CN114253127A - 微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法 - Google Patents
微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法，属于微细电火花加工技术领域。该控制方法，包括以下步骤：S1.启动具有X、Y、Z方向行程的微细电火花加工悬浮伺服主轴***；S2.控制电流根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出；S3.根据磁悬浮主轴在X、Y方向平动位移定位时，测量出转子位移和控制电流的关系；S4.将根据转子目标位移测量出的控制电流作为变偏置电流项与固定偏置电流共同组成新的偏置电流项；S5.新的偏置电流项与根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出的新的控制电流共同作用控制径向磁轴承转子位移，减小位移超调，提高***稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微细电火花加工技术领域，具体涉及一种微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法。
背景技术
磁悬浮伺服驱动主轴***具有较强的伺服跟踪能力，可以实现电火花加工过程中放电间隙状态的快速调节，在微细电火花加工中具有广阔的应用前景。目前，磁悬浮主轴多用于微细电火花微小孔加工，而在进行磁悬浮主轴电火花铣削加工时，主轴转子轨迹随偏离平衡位置而逐渐恶化，甚至导致***失稳。因此，需要一种磁悬浮主轴电火花铣削加工时的转子径向平动稳定控制方法，以保持电火花铣削加工过程的稳定，拓宽磁悬浮主轴微细电火花加工范围。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术存在的问题，进而提供一种微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法；
本发明所采取的技术方案是：微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法，包括以下步骤：
S1.启动具有X、Y、Z方向行程的微细电火花加工悬浮伺服主轴***；
S2.控制电流根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出；
S3.根据磁悬浮主轴在X、Y方向平动位移定位时，测量出转子位移和控制电流的关系；
S4.将根据转子目标位移测量出的控制电流作为变偏置电流项与固定偏置电流共同组成新的偏置电流项；
S5.新的偏置电流项与根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出的新的控制电流共同作用控制径向磁轴承转子位移，减小位移超调，提高***稳定性。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明利用根据转子目标位移测量出的控制电流作为变偏置电流项与固定偏置电流共同组成新的偏置电流项，减小根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出的新的控制电流波动，减小位移超调，提高***稳定性。
附图说明
图1是磁悬浮主轴结构图；
图2是磁悬浮主轴控制***总体功能模块图；
图3是磁悬浮主轴径向磁轴承PID控制方案；
图4是磁悬浮主轴悬浮时上端径向磁轴承线圈控制电流；
图5是磁悬浮主轴悬浮时下端径向磁轴承线圈控制电流；
图6是基于主轴转子位移的变偏置电流PID控制器控制***框图；
其中：1、径向磁轴承；2、旋转驱动电机；3、齿轮传动副；4、磁耦合传动机构；5、主轴转子；6、位移传感器；7、电刷；8、轴向磁轴承；9、电极夹具；10、微细电极。
具体实施方式
参照图1至图6，微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法，包括以下步骤：
S1.启动具有X、Y、Z方向行程的微细电火花加工悬浮伺服主轴***；
S2.控制电流根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出；
S3.根据磁悬浮主轴在X、Y方向平动位移定位时，测量出转子位移和控制电流的关系；
S4.将根据转子目标位移测量出的控制电流作为变偏置电流项与固定偏置电流共同组成新的偏置电流项；
S5.新的偏置电流项与根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出的新的控制电流共同作用控制径向磁轴承转子位移，减小位移超调，提高***稳定性。
所述S2通过以下步骤实现：
S21.微细电火花加工悬浮伺服主轴***通过电涡流位移传感器检测到的转子位置与设定位置进行比较；
S22.将偏差e(t)作为PID控制器的输入变量，PID控制器按照设定规则计算，其输出变量为控制电流对应控制PWM波占空比调整量；
S23.功率放大器根据得到的控制PWM波占空比(轴向磁轴承的功放输入PWM波占空比的正负代表线圈控制电流的方向)向磁轴承线圈输出控制电流I(t)，驱动主轴转子快速准确地悬浮在目标位置。
所述S3通过以下步骤实现：
S31.对转子稳定悬浮时两端径向磁轴承控制电流进行检测，得到转子平衡时控制电流和转子位移的关系坐标图；
S32.对微细电火花加工小型化磁悬浮主轴悬浮时径向磁轴承线圈控制电流和转子位移关系进行拟合，设定转子平衡时控制电流转子位移的关系为：iy＝a0y+b0；其中：iy——控制电流(A)；y——转子在径向平面内位移(m)。
具体原理：
如图1所示，磁悬浮主轴包括：径向磁轴承1、旋转驱动电机2、齿轮传动副3、磁耦合传动机构4、主轴转子5、位移传感器6、电刷7、轴向磁轴承8、电极夹具9及微细电极10；
上部、下部径向磁轴承1各自独立控制，联动实现主轴转子5在径向平面内的悬浮、直线及圆弧运动；旋转驱动电机2、齿轮传动副3和磁耦合传动机构4驱动主轴转子5无接触同频旋转，磁耦合传动机构4还能够提供平衡主轴转子5自身重量的回复力，同时磁耦合传动机构4的同频旋转还可以实现微细电火花加工脉冲电源的柔性加载，以避免因刚性接触造成的主轴响应频率的降低；主轴转子5和电极夹具9带动微细电极10进行加工。位移传感器6检测主轴转子5在X、Y和Z方向的位移，输入给磁悬浮伺服驱动主轴20控制***作为悬浮运动控制的依据，其中上下两端径向垂直布置的4个位移传感器6检测主轴转子5在径向平面内的位移，轴向布置的1个位移传感器6用于检测主轴转子5在轴向的位移。电刷7连接电火花加工电源和主轴转子5，提供微细电火花加工必要的能量。轴向磁轴承8实现主轴转子5的轴向悬浮、进给与回退。磁悬浮转子的微驱动加工是通过径向磁轴承1和轴向磁轴承8对转子在X、Y和Z方向的驱动来完成的。
如图2所示，磁悬浮主轴径向磁轴承采用两对差动电磁铁以提供驱动主轴径向运动和保持设定位置稳定悬浮的正向和反向作用力，在径向平面内，同一坐标轴方向的电磁铁由固定偏置电流i0和控制电流iy驱动，其中一组驱动电流为(i0+iy)，与其相对应的另一组驱动电流为(i0-iy)，此时作用力fy表示为两组电磁铁作用力的差值。
可得到转子的运动方程为：
可得转子所受的驱动力为：
式中fy——径向磁轴承差动驱动模式作用力(N)；
f+——正向磁轴承作用力(N)；
f-——负向磁轴承作用力(N)；
i0——固定偏置电流(A)；
iy——控制电流(A)；
s0——转子位于中心位置时径向磁轴承与转子单边间隙(m)；
y——转子在径向平面内位移(m)。
由式(2)可知，径向磁轴承线圈电流由偏置电流和控制电流组成，由此设计的磁悬浮主轴径向磁轴承和轴向磁轴承PID控制方案如图3所示。
由图3可知，磁轴承PID控制技术实现流程为：***首先通过电涡流位移传感器检测到的转子位置与设定位置进行比较，将偏差e(t)作为PID控制器的输入变量，PID控制器按照设定规则计算，其输出变量为控制电流对应控制PWM波占空比调整量，功率放大器根据得到的控制PWM波占空比(轴向磁轴承的功放输入PWM波占空比的正负代表线圈控制电流的方向)向磁轴承线圈输出控制电流I(t)，驱动主轴转子快速准确地悬浮在目标位置。
由式(2)可知，主轴转子在Y向气隙范围内任一点平衡时，有：
令I1＝i0+iy，I2＝i0-iy，则转子平衡时，相对磁极对之间的电流差值为：
可得到转子平衡时控制电流和固定偏置电流、转子位移的关系为：
对于固定的偏置电流，转子在径向平面内的平衡所需的控制电流与转子位移成比例关系。因此转子在径向平面内平衡时的线圈电流和转子位移的关系为：
对转子稳定悬浮时两端径向磁轴承控制电流进行检测，得到转子平衡时控制电流转子位移的关系如图4和图5所示。由图4和图5可知，转子实际稳定悬浮时的控制电流与转子位移有关，但实际测量结果与式(6)理论计算值有差异，这是由于实际转子悬浮时，由于径向磁轴承线圈缠绕和安装不能完全一致的原因，不能与理论计算值完全相同。需要对各磁轴承控制电流计算式根据实际控制电流大小重新计算校正，以得到更为准确的径向平面内的线圈偏置电流和转子位移的关系。
对微细电火花加工小型化磁悬浮主轴悬浮时径向磁轴承线圈控制电流和转子位移关系进行拟合，设定转子平衡时控制电流转子位移的关系为：
iy＝a0y+b0 (7)
根据图4和图5运用最小二乘法对上下两端径向磁轴承各向控制电流的式(7)系数进行求解，得到上下两端径向磁轴承各向系数a0，b0。
由式(5)、式(6)和式(7)可得微细电火花加工小型化磁悬浮主轴在径向平面内平衡时的线圈电流和转子位移的关系为：
I＝i0±(a0y+b0) (8)
在控制程序中，y为转子目标位移。当转子在径向平动时，为减小转子位移偏差带来的控制电流波动，可以直接将转子在目标位置平衡时的线圈电流作为偏置电流，此时转子线圈电流和偏置电流如式(9)和式(10)所示。
I＝i'0±Δiy (9)
i'0＝i0±(a0y+b0) (10)
此时***控制电流Δiy为PID控制器根据转子目标位移和转子实际位置的偏差计算出的占空比调整量对应的电流，随着偏差逐渐趋近于零，Δiy逐渐趋近于零。偏置电流包括固定偏置电流i0和根据主轴转子目标位移计算得到的变偏置电流项(a0y+b0)。据此，提出基于主轴转子位移的变偏置电流PID控制方法，其控制框图如图6所示。
由图6可知，功率放大器输出电流由固定偏置电流i0、变偏置电流项(a0y+b0)和控制电流Δiy组成，所对应的输入功率放大器的PWM波形占空比为固定偏置电流项占空比、根据主轴转子目标位移计算得到的变偏置电流项占空比调整量和PID控制器根据位移偏差计算得到的占空比调整量，固定偏置电流项占空比和根据主轴转子目标位移计算得到的变偏置电流项占空比调整量实时调整径向磁轴承线圈偏置电流i′0，可以减小控制电流波动，减小转子位移超调，控制主轴转子径向平动位移定位，提高***的稳定性。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (3)
1.一种微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.启动具有X、Y、Z方向行程的微细电火花加工悬浮伺服主轴***；
S2.控制电流根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出；
S3.根据磁悬浮主轴在X、Y方向平动位移定位时，测量出转子位移和控制电流的关系；
S4.将根据转子目标位移测量出的控制电流作为变偏置电流项与固定偏置电流共同组成新的偏置电流项；
S5.新的偏置电流项与根据转子位置偏差由PID控制算法计算得出的新的控制电流共同作用控制径向磁轴承转子位移，减小位移超调，提高***稳定性。
2.根据权利要求1所述的微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法，其特征在于：所述S2通过以下步骤实现：
S21.通过电涡流位移传感器检测到的转子位置与设定位置进行比较；
S22.将偏差e(t)作为PID控制器的输入变量，PID控制器按照设定规则计算，其输出变量为控制电流对应控制PWM波占空比调整量；
S23.功率放大器根据得到的控制PWM波占空比向磁轴承线圈输出控制电流I(t)，驱动主轴转子快速准确地悬浮在目标位置。
3.根据权利要求2所述的微细电火花铣削磁悬浮主轴径向平动变偏置电流控制方法，其特征在于：所述S3通过以下步骤实现：
S31.对转子稳定悬浮时两端径向磁轴承控制电流进行检测，得到转子平衡时控制电流和转子位移的关系坐标图；
S32.对径向磁轴承线圈控制电流和转子位移关系进行拟合，设定转子平衡时控制电流转子位移的关系为：iy＝a0y+b0；其中：iy——控制电流(A)；y——转子在径向平面内位移(m)。
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