混合式永磁型完全磁懸浮電主軸實(shí)施步驟與參數(shù)設(shè)計(jì)

江蘇省淮安技師學(xué)院 徐晶晶

1 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）圍繞低能耗、低成本、集成化高速精密電主軸性能要求，分析混合式永磁型完全磁懸浮電主軸的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理，設(shè)計(jì)徑向承載力400N與軸向承載力251N的混合式永磁型完全磁懸浮的電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)，基本機(jī)械參數(shù)和電磁參數(shù)。

（2）采用基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的參數(shù)設(shè)計(jì)理念，通過分析轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所引起的磁力線分布發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移、定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁通密度發(fā)生畸變及懸浮力減小等因素，在避免磁路飽和及滿足性能設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，修改依靠靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)的參數(shù)，使參數(shù)設(shè)計(jì)更加精確且接近轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)行情況。

（3）根據(jù)混合式永磁型完全磁懸浮電主軸的各種熱源及其發(fā)熱量，建立基于熱-結(jié)構(gòu)耦合的有限元分析模型。

（4）采用有限元ANSYS軟件，分析混合式永磁型完全磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子靜態(tài)懸浮和轉(zhuǎn)動情況下電磁場的非線性、漏磁、磁耦合、邊緣效應(yīng)和渦流等因素，分析磁場的分布規(guī)律和變化規(guī)律。

（5）采用Matlab軟件及有限元ANSYS分析軟件，對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸電流-力-位移關(guān)系的空間分布規(guī)律和懸浮轉(zhuǎn)子的模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合混合式永磁型完全磁懸浮電主軸電磁場、溫度場及其熱變形分析結(jié)果，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，進(jìn)一步對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸進(jìn)行多參數(shù)協(xié)同仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和自抗擾非線性解耦控制研究

（1）混合式永磁型完全磁懸浮電主軸的徑向偏置磁通按矩形規(guī)律變化，基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和懸浮力產(chǎn)生機(jī)理，考慮轉(zhuǎn)子偏心，基于磁路分析，然后采用積分法建立混合式永磁型完全磁懸浮電主軸懸浮力完整的數(shù)學(xué)模型。

（2）基于上述建立的基本模型，分析懸浮力特性，采用樣機(jī)動、靜態(tài)試驗(yàn)和NSYS有限元分析，研究基本模型隨磁飽和、轉(zhuǎn)子偏心位移、電流、轉(zhuǎn)速及溫升的變化關(guān)系，獲取修正模型的約束條件和數(shù)據(jù)樣本。

（3）根據(jù)機(jī)理建模、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真分析，建立樣本數(shù)據(jù)庫，采用多項(xiàng)式擬合的方法，獲取相關(guān)工作狀態(tài)下精確的懸浮力數(shù)學(xué)模型。

（4）對懸浮轉(zhuǎn)子進(jìn)行力學(xué)分析，在建立運(yùn)動方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)方程。以懸浮轉(zhuǎn)子五自由度位移作為輸出變量，以徑向和軸向懸浮繞組電流作為輸入變量，構(gòu)建混合式永磁型完全磁懸浮電主軸系統(tǒng)狀態(tài)方程。

（5）研究分析自抗擾控制理論對電主軸解耦控制實(shí)現(xiàn)方法，將不同自由度之間的耦合作用作為外擾力處理，設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）對耦合作用實(shí)時估計(jì)及補(bǔ)償。

（6）分析電主軸特性及其所含總和不確定擾動的頻域作用范圍，設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）基本結(jié)構(gòu)（確定使ESO滿足穩(wěn)定性條件的參數(shù)、ESO擾動觀測帶寬），采用極點(diǎn)配置法對ESO參數(shù)進(jìn)行整定，針對對象輸出信號所含噪聲情況，對ESO輸出信號進(jìn)行修正。

（7）根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變量跟蹤參考輸入的狀態(tài)誤差及擾動估計(jì)量的補(bǔ)償分量，推導(dǎo)非線性狀態(tài)誤差反饋控制律，使完全磁懸浮電主軸解耦成5輸入和5輸出的無耦合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)混合式永磁型完全磁懸浮電主軸位移之間非線性動態(tài)解耦控制。

3 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸無位移傳感器軟測量預(yù)測模型研究

提出利用連續(xù)隱馬爾可夫模型所具有的對狀態(tài)轉(zhuǎn)移和時間序列的雙重映射特性，強(qiáng)大的時序模式分類能力以及善于分析非平穩(wěn)、重復(fù)再現(xiàn)性不佳信號的特性，建立混合式永磁型完全磁懸浮電主軸位移與懸浮繞組電流之間的非線性預(yù)測模型，具體過程如下：

（1）根據(jù)混合式永磁型完全磁懸浮電主軸非線性模型仿真計(jì)算，以及具有位移傳感器檢測時電流和位移的典型測量數(shù)據(jù)，建立混合式永磁型完全磁懸浮電主軸懸浮繞組電流與位移信號之間關(guān)系的樣本數(shù)據(jù)庫。

（2）根據(jù)動、靜態(tài)樣本數(shù)據(jù)，選擇和提取特征值，構(gòu)造學(xué)習(xí)樣本，并將樣本分為訓(xùn)練集和測試集，選用自回歸-連續(xù)隱馬爾可夫模型在訓(xùn)練集中建立CHMM模型庫。

（3）采用K均值分割算法（Segmental K-Means,SKM）訓(xùn)練優(yōu)化連續(xù)隱馬爾可夫模型參數(shù)。

（4）輸入測試集樣本，用Viterbi算法計(jì)算每個連續(xù)隱馬爾可夫模型CHMM子模型的輸出概率，概率值最大者所對應(yīng)的CHMM即判別為一個有效模型，利用該CHMM預(yù)測估計(jì)轉(zhuǎn)子位移，實(shí)現(xiàn)混合式永磁型完全磁懸浮電主軸無位移傳感器自檢測控制。

4 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子振動抑制控制研究

（1）分析轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲變形及位移傳感器檢測誤差等因素產(chǎn)生轉(zhuǎn)子振動機(jī)理；建立主軸系統(tǒng)統(tǒng)一動力學(xué)模型，分析參數(shù)變化時，對轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生的影響，初步揭示轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生和形成的規(guī)律。

（2）建立基于虛擬儀器軟件Labview的轉(zhuǎn)子振動信號實(shí)時檢測系統(tǒng)，并采用小波能譜熵法對轉(zhuǎn)子振動信號進(jìn)行特性分析，得出不同原因產(chǎn)生振動信號的特性。利用正交小波基將信號分解至一系列二進(jìn)劃分的尺度空間，得到信號的離散頻域分量，計(jì)算每個頻域分量的能譜所占總能譜的比重，根據(jù)不同因素產(chǎn)生轉(zhuǎn)子振動信號有不同能譜比重，結(jié)合理論分析結(jié)果，形成轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生特性和規(guī)律。

（3）構(gòu)建抑制轉(zhuǎn)子振動的模糊自適應(yīng)控制策略。首先根據(jù)轉(zhuǎn)子振動特性初步確定糊自適應(yīng)濾波器的初始規(guī)則，根據(jù)初始規(guī)則構(gòu)造單值模糊化、高斯型隸屬度函數(shù)、乘積推理法和重心法解模糊判決的模糊邏輯系統(tǒng)，并采用基于最小二乘算法對模糊自適應(yīng)濾波器的參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。然后針對不同因素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子振動的特性進(jìn)行研究，分析輸入位移與輸出位移誤差之間的系統(tǒng)響應(yīng)特性，建立位移誤差通道傳遞函數(shù)。模糊邏輯系統(tǒng)根據(jù)位移誤差信號和參考信號推理出需要補(bǔ)償?shù)恼`差信號，得到的補(bǔ)償信號通過位移誤差通道傳遞函數(shù)向系統(tǒng)中補(bǔ)償抑制轉(zhuǎn)子振動的控制信號。

（4）建立電主軸柔性轉(zhuǎn)子機(jī)械動力學(xué)方程，求取各階臨界轉(zhuǎn)速，研究在臨界轉(zhuǎn)速附近時轉(zhuǎn)子模糊自適應(yīng)振動抑制效果，調(diào)整模糊規(guī)則。

（5）研究從基于連續(xù)隱馬爾可夫模型軟測量方法中提取轉(zhuǎn)子振動信號的方法，并結(jié)合模糊自適應(yīng)振動抑制控制，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整模糊規(guī)則和自適應(yīng)律參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于軟測量的轉(zhuǎn)子高速精密控制。

5 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸高速數(shù)字化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

（1）鑒于混合式永磁型完全磁懸浮電主軸控制系統(tǒng)對處理器的實(shí)時速度要求極高，設(shè)計(jì)集樣機(jī)本體、DSP控制單元、多片復(fù)雜可編程邏輯器件FPGA、功率變換器、傳感器檢測單元、保護(hù)單元和相關(guān)輔助電路等為一體的高速可靠的系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)平臺。

（2）為提高數(shù)字控制系統(tǒng)速度和可靠性，采用超高速集成電路硬件描述語言VHDL，開發(fā)無傳感器軟測量程序和轉(zhuǎn)子振動抑制等程序模塊，由專用FPGA完成。針對控制中邏輯關(guān)系復(fù)雜，占用處理器較多輸入輸出接口，而且在控制系統(tǒng)中還需實(shí)現(xiàn)信號的鎖存和延時功能，占用過多的系統(tǒng)時間的不足，分析細(xì)化控制系統(tǒng)中的算法及邏輯關(guān)系，采用FPGA實(shí)現(xiàn)部分邏輯功能。

（3）按模塊化設(shè)計(jì)方法，采用C語言和匯編語言綜合開發(fā)混合式永磁型完全磁懸浮電主軸控制軟件，研制界面友好、調(diào)試靈活的開放式數(shù)字控制系統(tǒng)軟件平臺。用設(shè)計(jì)的功率2kW，最高轉(zhuǎn)速80 000r/min，徑向承載力400N，軸向承載力250N的混合式永磁型完全磁懸浮電主軸試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)。

（4）以MKQ8312-RL500新型凸輪軸磨床為對象，對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸進(jìn)行典型負(fù)載實(shí)驗(yàn)，研究起動、制動及高速停車試驗(yàn)，研究負(fù)載時的振動控制實(shí)驗(yàn)，負(fù)載對電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮性能的影響，進(jìn)一步優(yōu)化控制算法和有關(guān)參數(shù)。

6 研究方法流程

本項(xiàng)目圍繞混合式永磁型完全磁懸浮電主軸關(guān)鍵科學(xué)問題開展理論和試驗(yàn)研究，根據(jù)項(xiàng)目研究內(nèi)容制定了詳細(xì)技術(shù)路線，研究技術(shù)路線在混合式永磁型完全磁懸浮電主軸結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型和自抗擾非線性解耦控制、無位移傳感器軟測量預(yù)測模型研究、轉(zhuǎn)子振動抑制控制研究和高速數(shù)字化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及控制。

7 實(shí)驗(yàn)手段與方法

（1）在完成軸向單自由度混合磁軸承和徑向四自由度混合式永磁型無軸承電機(jī)靜態(tài)電磁場及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的動態(tài)電磁場、溫度場、轉(zhuǎn)子模態(tài)及電流-力-位移特性分析的基礎(chǔ)上，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，完成混合式永磁型完全磁懸浮電主軸實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成混合式永磁型完全磁懸浮電主軸樣機(jī)結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)流程和優(yōu)化方法。

（2）對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸進(jìn)行靜態(tài)懸浮實(shí)驗(yàn)和測試，調(diào)整各懸浮控制繞組中的電流、轉(zhuǎn)子偏心位移等，測量和計(jì)算出基本的樣本數(shù)據(jù)和模型中相關(guān)參數(shù)。

（3）采用電渦流位移傳感器檢測位移，基于傳統(tǒng)分散控制策略對樣機(jī)進(jìn)行空載和典型負(fù)載動態(tài)實(shí)驗(yàn)，通過對轉(zhuǎn)子徑向和軸向施加外力（不同方向和不同大小），分別測量和記錄五個自由度的懸浮力與電流、轉(zhuǎn)速及徑向受力的關(guān)系曲線。

（4）根據(jù)靜態(tài)和動態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Matlab和ANSYS軟件進(jìn)行分析和擬合，得到不同運(yùn)行情況下修正模型的約束條件和數(shù)據(jù)樣本，建立樣本數(shù)據(jù)庫，作為獲取懸浮力精確模型和采用連續(xù)隱馬爾可夫模型軟測量建立位移預(yù)測模型的訓(xùn)練樣本庫。

（5）采用Matlab及dSPACE仿真平臺，對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸自抗擾解耦控制系統(tǒng)、連續(xù)隱馬爾可夫位移預(yù)測模型和模糊自適應(yīng)振動抑制控制算法進(jìn)行仿真、驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。