磁悬浮直线进给单元及智能动态解耦控制的研究

由直线电机与磁悬浮支承技术合成的磁悬浮直线进给单元具有无摩擦、无磨损、无污染、长寿命及高速高精度等特点，是各类直线加工平台的理想部件之一，具有重要研究意义和应用前景。拟以动力学、电磁学、机械学及相关学科的理论为基础，建立此类平台系统的整体结构与力学特性关系分析模型、支承及运动控制模型、能量转化模型、信息转换与传输模型及系统驱动模型。在上述模型的综合分析基础上，深入研究其结构与磁悬浮支承条件、系统能量转化指标、系统驱动环节以及整体机械性能指标之间的内在联系；分析掌握进给单元各部件间的交互影响机理，用优化结构、动态解耦和非线性补偿等手段，实现系统的自动化设计与控制过程，提高系统的整体指标。选择一种直线加工平台为试验对象，通过理论分析、应用设计、实验验证等步骤，最终实现磁悬浮进给单元的应用目标。可为设计相关直线进给平台提供理论和技术依据及一种新型的直线驱动部件，大幅度提高设备的精度及自动化过程。

根据现代数控伺服系统高速度、高加速度和高精度的要求和发展趋势，项目从加工业对机床的要求出发，提出采用磁悬浮支承和直线电机驱动的磁悬浮直线进给单元，并围绕磁悬浮直线进给单元本体的优化设计及智能动态解耦控制进行了理论与实验研究。应用ANSYS电磁场仿真分析工具和Pro/Mechanism、Solidworks三维多体运动学仿真技术，建立了双边式永磁同步直线电机和6自由度磁悬浮支承的有限元数值模型，对系统的磁场分布情况进行了模拟分析，研究了各部件间磁场形成规律和漏磁现象，计算了电机和磁支承参数对气隙磁场分布的影响特性、动子偏移条件下对电机法向和切向电磁力的影响特性，通过分析比较整机的系列模态振型规律，提出了四E支柱型平台结构，完成了磁悬浮直线进给单元本体的设计与样机加工制作。针对磁悬浮支承导轨部件，应用磁路原理与运动方程，建立了磁悬浮支承导轨各电磁铁的机电耦合动力学基本方程；分析了动力学方程的多变量耦合特征，提出了基于结构解耦的控制电流-位移的坐标变换方程，导出各电磁铁控制电流-位移的解耦控制模型；提出一种磁悬浮支承的自适应滑模控制器，实现磁悬浮支承导轨与直线电机的解耦与高稳定悬浮。针对直线电机部件，以磁悬浮支承气隙作为参变量，应用统一电机转矩公式和矢量控制思想，建立了永磁直线同步电机磁场定向的d-q轴解耦控制模型；在考虑机床工作环境扰动因素的基础上，推导出永磁直线同步电机的推力控制模型；提出了一种基于反推控制的永磁直线同步电机矢量解耦控制器，可有效抑制干扰和不确定，实现了动子准确的位置轨迹跟踪。针对磁悬浮支承导轨悬浮气隙与直线电机强机电耦合、大负载力合切削力干扰、以及自身的非线性特点，本项目采用前馈补偿结合滑模控制的复合控制策略，实现磁悬浮支承导轨与直线电机的解耦与高稳定悬浮。应用DSP、FPGA、PMAC、LabVIEW等技术，进行了磁悬浮支承系统恒位置悬浮和永磁直线同步电机位置伺服控制系统、测试系统的设计与制作，实验结果基本达到预期目标。. 本项目执行过程中，获得省部级科技进步奖4项，授权专利6项，发表论文13篇，培养研究生11名，海外交流4人次。