn)子進行動平衡，要求轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)時其各偏心質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力和慣性力偶矩同時得以平衡。 圖示為一長轉(zhuǎn)子，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，設(shè)已知其偏心質(zhì)量為m1、m2和m3分別位于回轉(zhuǎn)平面1、2內(nèi)及3內(nèi)，它們的回轉(zhuǎn)半徑分別為r1 、r2、和r3 ，方向如圖所示。當(dāng)此轉(zhuǎn)子以角速度回轉(zhuǎn)時，它們產(chǎn)生的慣性力、和，將形成 一空間力系，故轉(zhuǎn)子動平衡的條件是：各偏

16、心質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力的矢量和為零，以及這些慣性力所構(gòu)成的力矩矢量和也為零，即，。圖2.1簡化到兩平衡基面內(nèi)的空間力系由理論力學(xué)可知，一個力可以分成與其相平行的兩個分力。可將f分為、兩個分力，其大小分別為 ， 。方向與f一致。為了使轉(zhuǎn)子獲得動平衡，首先選定兩個回轉(zhuǎn)平面i和ii作為平衡基面。再將各離心慣性力按上述方法分別分解到平衡基面上，再將、和分解為、和、。這樣就把空間力系的平衡問題，轉(zhuǎn)化為兩個平面匯交力系的平衡問題了。只要在平衡基面i和ii內(nèi)適當(dāng)各加一平衡質(zhì)量，使兩平衡基面內(nèi)的慣性力之和分別為零，這個轉(zhuǎn)子便可以得到平衡。至于兩個平衡基面i和ii內(nèi)的平衡質(zhì)量的大小和方位的確定，則與前述靜平衡計算的

17、方法完全相同，這里就不再重述了4。由以上分析可知，對于任何動不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，無論其具有多少個偏心質(zhì)量，以及分布于多少個回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，都只要在選定的兩個平衡基面內(nèi)分別各加上或減去一個適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，即可得到完全平衡。故動平衡又稱為雙面平衡。平衡基面的選取需要考慮到轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和安裝空間，以便于安裝或除去偏心質(zhì)量。此外，還要考慮力矩平衡的效果，兩平衡基面間的距離應(yīng)適當(dāng)大一些。同時在條件允許的情況下，將平衡質(zhì)量的矢徑也可取大些，力求減小平衡質(zhì)量。2.2 利用磁懸浮技術(shù)提高動平衡精度的原理機械在運轉(zhuǎn)時，構(gòu)件所產(chǎn)生的不平衡慣性力不僅會增大運動副中的摩擦和構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力，降低機械效率和使用壽命，而且由于這些

18、慣性力的大小和方向一般都是周期性的變化的，所以必將引起機械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強烈的振動。如果振幅較大，或是其頻率接近于機械的共振頻率，則將引起極其不良的后果。不僅會影響到機械本身的正常工作和使用壽命，而且還會使附近的工作機械及廠房受到影響甚至是破壞。機械平衡的目的就是設(shè)法將構(gòu)件的不平衡慣性力加以平衡以消除慣性力的不良影響。由此可見，機械的平衡是現(xiàn)代化的一個重要問題，尤其是在高速機及精密機械中，更具有特別重要的意義。 但是在一般情況下，對于轉(zhuǎn)子動平衡的計算及對其不平衡質(zhì)量的切除是很復(fù)雜的。在高速運轉(zhuǎn)情況下，轉(zhuǎn)子質(zhì)量的微小誤差對整個系統(tǒng)的影響是很大的。因此，動平衡問題是極其重要的。在這類機械中，轉(zhuǎn)子的重

19、量很大，而徑向尺寸很小，工作轉(zhuǎn)速又很高，故轉(zhuǎn)子在工作中將會產(chǎn)生很大的彎曲變形，從而使慣性力顯著增大。在停機的情況下，先測出轉(zhuǎn)子動不平衡質(zhì)量點，再進行切除，不僅費事還很不經(jīng)濟。而利用磁懸浮技術(shù)在不停機的情況下對動不平衡質(zhì)量進行切除顯得尤為先進。這是利用動不平衡質(zhì)量在高速旋轉(zhuǎn)中必然產(chǎn)生徑向離心力以呼離心力作為信號源，使其轉(zhuǎn)化為電信號。再以此電信號作為激光切割器的激光能量大小控制源，激光切削量不大，由于高轉(zhuǎn)速單位時間內(nèi)重復(fù)切削次數(shù)多，單位時間內(nèi)的累計切削量就相當(dāng)可觀，其切削量隨離心力大小同步增減，等到其離心力微乎其微時，激光能量也隨之微乎其微，若要提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，又可繼續(xù)進行切削，直到無信號源輸出為止

20、。因此，動平衡精度可以提高到非常精密的程度。以滿足各類高速轉(zhuǎn)子的動平衡要求。顯然，離心力信號的反應(yīng)必然受到運轉(zhuǎn)部分摩擦力的干擾，為了提高切削精度，就必須減少各運動部位的機械摩擦力，在高速情況下，運動頻率是與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的，為此，我們以磁浮工作臺作為動平衡儀的工作臺，當(dāng)在離心力作用下，磁懸浮工作臺特產(chǎn)生相應(yīng)位移，使磁懸浮間隙發(fā)生變化，導(dǎo)致磁通量變化，這一變化即可引入電腦中進行處理后作為激光能量控制信號臺，將機械摩擦阻力的影響排斥在外，對信號的提取幾乎沒有影響，大大提高動平衡精度。同時，也省去了測取離心力的一整套傳感器及其誤差影響。3 磁懸浮平臺的設(shè)計及動力特性的分析3.1磁懸浮平臺的振動原理利用磁懸

21、浮技術(shù)將鐵磁性平臺懸浮在磁場中,由轉(zhuǎn)子的運動來產(chǎn)生振動 ,來帶動振動平臺工作，振動平臺上的傳感器將此振動信號輸出給激光加工器，結(jié)合控制技術(shù)實現(xiàn)平臺的快速精密定位.合理的設(shè)計將懸浮力和導(dǎo)向力兩個磁懸浮系統(tǒng)合二為一,即結(jié)構(gòu)簡單,控制容易又能獲得精確的導(dǎo)向精度。選用線性同步電機,避免了感應(yīng)電機磁場感應(yīng)所產(chǎn)生的法向力對平臺的振動作用,有利于懸浮系統(tǒng)的控制。懸浮系統(tǒng)無接觸,無摩擦,克服了磨損、金屬粉塵及油脂污染等問題;無接觸線性驅(qū)動減少了機械聯(lián)結(jié)件,消除了聯(lián)結(jié)間隙,減輕了重量,能有效提高動態(tài)響應(yīng)頻率和定位精度；這些使定位平臺能夠滿足現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)對超潔凈制作環(huán)境和高精度、高效率的要求。 機械振動是一種比較

22、復(fù)雜的物理現(xiàn)象，為了研究的方便，需要根據(jù)不同的特征將它進行分類。振動理論的分析，首先是建立振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用動力學(xué)的基本理論或分析力學(xué)的方法推導(dǎo)出系統(tǒng)振動的微分方程，然后尋求方程的解而得到系統(tǒng)振動的規(guī)律。受迫振動是指由外界持續(xù)激勵振動力引起和維持的振動。振動的頻率就是激振頻率。受迫振動產(chǎn)生的原因有：旋轉(zhuǎn)件不平衡產(chǎn)生的離心慣性力，往復(fù)運動件產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，機械傳動系統(tǒng)中齒輪、軸承等各運動件產(chǎn)生的周期性沖擊力，電磁、液壓、氣壓系統(tǒng)產(chǎn)生的交變力。因此，首先可以先確定其是受迫振動。磁懸浮及零件、部件都是彈性系統(tǒng)，當(dāng)受到隨時間變化的外力、位移、速度或加速度等激振的作用時，將受迫產(chǎn)生振動。工作時，

23、必然有很多激振存在，因此振動平臺的受迫振動實際是不可避免的。為了保證系統(tǒng)的正常工作，必需將它的受迫振動控制在允許的范圍內(nèi)。然而本設(shè)計的目的不是要消除它的振動量，而是要對它的振動量進行接收，并用位移傳感器進行放大，以此放大的振動量作為系統(tǒng)的信號來源來控制激光加工器，進行不停機的情況下的自動切除。3.2 磁懸浮平臺的振動方程分析設(shè)偏心質(zhì)量為m，偏心距為e，的旋轉(zhuǎn)件，以轉(zhuǎn)速為n(rpm)旋轉(zhuǎn)時，偏心質(zhì)量就以作等速圓周運動，它產(chǎn)生的離心慣性力為。在水平方向的分量所激起的受迫振動為 （3.1）式中 （3.2）將式（3.2）以無量綱形式給成如下圖5：分析后，可以看出減小這種振動的措施有：（1）減小偏心質(zhì)量

24、m和偏心距e：振幅a與m及e成正比，減小m及e使不平衡離心慣性力減小，在其它條件不變的情況下，振幅將成比例地減小。減小m、e的方法是對旋轉(zhuǎn)件進行平衡或提高其加工和裝配精度。（2）改變頻率比：當(dāng)時，即；轉(zhuǎn)速很低時，不平衡離心慣性力很小，因而振動很小。當(dāng)時，即旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速接近其固有頻率時，發(fā)生共振，振幅a將大幅度地增加，這個轉(zhuǎn)速稱為臨時轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)件應(yīng)避免在其臨界轉(zhuǎn)速附近工作。當(dāng)時，即轉(zhuǎn)速很高時，振幅接近于，這進一步說明了減小me的意義。（2）增加系統(tǒng)的阻尼比：顯然，增加系統(tǒng)的阻尼比可降低振幅，特別是可有效地降低共振區(qū)的振幅。將式（2）對求導(dǎo)并令其為0，即，可求得振幅最大進的頻率比為 （3.3）（3

25、）將（3.2）代入（3.3）后得最大振幅為 （3.4）由于，可忽略不計，可見，與成反比，因此，增加系統(tǒng)的阻尼，可有效地降低共振區(qū)的振幅5。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾力作用力時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為6： （3.5）這就是說，系統(tǒng)受迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是簡諧振動，而且只要有激振力存在，這一振動就不會被阻尼衰減掉。從上式中看出受迫振動的頻率與干擾力的頻率一致。受迫振動振幅的大小在工程實際問題中具有重要意義。若振幅超過允許值，機器零件會產(chǎn)生過大的交變應(yīng)力導(dǎo)致疲勞破壞，這也是機械中通常出現(xiàn)的重要的故障之一，因此，有必要搞清楚影響振幅的各種因素。（1）初始條件的影響自由振動的振幅與初始條件有關(guān)，而受迫振動的振幅與初始條件無關(guān)

26、。 （2）激振力幅的影響受迫振動的振幅b與靜變位成正比，所以振幅b與激振力幅成線性關(guān)系，越大，則b越大。（3）激振力頻率與系統(tǒng)固有頻率的影響為了說明及對振幅b的影響，我們以振幅比為縱坐標(biāo)，以頻率比為橫坐標(biāo)，以阻尼比為參變量，繪出幅頻特性曲線，它說明了系統(tǒng)的位移對頻率的響應(yīng)特性。 （3.6）幅頻特性曲線如下：為振幅的放大因子，從上式中可以看出：當(dāng)=0，或時，則或。即此時的振幅相當(dāng)于把激振力幅當(dāng)作靜載荷加于系統(tǒng)上而獲得。這說明激振力變化緩慢，動力影響不大。當(dāng)增大時，b也隨之增大，特別當(dāng)，或時，振幅b急劇增加，并達到最大值，這種現(xiàn)象稱之為“共振”。7在共振區(qū)附近。0.751.25.振幅的大小主要取決

27、于阻尼的大小，阻尼越小，共振就表現(xiàn)越激烈，振幅越大。當(dāng)繼續(xù)增大使后，振幅迅速下降。當(dāng)時，故不再振動。 當(dāng)時，即系統(tǒng)振動的振幅小于靜變位，這是隔振設(shè)計的理論基礎(chǔ)。由圖可見，阻尼的增大可以有效地降低共振時的振幅。當(dāng)阻尼為零時，。當(dāng)時，。由圖還可看出，阻尼僅在共振區(qū)域附近對降低共振振幅的作用大，在共振區(qū)以外，阻尼對降低振幅的作用卻很小。此外，阻尼增大 不僅使共振振幅降低，而且使最高的振幅位置向左移動。最大振幅不在處，而是在小于1的位置。設(shè)電機質(zhì)量為m，轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量為m，偏心矩為e，不計梁的質(zhì)量。電機以角速度w勻速轉(zhuǎn)動，以電機的平衡位置為坐標(biāo)原點，坐標(biāo)軸x向上為正，電機的坐標(biāo)位置用x表示，其加速度為

28、，而偏心的加速度為。由動靜法，寫出平衡方程： - -c-(- )- ()=0 （3.7） 得 （3.8）顯然，偏心質(zhì)量的離心慣性力在鉛垂方向的投影相當(dāng)于作用在系統(tǒng)上的激振力。式子兩面邊除m，寫成下式： （3.9）可得出穩(wěn)態(tài)強迫振動方程為： （3.10） （3.11） （3.12） 可看出，振幅b與偏心質(zhì)量矩me成正比8。所以要減少轉(zhuǎn)動部分的偏心，因此要校核其不平衡狀態(tài)，以免發(fā)生故障。 3.3 單自由度磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡介單自由度磁懸浮系統(tǒng)由兩大部分組成：控制部分，包括pid控制電路、信號調(diào)理電路和傳感受器；執(zhí)行部分，包括功率放大器、電磁鐵、銜鐵等9。裝置如圖所示：由圖3.3上可以看出，由于電流

29、的大小的不同，通過電磁鐵所產(chǎn)生的電磁力不同，總的電磁力之差就為所受的總力。該力作用在電磁轉(zhuǎn)子上的力就有偏差，即使轉(zhuǎn)子發(fā)生上下或是左右的振動。這種振動偏差由位移傳感器所接收，通過反饋環(huán)節(jié)將此偏差進行放大，并進一步將此作為信號源輸出到控制系統(tǒng)，作為激光器加工的信號，以此進行自動切除加工。其工作過程為：銜鐵被限制只能沿y軸方向運動，電渦流傳感器將銜鐵的位置信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，該信號通過調(diào)理電路經(jīng)過合適的放大后，輸入到pid控制電路，該控制電壓又經(jīng)功率放大后，轉(zhuǎn)化為兩電磁鐵中的電流大小i1, i2，本系統(tǒng)采用差動控制的方式10，即i1=i+i ,i2=i-i,從而使磁浮力產(chǎn)生變化，最終來調(diào)節(jié)銜鐵的位置

30、并使其在一平衡點達到平衡。銜鐵在某一平衡位置時，如上圖所示坐標(biāo)為。在忽略電磁鐵的鐵心磁阻、漏磁、渦流損耗以及電磁鐵的剩磁等因素下，只考慮均勻氣隙磁通，則當(dāng)銜鐵位置處于圖中時，銜鐵上下氣隙磁感應(yīng)強度為： （3.13） （3.14）式中為銜鐵在上下磁場中的磁感應(yīng)強度；為平衡位置坐標(biāo)；n為線圈數(shù)；為上下電磁鐵中流過的電流大小；為空氣磁導(dǎo)率15。 由電磁力公式得到銜鐵所受力為： （3.15）考慮到電磁鐵的電氣性能在實際中采用ccs控制方案，即電流之和為常數(shù)，；忽略單自由度磁懸浮系統(tǒng)的電器性能特性，功率放大器可以近視地認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)，又根據(jù)牛頓第二定律，并綜合以上式子得 （3.16）式中m為銜鐵的質(zhì)量，

31、可得，單自由度磁懸浮系統(tǒng)在忽略了許多因素后，依然還是一個本質(zhì)非線性系統(tǒng)11。3.4 磁懸浮工作平臺的結(jié)構(gòu)隨著對加工和測量裝備精度要求的不斷提高，有關(guān)超精密運動控制、長行程的研究引起人們越來越多的興趣。就已有的研究表明，影響超精密運動控制、長行程精度的最主要因素是磨擦力非線性。而磁懸浮正是一種實現(xiàn)超精密運動控制、長行程的較為理想的方式。由于只能使用電磁鐵的吸引力，因此在工作臺的上方必須有電磁鐵以平衡重力。故磁懸浮工作臺的關(guān)鍵技術(shù)之一是電磁鐵的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。一方面，在一定的程度上這會影響工作臺臺面上工件的安放情況，這一問題只能通過將電磁鐵的尺寸設(shè)計得小些而得到解決；另一方面，電磁鐵會有明顯的靜態(tài)功耗

32、，也就是它本身的自我損耗，由此而產(chǎn)生的熱量對精密系統(tǒng)的指標(biāo)通常會造成嚴(yán)重影響。要降低靜態(tài)功耗，則設(shè)計又需要將電磁鐵及其繞組的尺寸盡量大些。這兩個相互矛盾的要求是磁懸浮工作臺設(shè)計的主要問題之一。針對這個問題，吉林工學(xué)院的呂思義、劉忠明等人設(shè)計研究了磁懸浮水平振動工作臺，對影響振動臺性能的主要因素進行了優(yōu)化設(shè)計，提出了磁極工作氣隙的設(shè)計原則，闡述了合理選擇工作氣隙是提高磁懸浮剛度和力反饋靈敏度的有效途徑。西安交通大學(xué)的毛軍紅、李黎川等人提出了采用三磁極電磁鐵的磁懸浮工作臺。此外，通過與常規(guī)的采用雙磁極電磁鐵的磁懸浮工作臺的比較顯示，采用三磁極電磁鐵的超精密磁懸浮工作臺可使靜態(tài)功耗降低50%12，且

33、具有更合理的空間結(jié)構(gòu)。工作臺的磁懸浮方式的設(shè)計大致有兩種方案：一種是采用羅侖茲力，另一種是采用電磁力。前者的特點是可以通過改變電流的方向而使羅侖茲力反向，且線性好，但功率大。后者只能產(chǎn)生吸引力，具有明顯的非線性，但功耗小?？紤]到功耗是一個重要因素（困為溫升對精度系統(tǒng)是不利的），所以采用了電磁力的這種方案。由于電磁力只能是吸引的，因此在工作臺上的上方必須有電磁鐵以平衡重力，這在一定的程度上會影響工作臺臺面上的工件的安裝，不過這一問題可以通過將電磁鐵在重力方向上的尺寸設(shè)計得盡量小些而得到緩解。順便指出，若采用永久磁鐵，則可將其固定在工作臺上底部，并由安排在工作臺下方的載流繞組產(chǎn)生羅侖茲力，以平衡工

34、作臺的重力。磁懸浮系統(tǒng)工作平臺的設(shè)計方案有兩種，分別如下：設(shè)計方案（一）和設(shè)計方案（二）的最大區(qū)別就是工件安裝表面的不同。方案（一）中的安裝表面為方形，方案（二）中的安裝表面為圓弧形。方案（一）中，當(dāng)電流產(chǎn)生變化時，或是由于其實的各種原因，使電磁力發(fā)生不均變化，從而使振動平臺發(fā)生上下的振動。而方案（二）中產(chǎn)生振動時，多為振動平臺的左右擺動。方案（二）中的動平衡精度比方案（一）明顯要高，但就其通用性而言，考慮到加工經(jīng)濟性，多采用方案（二）。通過多種方案的比較，最后選擇如圖3.5所示的結(jié)構(gòu)。兩個電磁鐵的結(jié)構(gòu)完全相同，為了盡量避免工作臺上方電磁鐵對工件安放的影響，只采用了兩個電磁鐵，但由于每個電磁鐵

35、有三個磁極和兩個獨立的繞組，因而仍可以對工作臺的其中3自由度進行控制（z軸方向上的平動和繞x軸的轉(zhuǎn)動）。工作臺的另外3自由度將由圖中所示的平面電動機控制，不涉及這一部分，只討論磁懸部分。由于采用了固定電磁鐵的方案，在工作臺移動時，其質(zhì)心位置相對于電磁鐵在不斷變化，造成系統(tǒng)動特性的變化。但這一問題并不突出，因工作臺在x和y軸上的設(shè)計行程只有mm，大致是工作臺尺寸的十分之一。建立磁懸浮工作臺的模型的基本原理及方法是基于磁路定理，首先獲得對象的非線性模型，然后在平衡位置處對非線性模型進行線性分析，近視得到一個線性模型，以此作為分析被控對象和設(shè)計控制器的基礎(chǔ)。為了簡化推導(dǎo)過程，首先定義平衡位置下的所有

36、物理量，然后直接寫出線性模型，同時給出文字的解釋以說明線性模型的正確性。在系統(tǒng)中，所謂平衡位置，是由這樣一些特征規(guī)定的，如圖：工作臺在xy平面內(nèi)處于中央位置，所有磁極極面與工作臺的距離均為g,四個線圈的電流均為，磁極1、磁極2、磁極3、磁極4對工作臺的電磁力之和與工作臺的重量平衡 。表1給出了對象的一些物理參數(shù)。表2給出了相對于平衡 位置下的物理量的變化量，由于平衡位置下關(guān)于轉(zhuǎn)動的量均為零，因此表2中與轉(zhuǎn)動有關(guān)的量就是絕對量，只有與z方向有關(guān)的量以及磁通、電流和電壓相對變化量。13 表3.1 系統(tǒng)參數(shù)的符號及數(shù)值- 真空導(dǎo)磁率， a 磁極面積，n 線圈匝數(shù)，237r 線圈直流電阻，1.6g 平

37、衡位置下的氣隙，m 工作臺的質(zhì)量，5.5kg 工作平臺繞過質(zhì)心的x軸的轉(zhuǎn)動慣量， 工作平臺繞過質(zhì)心的y軸的轉(zhuǎn)動慣量，a 見上圖，40mmb 見上圖，80mm 平衡位置下的線圈電流，0.98 平衡位置下的線圈電壓，1.57v 平衡位置下的氣隙磁通，表3.2 有關(guān)變量的符號及定義 四個磁極處的控制電磁力， 四個磁極處z方向的位移 四個磁極處的控制磁通 四個線圈的控制電流 四個線圈的控制電壓z 工作臺質(zhì)心z方向的位移 工作臺繞x軸的轉(zhuǎn)動 工作臺繞y軸的轉(zhuǎn)動 z方向的控制電壓 繞x軸方向的控制電壓 繞y軸方向的控制電壓由于兩個電磁鐵相同，先給出一個電磁鐵的模型，然后在此基礎(chǔ)上給出整個磁懸浮系統(tǒng)的模型，

38、這樣可以使敘述有層次和更簡潔。對電磁鐵1，可以列出： （3.17） （3.18） （3.19） （3.20） 注意式（3.19）、（3.20）即磁路定理以及為中央磁極處的氣隙。將式（3.19）、（3.20）中的分別代入式（3.17）、（3.18）并略去高次項，得到磁通的變化率的線性近視為 （3.21） （3.22）式中為一個慣用的常數(shù)。由于在平衡位置下中央磁極處磁通為零，因此在線性近視后這里的電磁力也為零，這樣，只需要考慮磁極1、磁極2處的力。根據(jù)在平衡位置下磁通均為，可直接寫出磁極1、磁極2處的電磁力分別為： （3.23） （3.24）由于磁通與電磁力為代數(shù)關(guān)系，可將式（3.23）、（3.2

39、4）中的、代入式（3.21）、（3.22），消去磁通，得到關(guān)于力的微分方程為： （3.25） （3.26） （3.27） （3.28）至此已得到了從四個電壓到四個力的動態(tài)關(guān)系，下面將根據(jù)工作臺的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量列寫出運動方程，最后得到從電壓到位移的傳遍關(guān)系。這里需要提及的是，所采用的是電壓控制，與通常所采用的電流控制相比較，電壓控制雖然使被控對象的階數(shù)略高一些，但沒有電流控制所隱含的純微分環(huán)節(jié)，盡管實際上只是一個有限帶寬微分，但帶寬通常必須高達數(shù)千赫茲，這使得系統(tǒng)對噪聲比較敏感。 根據(jù)圖上結(jié)構(gòu)，可以寫出磁懸浮所涉及的3自由度的運動方程為 （3.29） （3.30） （3.31）對式（3.25）（

40、3.28）以及（3.29）（3.31）中的每個方程的兩端取拉氏變換，然后消除、，并采用下面的坐標(biāo)變換 （3.32） （3.33） （3.34）以及下面的輸入變換 (3.35) （3.36） (3.37) （3.38）最后經(jīng)過代入和簡化可得到三個解的傳遞函數(shù)如下： （3.39） （3.40） （3.41）注意到式（3.39）（3.41）都是開環(huán)不穩(wěn)定，由這三個傳遞函數(shù)，便可獨立地設(shè)計三個單輸入輸出的控制器14?？刂破鞯脑O(shè)計這里就不敘述了。對于式（3.39）（3.41）所示的三個被控對象，由于其結(jié)構(gòu)相同，所采用的控制器結(jié)構(gòu)也相同 。下面只給出z軸的設(shè)計，其余兩個方向的情況是參數(shù)值不同?？刂苹芈返男?/p>

41、式如圖所示，其中包含一個積分環(huán)器、一個鎮(zhèn)定控制器和一個抗飽和環(huán)節(jié)，rz為參考輸入，正常情況下一步為零。三個控制軸上的參考輸入的結(jié)合，便可以控制工作臺的部分姿態(tài)。由于被控對象為3階，積分和鎮(zhèn)定控制器共3階，因此閉環(huán)和系統(tǒng)為6階。這樣，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點恰好可以由圖中的6個參數(shù)任意配置。將表1中的參數(shù)代入到式（3.35）（3.37）可計算出三個函數(shù)均有一個右極點，分別為136.5、185.8、110.4（可見它們的不 穩(wěn)定狀態(tài)速度相當(dāng)，因而對控制是有利的）。通常情況是，將全部閉環(huán)極點配置在負(fù)實軸上，且幅值大致為4倍開環(huán)右極點的幅值時，可獲得較好的綜合性能。這樣，三個控制環(huán)的閉環(huán)極點全部配置在-21

42、20處，由此可計算出每個控制通道的6個控制參數(shù)。所提出的設(shè)計方案基于四個位置檢測和四個電磁力以驅(qū)動，與基于三點心決定一個平面的原理相比較，雖然多用了一個傳感器和功率放大器，但所涉及的3自由度上的位移信號在坐標(biāo)變換后均來自四個傳感器，從而能夠更有效地降低位移信號中的噪聲，并獲得結(jié)構(gòu)上的對聯(lián)稱。若采用傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)支撐工作臺，至少需要三層機械結(jié)構(gòu)：一層x導(dǎo)軌、一層y導(dǎo)軌和一層回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌，如果還需要求z方向上的移動以及繞x和y軸的轉(zhuǎn)動，機械結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，此外這 當(dāng)中對許多部件有更高的要求。采用磁懸殊浮支撐工作臺，系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)則大大簡化，有精度要求的部件只有工作臺底部的平面度和表面粗糙度。值得一提的

43、是， 將鎮(zhèn)定器安排在反饋通道上，使得參考輸入不通過該控制器，其目的是為了減少階越輸入時的超調(diào)，另一方面，由于誤差信號通過積分器，因此穩(wěn)態(tài)誤差為零。整個控制器和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖，在工作臺的底部，且恰好在四個磁極的下方安裝了四個相同 的電容傳感器，由此可以測得式（3.32）（3.34）右端的四個位移量并經(jīng)變換得到三個控制器輸入?？刂破鬏敵鼋?jīng)式（3.35）（3.38）變換后給出四個被控對象。采用同期為100， 積分器和鎮(zhèn)定控制器都按這一采用周期離散化，然后用c語言編寫相應(yīng)的控制程序，實時運行于dos平臺。實驗系統(tǒng)在加電后并啟動控制程序后，工作臺被懸浮在平衡位置。由于平面電動機尚未安裝運行，且由于系統(tǒng)不

44、能絕對水平地安裝，工作臺懸浮后向某一方向“流動”以至碰到限位擋塊。為解決這一問題，在工作臺的工件上安放表面固定了兩片永久磁鐵，同時在這兩片永久磁鐵的正上方約3mm處，以相吸引的極性固定了另外兩面片永久磁鐵。這樣，工作臺懸浮后使可以停留在中間的某個位置。注意這些永久磁鐵只非常略微地改變了工作臺的動態(tài)特性，完全可以忽略。為了觀察閉環(huán)系統(tǒng)的性能以及三個控制軸之間的解耦情況，分別對三個控制環(huán)施加5hz的方波輸入。z軸的參考輸入在0和10之間變動，軸的參考輸入分別在0和10之間以及0和10之間變化15?？紤]到以毫弧度為單位的旋轉(zhuǎn)量不如以微米為 單位的位移量更為人們所熟悉，且為了使于三個控制軸之間的比較，

45、在觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)時，不直接給出這兩個輸出主變量，而是按下式定義的兩個與成比例的變量 (3.42) (3.43)注意這兩個變量為旋轉(zhuǎn)時磁極處的對應(yīng)位移量。由于當(dāng)工作臺處于平衡位置時原理 上就不存在耦合，因此在施加參考輸入時，通過調(diào)整永久磁鐵的位置，將工作臺分別在x和y的正方向上移動了5mm。在工作臺被懸浮且xy平面中的暫態(tài)過程（由永久磁鐵引起）消失后，施加參考輸入，同時采集數(shù)據(jù)。得出結(jié)論，除y軸阻尼不足之外，三個控制環(huán)有預(yù)期的閉環(huán)境動態(tài)響應(yīng)特性以及良好的解耦效果。關(guān)于y軸阻尼不足的問題，尚未進一步探討。最后值得一提的是，雖然所用的位移傳感器其方均根噪聲只不過2nm，但閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時z中草

46、藥方均根噪聲卻高達26.8nm。這一現(xiàn)象在一定的程度上是由于電氣和機械干擾的原因，是否還與其它因素有關(guān)，還需進一步研究。4 利用磁懸浮動平衡實驗系統(tǒng)的分析以磁懸浮球系統(tǒng)為對象來研究懸浮控制器的設(shè)計，假設(shè)在（0，i0）附近的小范圍線性化模型為16 （4.1） （4.2）這里，m是鋼球質(zhì)量，fz為干擾力，l為電磁鐵電感，u為電磁鐵線圈電壓，i為電磁鐵電流，fy0為電磁力在平衡位置對位移的偏導(dǎo)數(shù)，fi0為電磁力在平衡位置對電流的偏導(dǎo)數(shù)，ly0為l在平衡位置對位移的偏導(dǎo)數(shù)，r為線圈電阻。磁懸浮球系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示 17。 由上易知系統(tǒng)為三階不穩(wěn)定系統(tǒng)，必須引入校正裝置。經(jīng)過二階超前校正原系統(tǒng)由

47、不穩(wěn)定系統(tǒng)成為具有較好頻率特性和動態(tài)特性的穩(wěn)定系統(tǒng)，但是由于系統(tǒng)是由非線性系統(tǒng)在平衡點線性化得到的模型，對于在非平衡位置的系統(tǒng)參數(shù)變化，系統(tǒng)不能自適應(yīng)，在系統(tǒng)受到較大的干擾，如：電壓的突變、電磁干擾或者受到機械振動時容易失去平衡。而且由于系統(tǒng)為零型系統(tǒng)，存在穩(wěn)態(tài)誤差。為了解決磁懸浮系統(tǒng)中客觀存在的各式各樣的不確定性，設(shè)計適當(dāng)?shù)目刂谱饔茫沟孟到y(tǒng)的性能指標(biāo)（穩(wěn)定裕度）達到并保持最優(yōu)或近似最優(yōu)（使系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)懸浮穩(wěn)定），我們進行了磁懸浮球自應(yīng)控制系統(tǒng)實驗磁懸浮自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示18。磁懸浮自適應(yīng)控制是在磁懸浮球裝置上實現(xiàn)的。它的原理框圖主要是結(jié)合了自適應(yīng)控制原理框圖和自校正控制系

48、統(tǒng)原理框圖，如圖所示18。 其自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要是用來調(diào)節(jié)振動時的慣性力的。故加上自適應(yīng)系統(tǒng)，也就是在這種情況下，能夠自動調(diào)節(jié)，使這種振動成為穩(wěn)定形式。在一種穩(wěn)定的振動下，保持了系統(tǒng)信號源的形式的穩(wěn)定性。在原理框圖中參數(shù)估計和控制器設(shè)計必須在線實現(xiàn)，因此參數(shù)估計必須采用遞推算法，控制器設(shè)計采用盡量簡單的設(shè)計方法：極點配置法。極點配置的主要思想是尋求一個反饋控制律，使得閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點處于希望的位置。系統(tǒng)在運行過程中，根據(jù)參考輸入電壓、控制輸入電壓、對象（球）輸出電壓和已知外部干擾來測量對象性能（穩(wěn)定裕度）指標(biāo)，并與給定的性能指標(biāo)進行比較，做出決策（是否改變系統(tǒng)的校正參數(shù)），然后通過適應(yīng)機構(gòu)來

49、相應(yīng)改變系統(tǒng)參數(shù)，以保證系統(tǒng)跟蹤上給定的最優(yōu)性能指標(biāo)，使系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài) 19。由于原系統(tǒng)對應(yīng)校正網(wǎng)絡(luò)可以使系統(tǒng)很大范圍穩(wěn)定，當(dāng)采樣信號進入自適應(yīng)調(diào)整回路后，驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)作用，直接改變控制器的參數(shù)，從而使系統(tǒng)的輸出逐步與模型輸出接近，直到接近相等后，自適應(yīng)調(diào)整過程就自動結(jié)束。因此使用自適應(yīng)控制系統(tǒng)后整個磁懸浮系統(tǒng)能夠有更大的穩(wěn)定范圍。通俗而言即：對于不同質(zhì)量的球被懸浮時所受的電磁力不盡相同，它與球的質(zhì)量和電路中的電流有關(guān)。球質(zhì)量的變化可能會破壞平衡，因此必須改變電路中的一些器件的參數(shù)變化24。系統(tǒng)中任意質(zhì)量的球都有其對應(yīng)的各自平衡點，當(dāng)其有很好的剛度和穩(wěn)定性時，即使有些

50、干擾仍能穩(wěn)定于平衡點，那么，質(zhì)量相差稍大的球也會存在公共的穩(wěn)定域，通過適應(yīng)機構(gòu)選擇控制器參數(shù)設(shè)計進行反饋控制，從而使系統(tǒng)可以處于更大范圍漸近穩(wěn)定，也可以看成一系列平衡點構(gòu)成連續(xù)平衡。5 總結(jié)與展望本設(shè)計在分析了磁懸浮技術(shù)的原理和特點的基礎(chǔ)上，論述了磁懸浮技術(shù)在提高動平衡加工精度方面的運用。在不停機的情況下，采用激光加工器對不平衡質(zhì)量進行自動切除，使轉(zhuǎn)子由不平衡再到平衡。與傳統(tǒng)上的在停機的情況下對不平衡質(zhì)量進行切除相比，不僅提高了動平衡的加工精度，而且提高了系統(tǒng)的效率。采用磁懸浮技術(shù)，使振動平臺相對工作平臺懸浮起來，實現(xiàn)無接觸、無磨損，這就大大減小了系統(tǒng)運作過程中摩擦力，提高了機械效率。工作平臺

51、的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3.5所示。轉(zhuǎn)子安裝在振動平臺內(nèi)，由轉(zhuǎn)子來實現(xiàn)振動平臺的運行，并且由自適應(yīng)裝置來調(diào)節(jié)振動中產(chǎn)生的慣性力。工作平臺上的工件安裝表面為圓弧形，振動平臺的振動形式為左右式振動。這種振動形式較之上下式的振動形式更為靈敏，工作平臺安裝表面與振動平臺之間的配合間隙量瞬時變化也就越明顯，使得傳感器對這種間隙變化的接收更加敏感，通過控制回路加以處理，最后作為激光加工器的輸入量。這就大大提高了整個系統(tǒng)的精確性與靈敏性，達到了預(yù)期的設(shè)計愿望。隨著電子元件的集成化以及控制理論和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展，國內(nèi)外對磁懸浮技術(shù)的研究均取得了很大的進展25。但不論是在理論上，還是在產(chǎn)品化的過程中，此技術(shù)都還存在很多的

52、難題。生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進了磁懸浮技術(shù)研究的不 斷深入，同時，磁懸浮技術(shù)的發(fā)展又不斷解決了工程應(yīng)用中的許多疑難雜癥。磁懸浮技術(shù)由于無接觸、無摩損、無需用潤滑和密封等優(yōu)點，使其在許多工程領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，必將具有更為美好的發(fā)展前景。結(jié)束語本次設(shè)計的課題是利用磁懸浮的運動副摩擦力小，外界干擾少，在動不平衡質(zhì)量影響下的工作臺位移引起磁懸浮間隙變化，導(dǎo)致磁通量變化直接作為不停機自動切除激光能量控制信號，高精度地對現(xiàn)代高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子及機械進行動不平衡質(zhì)量切除 。是在修完所有大學(xué)課程之后進行的一次綜合性設(shè)計，也是對以前所學(xué)知識的一次全面檢查。在這次畢業(yè)設(shè)計過程中，我充分利用了所學(xué)知識，查閱了大量參考書目，盡量將自己所學(xué)知識結(jié)合起來。進一步明析了磁懸浮的振動特性、動平衡的原理；完成了磁懸浮的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究、工作平臺的設(shè)計；懂得了如何來分析振動系統(tǒng)、如何來設(shè)計工作平臺，以及如何正確處理和測量實驗數(shù)據(jù)，合理計算所得結(jié)果，正確組織實驗過程，合理設(shè)計系統(tǒng)方案，以便在最佳經(jīng)濟條件下，得到最終結(jié)果。在設(shè)計過程中遇到許多問題，