力反饋磁懸浮控制系統(tǒng)的傳感器性能研究.pdf

1、在力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)中，傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的力信號(hào)是對(duì)軸承進(jìn)行主動(dòng)控制的依據(jù)，力傳感器是力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)，是聯(lián)系輸入與輸出的紐帶，因而是整個(gè)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)的控制精度受其所用力傳感器的限制。只有設(shè)計(jì)出頻響范圍寬、誤差小、穩(wěn)定性高的力傳感器，才能保證力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)具有高速、高精度、高穩(wěn)定性的性能，因此力傳感器是力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)正常工作并發(fā)揮其特點(diǎn)的前提條件之一。

2、r>　　 目前所研究力傳感器主要有測(cè)力軸承、應(yīng)用于機(jī)器人中的應(yīng)變式力傳感器和壓電式力傳感器，但是它們均不適用于力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)，因此必須設(shè)計(jì)出一種適用于力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)的二維力傳感器。該二維力傳感器應(yīng)用于力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)中，要兼具支承和測(cè)量的作用。它不僅能夠解決基于位移控制磁懸浮系統(tǒng)中的不足，而且能簡(jiǎn)化磁懸浮控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)以后磁懸浮控制系統(tǒng)的發(fā)展有重要的意義。
　　 在總結(jié)國(guó)內(nèi)外力傳感器研究現(xiàn)狀的基

3、礎(chǔ)上，對(duì)力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和性能研究。首先，分析了力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)對(duì)二維力傳感器性能的要求，確定了研究對(duì)象：其次，分析和優(yōu)化力敏元件的結(jié)構(gòu)與空間布置，完成了高靈敏度、高剛度、高線性度和強(qiáng)解耦的二維力傳感器的設(shè)計(jì)和研制。再次，闡述了動(dòng)態(tài)條件下傳感器的力電變換關(guān)系，分析了多向力間的耦合關(guān)系及交叉靈敏度的影響，提出了高頻多向的測(cè)量原理和方法；最后，建立了機(jī)電耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究了機(jī)電耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，形

4、成了完整的轉(zhuǎn)子支承多向動(dòng)態(tài)測(cè)量方法。本文完成的主要工作如下：
　　 (1)從力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)的性能要求出發(fā)，闡述了選擇壓電式力傳感器作為二維力傳感器敏感元件的意義，確定了敏感元件的圓周對(duì)稱(chēng)布局及差動(dòng)連線方式，并綜合考慮轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)，給出了二維力傳感器的各個(gè)部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了傳感器的傳力構(gòu)件、預(yù)緊構(gòu)件和殼體等部件及二維力傳感器的整體結(jié)構(gòu)，并解決了傳感器承載能力和力測(cè)量之間的矛盾，為實(shí)現(xiàn)力反饋磁懸浮控制提供重要保證。

5、同時(shí)根據(jù)主要受力部件的特點(diǎn)，利用ANSYS建模對(duì)傳感器進(jìn)行了必要的強(qiáng)度校核，確定了二維力傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 (2)分析了二維力傳感器的原理，利用ANSYS和影響系數(shù)法，推導(dǎo)出二維力傳感器的靈敏度計(jì)算公式。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器靈敏度的影響，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)傳感器靈敏度的影響規(guī)律，并解決了交叉靈敏度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響問(wèn)題，發(fā)展了高頻多向的測(cè)量原理和方法。
　　 (3)由于要兼顧傳感器承載能

6、力和力測(cè)量?jī)煞矫娴男阅埽皇д鏈y(cè)量條件較難滿(mǎn)足。為此，建立了機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型以及機(jī)械結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的幅頻特性和機(jī)電耦合系統(tǒng)的幅頻特性，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差進(jìn)行了深入的分析，分析結(jié)果表明機(jī)電耦合導(dǎo)致測(cè)量精度的降低。根據(jù)工作頻段的誤差分析結(jié)果，采用幅頻特性修正的方法，給出了修正函數(shù)，對(duì)機(jī)電耦合系統(tǒng)進(jìn)行了修正，結(jié)果表明，修正之后，幅頻特性誤差小于1％，耦合系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，滿(mǎn)足了不失真測(cè)量條件

7、。
　　 (4)建立了二維力傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路耦合系統(tǒng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和耦合系統(tǒng)的階躍激勵(lì)響應(yīng)和脈沖激勵(lì)響應(yīng)分別進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到機(jī)械結(jié)構(gòu)和耦合系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路的耦合對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的傳感器測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能滿(mǎn)足力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)的要求。
　　 (5)對(duì)二維力傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的脈沖激勵(lì)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：利用差動(dòng)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了二維力傳

8、感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的脈沖激勵(lì)響應(yīng)和交叉脈沖激勵(lì)響應(yīng)，與理論值作對(duì)比，結(jié)果表明采用的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效的降低交叉誤差；由于機(jī)電系統(tǒng)存在耦合，二維力傳感器動(dòng)態(tài)性能變差，誤差增大，為此進(jìn)行了電路參數(shù)的調(diào)整，對(duì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了修正，修正后二維力傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的相對(duì)平方積分絕對(duì)誤差、峰值誤差和交叉誤差均大幅度降低，修正起到了降低測(cè)量電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合帶來(lái)的誤差。
　　 本研究的特色在于：在結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)出一種適用于力反饋轉(zhuǎn)子磁懸浮控制系統(tǒng)的新型力