CN102632256B - 一种气体磁轴承电主轴及其控制*** - Google Patents

一种气体磁轴承电主轴及其控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体磁轴承电主轴及其控制***。气体磁轴承电主轴的结构包括径向-轴向辅助轴承、径向位移传感器、径向位移传感器支架、径向混合磁轴承、限位套筒、高速电机、钢筒、轴向止推气体轴承、径向辅助轴承、转轴、前端盖和后端盖。针对这种新型结构的主轴，提供了一种基于粗集理论方法的气体磁轴承电主轴模糊控制***，包括控制器、功率放大模块、样机本体和位移检测模块。与传统模糊控制***相比，本发明控制***引入了粗集理论的模糊控制方法，是在原有模糊控制规则基础上进行约简，能有效地除去冗余信息知识，使控制***更简单，更易于控制，主轴***的动态性能得到改善，能有效提高控制***的性能。

Description

一种气体磁轴承电主轴及其控制***
技术领域
本发明属于机械制造领域与控制技术领域，具体涉及一种气体磁轴承电主轴及针对该主轴的基于粗集理论方法的模糊控制***设计。
背景技术
随着科学技术的发展，超精密加工已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术之一，实现超精密加工的首要条件是超精密数控机床。影响超精密机床精度的核心因素是主轴的回转精度，而主轴要达到极高的回转精度，转动平稳、无振动，关键在于所用的精密主轴的结构与主轴的控制***设计。
现有的气体磁轴承主轴的磁轴承均采用主动磁轴承（例如公开号CN 101217243；公开号 CN 10127240的中国专利），相比于主动磁轴承，混合磁悬浮轴承利用永久磁铁产生的磁场，取代了主动磁悬浮轴承中电磁铁所产生的静态偏置磁场，使功率损耗大大降低，减少了电磁铁的安匝数，缩小了磁轴承体积，并且提高了磁轴承的效能。
控制***中的控制器设计方面，工程上多采用PID控制器对主轴进行控制。但该方法过分依赖控制对象的模型参数，鲁棒性较差，对于气体磁轴承电主轴这类复杂且极其精密的控制，单纯采用PID控制器，很难满足***精密控制的要求。而模糊控制利用人类专家经验，对于非线性、复杂对象的控制显示了鲁棒性好、控制性能高的优点。但是模糊控制规则是根据人的经验总结得到，通常不够完整且主观性强，且当输入、输出数目和语言变量划分等级增大时，模糊控制规则数目迅速增加，给模糊控制器的设计带来困难，还会影响模糊控制的性能。粗集理论能有效分析和处理大量经验数据，并从中发现隐含知识，揭示潜在的规律，特别适用于智能控制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种设计合理，功耗低、体积小、重量轻、加工制造方便并能提高超精密主轴回转精度、保证刚度的一种的新型气体磁轴承电主轴。并针对这种新型结构的主轴，设计一种具有基于粗集理论方法的气体磁轴承电主轴模糊控制器的控制***，使控制***更简单，更易于控制，主轴***的动态性能得到改善，能有效提高控制***的性能。
实现本发明目的的技术方案是：
一种气体磁轴承电主轴，包括径向-轴向辅助轴承、径向位移传感器、径向位移传感器支架、径向混合磁轴承、限位套筒、高速电机、钢筒、径向气体轴承、轴向止推气体轴承、径向辅助轴承、转轴、前端盖和后端盖，其中，径向-轴向辅助轴承采用角接触球轴承；径向辅助轴承采用圆柱滚子轴承；径向位移传感器采用电涡流传感器，安装在径向位移传感器支架上；径向混合磁轴承为四磁极结构磁轴承，其偏置磁通由轴向充磁的永磁体产生，控制磁通由通有直流电流的控制线圈产生；高速电机为内置变频电机；限位套筒用来固定主轴中各个零件在轴向的安装位置。
针对上述气体磁轴承电主轴，本发明的控制***采用的技术方案为：
一种气体磁轴承电主轴的控制***，由控制器、功率放大模块、样机本体和位移检测模块组成，其中，所述控制器包括基于粗集理论方法的模糊整定规则在线调整下的第一PID控制器、基于粗集理论方法的模糊整定规则在线调整下的第二PID控制器和力与电流变换；所述功率放大模块包括电流跟踪型逆变器；所述样机本体包括径向混合磁轴承和转轴前端；所述位移检测模块包括第一位移传感器、第二位移传感器和位移接口电路；所述转轴前端的径向位置通过电涡流第一位移传感器、第二位移传感器进行差动检测，检测出的位移信号通过所述位移接口电路处理，输出调制后的位移输出信号x、y，并与给定的参考位置信号x *、y *进行比较，得到的偏差e x 、e y 及其变化率de x 、de y  通过基于粗集理论方法的模糊整定规则在线调整下的第一PID控制器和模糊整定规则在线调整下的第二PID控制器处理，实时调整参数K p、K i、K d的大小，从而得到PID控制器输出力信号F xx 与F yy ，再经过力与电流变换输出三相电流参考信号i A *、i B *、i C *，最后经过滞环比较环节处理，由电流跟踪型逆变器输出三相电流i A、i B、iC驱动所述径向混合磁轴承的线圈。
在本发明中，所述的基于模糊控制的控制***采用基于粗集理论方法的模糊PID控制算法。应用粗集理论中知识表达***决策规则的简化方法简化原有模糊控制规则，得到粗集模糊控制规则。模糊控制中，经过位移接口电路调制输出的位移x、y与参考位置信号x *，y *的偏差e x ，e y 和偏差e x ，e y 的变化率de x ，de y 作为决策表中的条件属性，决定控制器输出力信号F xx 、F yy  大小的K p，K i，K d（PID控制器主要参数）作为决策属性。通过约简决策表，得到多个不同的约简, 而每一个约简又都对应一个决策规则，由此得到一系列e x ，e y ，de x ，de y 与K p，K i，K d对应的控制规则。通过对每条控制规则设定置信度和阀值, 剔除不合格的规则设置， 从而使用最少数必不可少的条件属性便能获得和原信息表完全相同的结果，有效地除去冗余信息知识。如果进一步提高控制的准确性与快速性，可以依据计算出的e x ，e y ，de x ，de y 与不同控制规则的模糊贴近度，从而提取某一规则进行控制，或者用相应的方法融合相应的控制规则。 
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、传统的超精密主轴由静压气体轴承支承或磁轴承单独支承，本发明采用静压气体轴承和磁轴承组合形式可以达到较两者单独使用时更好的效果。静压气体轴承可以弥补磁轴承承载力小的不足，磁轴承可以弥补静压气体轴承不易控制的缺点，且可以实现更高的回转精度。
2、传统的超精密电主轴的磁轴承采用主动磁轴承结构，本发明采用混合磁轴承结构，由于取消了偏置电流，减少了电磁铁的安匝数，降低了功率放大器的功耗，减少了主轴***的成本。
3、针对模糊理论的“瓶颈”—模糊控制规则的确定问题， 引入了粗集理论， 提出将二者结合起来应用于气体磁轴承电主轴控制***的设计，与传统模糊控制方法相比，本发明方法是在原有模糊控制规则基础上进行约简，能有效地除去冗余信息知识，使控制***更简单，更易于控制，主轴***的动态性能得到改善，能有效提高控制***的性能。
附图说明
图1为本发明一种气体磁轴承电主轴的结构示意图。
图2为本发明电主轴的控制***框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，为本发明主轴包括径向-轴向辅助轴承1、径向位移传感器2、径向位移传感器支架3、径向混合磁轴承4、限位套筒5、高速电机6、钢筒7、径向气体轴承8、轴向止推气体轴承9、径向辅助轴承10、转轴11、前端盖12和后端盖13，其中，径向-轴向辅助轴承1采用角接触球轴承；径向辅助轴承10采用圆柱滚子轴承；径向位移传感器2采用电涡流传感器，安装在径向位移传感器支架3上；径向混合磁轴承4为四磁极结构磁轴承，其偏置磁通由轴向充磁的永磁体产生，控制磁通由通有直流电流的控制线圈产生；高速电机6为内置变频电机；限位套筒5用来固定主轴中各个零件在轴向的安装位置。
如图2所示，为针对本发明由径向混合磁轴承4所支承的转轴11前端的径向二自由度进行设计的控制***，由控制器（包括基于粗集理论方法的模糊整定规则16在线调整下的PID控制器14、基于粗集理论方法的模糊整定规则17在线调整下的PID控制器15、力/电流变换18），功率放大模块（电流跟踪型逆变器19），样机本体（包括径向混合磁轴承4、转轴11前端），位移检测模块（包括位移传感器20、位移传感器21、位移接口电路22）组成。所示转轴11前端的径向位置通过电涡流位移传感器20、位移传感器21进行差动检测，检测出的位移信号通过位移接口电路22输出调制后的位移输出信号x，y，与给定的参考位置信号x *，y *进行比较，得到的偏差e x ，e y 及其变化率de x ，de y 通过基于粗集理论方法的模糊整定规则16和模糊整定规则17在线调整下的PID控制器14和PID控制器15处理，调整参数K p，K i，K d，从而得到PID控制器输出力信号F xx 与F yy ，再经过力与电流变换18输出三相电流参考信号i A *、i B *、i C *，最后经过滞环比较环节处理，由电流跟踪型逆变器19输出三相电流i A、i B、iC驱动径向混合磁轴承4的线圈。

Claims (2)

1.一种气体磁轴承电主轴，包括径向-轴向辅助轴承（1）、径向位移传感器（2）、径向位移传感器支架（3）、径向混合磁轴承（4）、限位套筒（5）、高速电机（6）、钢筒（7）、径向气体轴承（8）、轴向止推气体轴承（9）、径向辅助轴承（10）、转轴（11）、前端盖（12）和后端盖（13），其特征在于：径向-轴向辅助轴承（1）采用角接触球轴承；径向辅助轴承（10）采用圆柱滚子轴承；径向位移传感器（2）采用电涡流传感器，安装在径向位移传感器支架（3）上，并靠近转轴（11）；径向混合磁轴承（4）为四磁极结构磁轴承，其偏置磁通由轴向充磁的永磁体产生，控制磁通由通有直流电流的控制线圈产生；高速电机（6）为内置变频电机；限位套筒（5）用来固定主轴中各个零件在轴向的安装位置。
2.一种如权利要求1所述气体磁轴承电主轴的控制***，由控制器、功率放大模块、样机本体和位移检测模块组成，其特征在于，所述控制器包括基于粗集理论方法的模糊整定规则（16）在线调整下的第一PID控制器（14）、基于粗集理论方法的模糊整定规则（17）在线调整下的第二PID控制器（15）和力与电流变换（18）；所述功率放大模块包括电流跟踪型逆变器（19）；所述样机本体包括径向混合磁轴承（4）和转轴（11）前端；所述位移检测模块包括第一位移传感器（20）、第二位移传感器（21）和位移接口电路（22）；所述转轴（11）前端的径向位置通过电涡流第一位移传感器（20）、第二位移传感器（21）进行差动检测，检测出的位移信号通过所述位移接口电路（22）处理，输出调制后的位移输出信号x、y，并与给定的参考位置信号x *、y *进行比较，得到的偏差e x 、e y 及其变化率de x 、de y 通过基于粗集理论方法的模糊整定规则（16）在线调整下的第一PID控制器（14）和模糊整定规则（17）在线调整下的第二PID控制器（15）处理，实时调整参数K p、K i、K d的大小，从而得到PID控制器输出力信号F xx 与F yy ，再经过力与电流变换（18）输出三相电流参考信号i A *、i B *、i C *，最后经过滞环比较环节处理，由电流跟踪型逆变器（19）输出三相电流i A、i B、iC驱动所述径向混合磁轴承（4）的线圈。
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