一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法及其裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法及其裝置，屬于電主軸控制技術領域。包括控制器、非線性功率放大器和外部電路模塊；所述非線性功率放大器包括數字化曲線簇跟蹤模塊、非線性數字化補償模塊、輸出信號轉換器模塊、非線性補償數據庫模塊、補償參數確定模塊、材料參數模塊、輸出電路模塊、輸入接口模塊和位置信號模塊；所述外部電路模塊包括轉軸、差動式電磁線圈和傳感器模塊；所述控制器采用自適應滑模控制算法，根據渦流傳感器檢測出的轉軸位移信號通過非線性數字化補償，將系統的非線性因素濾除，使得系統線性化；所述差動式電磁鐵是采用上、下兩個線圈的差動結構，利用兩個線圈中產生的電流進行控制。

Control method of intelligent magnetic suspension electric main shaft and device thereof

The invention relates to a control method of an intelligent magnetic suspension electric main shaft and a device thereof, belonging to the technical field of electric spindle control. Including controller, power amplifier and external circuit module; the nonlinear power amplifier includes a digital curve tracking module, digital nonlinear compensation module, output signal converter module, database module, nonlinear compensation compensation parameter determination module, material parameter module, output module, input module and position signal module; the external circuit module includes the shaft, differential electromagnetic coil and the sensor module; the controller using adaptive sliding mode control algorithm, according to the rotating shaft displacement signal detected by eddy current sensor nonlinear digital compensation, will filter nonlinear factors, which makes the system linearization; the differential electromagnet is the differential structure of the upper and the lower two coil. Controlled by the current generated in the coil two.

【技術實現步驟摘要】
一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法及其裝置
本專利技術涉及一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法及其裝置，屬于電主軸控制

技術介紹
磁懸浮電主軸是利用可控電磁力作用將轉子或軸穩定懸浮于空間的一種新型高性能軸承。與傳統軸承相比，磁懸浮電主軸具有無接觸、無磨損、無摩擦、使用壽命長和維護費用低等優點，可以將磁軸承應用到高溫、強腐蝕惡劣環境中，可容許轉子達到很高的轉速。正因為如此，磁懸浮軸承技術已引起世界各國科學界和工業界的特別關注，并逐步應用到了真空和潔凈空間系統、機械制造工具、醫療設備、透平機械、超導磁軸承等領域。磁懸浮系統是一種復雜的強非線性、系統模型不確定系統，其性能如剛度、阻尼及穩定性等的好壞很大程度上取決于所采用控制器的控制算法。并且，它的核心技術以及關鍵難題就是轉子的懸浮控制器的設計問題。在磁懸浮系統的研究中，單自由度磁懸浮系統為典型的磁懸浮系統，其結構簡單、易于實現。因此對單自由度磁懸浮系統的研究是研究磁懸浮技術的一種簡單而有效的方法，是進行多自由度磁懸浮控制系統技術研究的基礎，對非接觸式位置傳感以及磁懸浮先進控制算法等方面的研究有著重要的意義。對智能型磁懸浮電主軸系統產生的機理進行理論分析，并在技術解決方法上開展研究，可使磁懸浮軸承技術在工業應用方面趨于成熟，為磁懸浮技術的實際應用提供理論和技術依據。另外，磁懸浮軸承具有無機械摩擦、無需潤滑等特點，可以極大的改善工作條件和保護自然生態環境，符合機電產品的綠色設計和清潔制造等要求，將會成為本世紀新型機電產品的熱點，在產生經濟效益的同時，也會產生巨大的社會效益。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法及其裝置，能夠自動跟蹤差動式電磁線圈的瞬時電流，并補正順勢電流的誤差，使得磁懸浮裝置更加穩定。為達到上述目的，本專利技術提供一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法，包括控制器和位移信號轉換電路、非線性功率放大器和外部電路模塊；所述非線性功率放大器包括數字化曲線簇跟蹤模塊、非線性數字化補償模塊、輸出信號轉換器模塊、輸出電路模塊、非線性補償數據庫模塊、補償參數確定模塊、材料參數模塊、輸入接口模塊和位置信號模塊，所述外部電路模塊包括轉軸、電機定子和用于檢測轉軸位移的傳感器模塊，所述電機定子包括差動式電磁線圈，所述差動式電磁線圈包括上線圈和下線圈；所述控制器的輸入信號來自位移信號轉換電路的輸出，所述控制器的輸出端連接所述非線性功率放大器的輸入端，所述位移信號轉換電路的輸入端連接所述傳感器模塊的輸出端；所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸入端連接所述傳感器模塊的輸出端，所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸出端連接非線性數字化補償模塊的輸入端，所述非線性數字化補償模塊的輸出端連接所述輸出信號轉換器模塊的輸入端，所述輸出信號轉換器模塊的上路輸出端、下路輸出端均連接所述輸出電路模塊的輸入端，所述輸出電路模塊的輸出端分別連接所述上線圈、所述下線圈，所述差動式電磁線圈的反饋信號分別連接所述輸出信號轉換器模塊的輸入端和所述補償參數確定模塊的輸入端，所述傳感器模塊的輸出端分別連接所述位置信號模塊的輸入端和所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸入端，所述位置信號模塊的輸出端連接所述輸入接口模塊的輸入端，所述輸入接口模塊的輸出端、所述材料參數模塊的輸出端分別連接所述補償參數確定模塊的輸入端，所述補償參數確定模塊的輸出端連接所述非線性補償數據庫模塊的輸入端，所述非線性補償數據庫模塊的輸出端連接所述非線性數字化補償模塊的輸入端；所述位置信號模塊對所述傳感器模塊檢測的位置信號進行模數轉換，然后將位置信號傳遞給所述輸入接口模塊，所述輸入接口模塊將位置信號傳送給所述補償參數確定模塊；所述材料參數模塊為所述補償參數確定模塊提供材料參數；所述數字化曲線簇跟蹤模塊跟蹤來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流，所述數字化曲線簇跟蹤模塊存儲電流的動態記憶、數字化B-H曲線簇和轉軸的間隙變化值，通過瞬時電流、電流的動態記憶和轉軸的間隙變化值確定所述差動式電磁線圈的導磁率在數字化B-H曲線簇中動態工作點的轉折處特征和過零點特征，所述數字化曲線簇跟蹤模塊記憶電流變化量并跟蹤外部電路模塊中的B-H值與數字化B-H曲線簇之間誤差，然后根據材料參數糾正現有的瞬時電流誤差；所述非線性數字化補償模塊根據所述差動式電磁線圈的瞬時電流和所述傳感器模塊的位移信號建立數據庫，依據數字化B-H曲線簇中呈現的非線性規律，通過所述差動式電磁線圈的瞬時電流、材料參數、所述轉軸的位置增量變化以及磁力公式與磁性材料的磁導率、電流、線圈匝數等之間的關系進行反向推導差動電磁鐵線圈中的瞬時電流補償量，使得非線性系統等效為線性系統，列出相應的數據查詢表；所述輸出信號轉換器模塊根據來自所述非線性數字化補償模塊的補償量調節所述差動式電磁線圈的電流值，所述輸出信號轉換器模塊每隔一個周期時間S實時檢測來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流、所述轉軸的位置變化量；所述輸出電路模塊輸出經過所述輸出信號轉換器模塊處理后的電流值給外部電路模塊；所述補償參數確定模塊根據所述材料參數模塊提供的材料參數、來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流信號和來自所述輸入接口模塊的位置信號確定補償參數；所述外部電路模塊用于實現轉軸的懸浮；所述非線性補償數據庫模塊根據所述差動式電磁線圈電磁力在數字化B-H曲線呈現的特征得到相應的補償數據并進行存儲，將補償數據提供給所述非線性數字化補償模塊。優先地，所述材料參數模塊為所述補償參數確定模塊提供的所述材料參數包括差動式電磁線圈中鐵芯材料的材質、長度和直徑；所述周期時間S＝2～3ns。優先地，所述控制器的控制算法采用自適應滑模控制算法，所述控制器型號為DSPTMS320F28335，所述位置信號模塊包括DSP高度處理器。優先地，所述材料參數模塊為所述補償參數確定模塊提供的材料參數包括材料樣本采集的B-H曲線簇，線圈匝數、質量值、差動式電磁線圈中所述上線圈和所述下線圈之間的間隙值、飽和磁化強度、剩余磁化強度、矯頑力、磁通密度、磁導率；所述差動式電磁線圈的磁芯材質相關參數包括磁芯材料規格、剩磁特征點處的磁感應強度和矯頑磁力特征點處的磁場強度。優先地，所述非線性補償數據庫模塊的輸入信號為與磁感應強度B、磁場強度H相關的參數，述非線性補償數據庫模塊的輸入信號包括差動式電磁線圈的瞬時電流、差動式電磁線圈的線圈匝數、差動式電磁線圈的半徑。一種智能化磁懸浮電主軸裝置，包括控制器、非線性功率放大器、電機定子、若干個徑向軸承、若干個保護軸承、若干個推力軸承、轉軸、若干個位移傳感器和軸殼；所述控制器分別電連接所述非線性功率放大器、若干個所述位移傳感器，所述非線性功率放大器分別電連接所述電機定子、若干個所述徑向軸承和若干個所述推力軸承；所述電機定子、所述若干個徑向軸承、若干個所述保護軸承、若干個所述推力軸承、所述轉軸、若干個所述位移傳感器均位于所述軸殼中；所述電機定子、若干個所述徑向軸承、若干個所述保護軸承和若干個所述推力軸承均分別套設在所述轉軸上，所述電機定子、若干個所述徑向軸承、若干個所述保護軸承和若干個所述推力軸承均固定連接所述軸殼，所述電機定子、若干個所述徑向軸承、若干個所述保護軸承、若干個所述推力軸承與所述轉軸均同軸設置；若干個所述位移本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法，包括控制器和位移信號轉換電路、非線性功率放大器和外部電路模塊；其特征在于，所述非線性功率放大器包括數字化曲線簇跟蹤模塊、非線性數字化補償模塊、輸出信號轉換器模塊、輸出電路模塊、非線性補償數據庫模塊、補償參數確定模塊、材料參數模塊、輸入接口模塊和位置信號模塊，所述外部電路模塊包括轉軸、電機定子和用于檢測轉軸位移的傳感器模塊，所述電機定子包括差動式電磁線圈，所述差動式電磁線圈包括上線圈和下線圈；所述控制器的輸入信號來自位移信號轉換電路的輸出，所述控制器的輸出端連接所述非線性功率放大器的輸入端，所述位移信號轉換電路的輸入端連接所述傳感器模塊的輸出端；所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸入端連接所述傳感器模塊的輸出端，所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸出端連接非線性數字化補償模塊的輸入端，所述非線性數字化補償模塊的輸出端連接所述輸出信號轉換器模塊的輸入端，所述輸出信號轉換器模塊的上路輸出端、下路輸出端均連接所述輸出電路模塊的輸入端，所述輸出電路模塊的輸出端分別連接所述上線圈、所述下線圈，所述差動式電磁線圈的反饋信號分別連接所述輸出信號轉換器模塊的輸入端和所述補償參數確定模塊的輸入端，所述傳感器模塊的輸出端分別連接所述位置信號模塊的輸入端和所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸入端，所述位置信號模塊的輸出端連接所述輸入接口模塊的輸入端，所述輸入接口模塊的輸出端、所述材料參數模塊的輸出端分別連接所述補償參數確定模塊的輸入端，所述補償參數確定模塊的輸出端連接所述非線性補償數據庫模塊的輸入端，所述非線性補償數據庫模塊的輸出端連接所述非線性數字化補償模塊的輸入端；所述位置信號模塊對所述傳感器模塊檢測的位置信號進行模數轉換，然后將位置信號傳遞給所述輸入接口模塊，所述輸入接口模塊將位置信號傳送給所述補償參數確定模塊；所述材料參數模塊為所述補償參數確定模塊提供材料參數；所述數字化曲線簇跟蹤模塊跟蹤來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流，所述數字化曲線簇跟蹤模塊存儲電流的動態記憶、數字化B?H曲線簇和轉軸的間隙變化值，通過瞬時電流、電流的動態記憶和轉軸的間隙變化值確定所述差動式電磁線圈的導磁率在數字化B?H曲線簇中動態工作點的轉折處特征和過零點特征，所述數字化曲線簇跟蹤模塊記憶電流變化量并跟蹤外部電路模塊中的B?H值與數字化B?H曲線簇之間誤差，然后根據材料參數糾正現有的瞬時電流誤差；所述非線性數字化補償模塊根據所述差動式電磁線圈的瞬時電流和所述傳感器模塊的位移信號建立數據庫，依據數字化B?H曲線簇中呈現的非線性規律，通過所述差動式電磁線圈的瞬時電流、材料參數、所述轉軸的位置增量變化以及磁力公式與磁性材料的磁導率、電流、線圈匝數等之間的關系進行反向推導差動電磁鐵線圈中的瞬時電流補償量，使得非線性系統等效為線性系統，列出相應的數據查詢表；所述輸出信號轉換器模塊根據來自所述非線性數字化補償模塊的補償量調節所述差動式電磁線圈的電流值，所述輸出信號轉換器模塊每隔一個周期時間S實時檢測來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流、所述轉軸的位置變化量；所述輸出電路模塊輸出經過所述輸出信號轉換器模塊處理后的電流值給外部電路模塊；所述補償參數確定模塊根據所述材料參數模塊提供的材料參數、來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流信號和來自所述輸入接口模塊的位置信號確定補償參數；所述外部電路模塊用于實現轉軸的懸浮；所述非線性補償數據庫模塊根據所述差動式電磁線圈電磁力在數字化B?H曲線呈現的特征得到相應的補償數據并進行存儲，將補償數據提供給所述非線性數字化補償模塊。...

【技術特征摘要】
1.一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法，包括控制器和位移信號轉換電路、非線性功率放大器和外部電路模塊；其特征在于，所述非線性功率放大器包括數字化曲線簇跟蹤模塊、非線性數字化補償模塊、輸出信號轉換器模塊、輸出電路模塊、非線性補償數據庫模塊、補償參數確定模塊、材料參數模塊、輸入接口模塊和位置信號模塊，所述外部電路模塊包括轉軸、電機定子和用于檢測轉軸位移的傳感器模塊，所述電機定子包括差動式電磁線圈，所述差動式電磁線圈包括上線圈和下線圈；所述控制器的輸入信號來自位移信號轉換電路的輸出，所述控制器的輸出端連接所述非線性功率放大器的輸入端，所述位移信號轉換電路的輸入端連接所述傳感器模塊的輸出端；所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸入端連接所述傳感器模塊的輸出端，所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸出端連接非線性數字化補償模塊的輸入端，所述非線性數字化補償模塊的輸出端連接所述輸出信號轉換器模塊的輸入端，所述輸出信號轉換器模塊的上路輸出端、下路輸出端均連接所述輸出電路模塊的輸入端，所述輸出電路模塊的輸出端分別連接所述上線圈、所述下線圈，所述差動式電磁線圈的反饋信號分別連接所述輸出信號轉換器模塊的輸入端和所述補償參數確定模塊的輸入端，所述傳感器模塊的輸出端分別連接所述位置信號模塊的輸入端和所述數字化曲線簇跟蹤模塊的輸入端，所述位置信號模塊的輸出端連接所述輸入接口模塊的輸入端，所述輸入接口模塊的輸出端、所述材料參數模塊的輸出端分別連接所述補償參數確定模塊的輸入端，所述補償參數確定模塊的輸出端連接所述非線性補償數據庫模塊的輸入端，所述非線性補償數據庫模塊的輸出端連接所述非線性數字化補償模塊的輸入端；所述位置信號模塊對所述傳感器模塊檢測的位置信號進行模數轉換，然后將位置信號傳遞給所述輸入接口模塊，所述輸入接口模塊將位置信號傳送給所述補償參數確定模塊；所述材料參數模塊為所述補償參數確定模塊提供材料參數；所述數字化曲線簇跟蹤模塊跟蹤來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流，所述數字化曲線簇跟蹤模塊存儲電流的動態記憶、數字化B-H曲線簇和轉軸的間隙變化值，通過瞬時電流、電流的動態記憶和轉軸的間隙變化值確定所述差動式電磁線圈的導磁率在數字化B-H曲線簇中動態工作點的轉折處特征和過零點特征，所述數字化曲線簇跟蹤模塊記憶電流變化量并跟蹤外部電路模塊中的B-H值與數字化B-H曲線簇之間誤差，然后根據材料參數糾正現有的瞬時電流誤差；所述非線性數字化補償模塊根據所述差動式電磁線圈的瞬時電流和所述傳感器模塊的位移信號建立數據庫，依據數字化B-H曲線簇中呈現的非線性規律，通過所述差動式電磁線圈的瞬時電流、材料參數、所述轉軸的位置增量變化以及磁力公式與磁性材料的磁導率、電流、線圈匝數等之間的關系進行反向推導差動電磁鐵線圈中的瞬時電流補償量，使得非線性系統等效為線性系統，列出相應的數據查詢表；所述輸出信號轉換器模塊根據來自所述非線性數字化補償模塊的補償量調節所述差動式電磁線圈的電流值，所述輸出信號轉換器模塊每隔一個周期時間S實時檢測來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流、所述轉軸的位置變化量；所述輸出電路模塊輸出經過所述輸出信號轉換器模塊處理后的電流值給外部電路模塊；所述補償參數確定模塊根據所述材料參數模塊提供的材料參數、來自所述差動式電磁線圈的瞬時電流信號和來自所述輸入接口模塊的位置信號確定補償參數；所述外部電路模塊用于實現轉軸的懸浮；所述非線性補償數據庫模塊根據所述差動式電磁線圈電磁力在數字化B-H曲線呈現的特征得到相應的補償數據并進行存儲，將補償數據提供給所述非線性數字化補償模塊。2.根據權利要求1所述的一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法，其特征在于，所述材料參數模塊為所述補償參數確定模塊提供的所述材料參數包括差動式電磁線圈中鐵芯材料的材質、長度和直徑；所述周期時間S=2~3ns。3.根據權利要求1所述的一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法，其特征在于，所述控制器的控制算法采用自適應滑模控制算法，所述控制器型號為DSPTMS320F28335，所述位置信號模塊包括DSP高度處理器。4.根據權利要求1所述的一種智能化磁懸浮電主軸的控制方法，其特征在于，所述材料參數模塊為所述補償參數確定模塊提供的材料參數包括材料樣本采集的B-H曲線簇，線圈匝數、質量值、差動式電磁線圈中所述上線圈和所述下線圈之間的間隙值、飽...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張建生，錢程，錢韓琪，張燕紅，張兵，
申請(專利權)人：常州市翰琪電機有限公司，常州工學院，
類型：發明
國別省市：江蘇,32