砂輪不平衡振動(dòng)主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)研究

喬曉利　祝長生

摘要：砂輪不平衡振動(dòng)會(huì)影響工件表面的質(zhì)量，降低砂輪的耐用度。為了降低由砂輪不平衡振動(dòng)造成的危害，作者提出了一種內(nèi)置力執(zhí)行器的砂輪不平衡振動(dòng)主動(dòng)控制方案，并在前期進(jìn)行了理論分析與研究。在此基礎(chǔ)上，對內(nèi)置力執(zhí)行器電機(jī)的繞組參數(shù)及柔性電主軸一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；并借助DSP2812建立了砂輪不平衡振動(dòng)主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺。在此平臺上，對不同轉(zhuǎn)速下砂輪的不平衡振動(dòng)進(jìn)行了主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)研究，證明了該主動(dòng)控制方案在控制砂輪端不平衡振動(dòng)方面的可行性，為進(jìn)一步的應(yīng)用研究提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)控制；砂輪；不平衡振動(dòng)；力執(zhí)行器

中圖分類號：TB535；0347.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-4523（2017）01-0055-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2017.01.008

引言

高速磨削技術(shù)與普通磨削相比具有不可替代的優(yōu)勢：可以使磨削效率大幅度提高，使磨削力降低，也可明顯提高零件的加工精度，并且是實(shí)現(xiàn)磨削自動(dòng)化的前提基礎(chǔ)。但磨削過程中砂輪的不平衡振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響工件表面的加工質(zhì)量、降低砂輪的耐用度、縮短磨床的使用壽命，重則可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，對操作工人的人身安全造成不可估量的威脅。為此，對砂輪及其主軸系統(tǒng)的動(dòng)平衡技術(shù)，以及電主軸一砂輪系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及不平衡振動(dòng)控制技術(shù)的研究越來越受到人們的重視。

關(guān)于電主軸一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)控制技術(shù)的研究，國內(nèi)外已有很多?？偟膩碚f用于抑制或控制電主軸一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡振動(dòng)的執(zhí)行器主要有：電磁型、阻尼型、壓電型、擠壓油膜型、磁變流型等。上述這些用于抑制或者控制不平衡振動(dòng)的執(zhí)行器裝置在某種特定條件下，也有一定的控制效果，但它們存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)即這些執(zhí)行器裝置必須單獨(dú)安裝，這勢必會(huì)改變電主軸一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而改變該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，尤其是柔性轉(zhuǎn)子；另外，這些裝置不僅體積大、不易控制，且在高速工作時(shí)，電主軸可能由剛性變?yōu)槿嵝?，平衡條件的變化可能會(huì)導(dǎo)致不平衡振動(dòng)控制的失敗。為彌補(bǔ)以上不足，本文在無軸承感應(yīng)電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種具有內(nèi)置力執(zhí)行器的高速砂輪不平衡振動(dòng)的主動(dòng)控制方案，該方案在前期已做了理論分析和研究，但由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為此，本文在前期理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了內(nèi)置力執(zhí)行器感應(yīng)電機(jī)的繞組參數(shù)及柔性電主軸一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并借助DSP2812搭建了砂輪不平衡振動(dòng)主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺，在此平臺上對該主動(dòng)控制方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該主動(dòng)控制方案具有一定的可行性。

1.內(nèi)置力執(zhí)行器感應(yīng)型電主軸的結(jié)構(gòu)

及工作原理

圖1為一臺在靜止兩相坐標(biāo)系中描述的內(nèi)置力執(zhí)行器感應(yīng)型電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)簡化圖及電機(jī)內(nèi)部z方向徑向電磁力產(chǎn)生的原理。假設(shè)在定子上除了設(shè)置關(guān)于z軸對稱的4極轉(zhuǎn)矩繞組N_4A，N_4B，N_4C。外，還內(nèi)置了6極控制繞組N_6a，N_6b，N_6b。當(dāng)控制繞組N_6A，N_6b，N_6c中沒有通人電流時(shí)，轉(zhuǎn)矩繞組N_4A中的交流電產(chǎn)生的4極均勻?qū)ΨQ磁場如圖1（b）中4個(gè)實(shí)線圓圈所示。圖中區(qū)域1和區(qū)域2處的氣隙磁通密度相等，電主軸上合力為零。當(dāng)在控制繞組N6a上通入如圖1（b）所示方向的電流時(shí)，N_6A繞組產(chǎn)生的6極磁場（圖中虛線圓圈所示）與原有的4極磁場疊加，使得區(qū)域1處的氣隙磁通密度增加，區(qū)域2處的氣隙磁通密度減少，這樣不平衡的氣隙磁通密度便會(huì)在電主軸上產(chǎn)生出沿z軸正方向的磁拉力F_x相反，如果在N_6A繞組上通人反方向電流，合成的氣隙磁場將產(chǎn)生沿z軸負(fù)方向的磁拉力。這樣，只要控制控制繞組中的電流大小和方向就可以在電主軸轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生任意方向大小可變的控制力，用以對砂輪的不平衡振動(dòng)進(jìn)行控制。

2.內(nèi)置力執(zhí)行器感應(yīng)型電機(jī)繞組參數(shù)的設(shè)計(jì)

內(nèi)置力執(zhí)行器感應(yīng)電機(jī)是在原有電機(jī)的定子內(nèi)再嵌入一套繞組，這套繞組被稱為力執(zhí)行器（控制繞組），定子內(nèi)原繞組為轉(zhuǎn)矩繞組。根據(jù)電機(jī)內(nèi)兩旋轉(zhuǎn)磁場（即轉(zhuǎn)矩繞組在三相交流電作用下產(chǎn)生的磁場和控制繞組在控制電流作用下產(chǎn)生的磁場）相互作用能產(chǎn)生最大的徑向電磁力、控制電流對電機(jī)內(nèi)部性能的影響以及電機(jī)的定子槽滿率等因素，采用ANSOFT軟件對內(nèi)置力執(zhí)行器感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的內(nèi)置力執(zhí)行器電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

3.電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由上述表1所示的內(nèi)置力執(zhí)行器電機(jī)的參數(shù)，利用ANSOFT（MAXWELL）在電機(jī)空載、轉(zhuǎn)矩電流為i_4A=8.6sin（100πt）A（最大空載電流）、1500r/min轉(zhuǎn)速前提下，控制繞組通以不同幅值大小電流的情況下，對電機(jī)內(nèi)部的產(chǎn)生的徑向電磁力了做了分析，分析結(jié)果如下圖2所示（圖中i6_max。表示控制電流的幅值）。

根據(jù)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩繞組為空載電流（i_4A=8.6sin（100π）A），控制繞組電流為最大時(shí)（i_6A=8sin（100πt）A）產(chǎn)生的最大徑向電磁力（F_max=1200N）以及預(yù)設(shè)電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)砂輪的不平衡量為5kg·m，利用電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元模型，在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行仿真，在最大徑向電磁控制力的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，參數(shù)見表2，3和4，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖3及4。

從式（1）可看出，只要在線實(shí)時(shí)監(jiān)測到轉(zhuǎn)矩繞組的定子電流，通過控制繞組的定子電流，即可控制內(nèi)置力執(zhí)行器感應(yīng)電機(jī)內(nèi)徑向電磁控制力。

實(shí)驗(yàn)過程中，電機(jī)通過變頻器驅(qū)動(dòng)。徑向電磁控制力控制過程如下：根據(jù)安裝在砂輪附近的位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測出砂輪的振動(dòng)位移信號x_s，y_s轉(zhuǎn)矩繞組定子電流i_4A，i_4B，i_4C。及控制繞組電流i_6A，i_6B，i_6c通人DsP控制器進(jìn)行參考電磁控制力的計(jì)算及控制，最后得到控制繞組所需的實(shí)際電壓U_6A，U_6B，U_6C，從而達(dá)到控制砂輪振動(dòng)的目的，控制方案如圖5所示。

5.砂輪振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺

該內(nèi)置力執(zhí)行器砂輪不平衡振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺主要包括：內(nèi)置力執(zhí)行器電主軸一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、變頻器、DsP2812控制板、功率板、Pc機(jī)、示波器、位移傳感器及其他輔助的調(diào)理板及直流電源，電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺如圖6所示，砂輪如圖7所示，內(nèi)置力執(zhí)行器電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)如圖8所示。

通過變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)（n1=1500r/rain）；渦流位移傳感器安裝在電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的砂輪的z，y方向上，位移傳感器實(shí)時(shí)檢測砂輪振動(dòng)的位移信號，通過DSP2812控制板來產(chǎn)生砂輪振動(dòng)控制的控制信號，該控制信號用來控制功率板上功率器件的通斷產(chǎn)生控制繞組所需的電壓信號，使得在控制繞組中產(chǎn)生合適的電流，從而在電機(jī)內(nèi)部磁場的相互作用下在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生合適的徑向電磁力控制力來控制砂輪的不平衡振動(dòng)。

6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

電機(jī)空載情況下，采用經(jīng)典的PID控制器對不同轉(zhuǎn)速下砂輪的不平衡振動(dòng)進(jìn)行了主動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9～14所示，圖9為電主軸轉(zhuǎn)速為n1=1500r/rain時(shí)砂輪的振動(dòng)位移，圖10為A相及B相控制電流；從圖9（a）實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，控制前振動(dòng)位移大約為100/um，控制后如圖9（b），穩(wěn)定后振動(dòng)位移為70/um，還存在大量諧波；所需控制電流如圖所示，電流幅值大約為0.25A；圖11為電主軸轉(zhuǎn)速為n1=1200r/rain時(shí)砂輪的振動(dòng)位移，圖12為A相及B相控制電流圖；從圖11（a）實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，控制前振動(dòng)位移大約為100um，控制后如圖12（b），穩(wěn)定后振動(dòng)位移為60/um，仍存在大量諧波；所需控制電流如圖12所示，電流幅值大約為0.3A，有的地方電流還要稍大點(diǎn)；圖13為電主軸轉(zhuǎn)速為n1=900r/min時(shí)砂輪的振動(dòng)位移，圖14為A相及B相控制電流圖；從圖13（a）實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，控制前振動(dòng)位移大約為80～90/um，控制后如圖13（b），穩(wěn)定后振動(dòng)位移為50um；所需控制電流如圖14（b）所示，電流幅值大約為0.22A左右；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該主動(dòng)控制方案對砂輪不平衡振動(dòng)具有一定的控制作用，但控制效果有待進(jìn)一步提高。另外，波形中還存在大量諧波，需要再研究新的控制算法在控制振動(dòng)的同時(shí)能夠抑制波形中的諧波。

7.小結(jié)

本文對內(nèi)置力執(zhí)行器電機(jī)的繞組參數(shù)及柔性電主軸一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)；并借助DSP2812建立了砂輪不平衡振動(dòng)主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺。在此平臺上，對不同轉(zhuǎn)速下砂輪的不平衡振動(dòng)進(jìn)行了主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)研究，證明了該主動(dòng)控制方案在控制砂輪端不平衡振動(dòng)方面的可行性，但相應(yīng)的控制效果仍需進(jìn)一步提高，特別是控制算法需進(jìn)一步改進(jìn)。本文的實(shí)驗(yàn)平臺和研究結(jié)果為進(jìn)一步的應(yīng)用研究奠定了一定的基礎(chǔ)。