立式無軸承電機轉(zhuǎn)子定位控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、單邊軸承的低速豎直旋轉(zhuǎn)裝置在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。這類裝置由于結(jié)構(gòu)或功能限制，往往只有下端有機械軸承固定，而上端開放，這就使得轉(zhuǎn)子運行時的振動成為一個不容忽視的問題，并由振動衍生出噪音、設(shè)備磨損等問題。本文針對這類轉(zhuǎn)子振動問題，提出一種新型的轉(zhuǎn)子定位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個共用轉(zhuǎn)子的弧形直線感應(yīng)電機組成，通過直線感應(yīng)電機定轉(zhuǎn)子之間的法向力來對轉(zhuǎn)子進行非接觸式定位控制，以減小轉(zhuǎn)子的振動;通過直線感應(yīng)電機定轉(zhuǎn)子之間的切

2、向力來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
　　這種轉(zhuǎn)子定位控制系統(tǒng)的基本思想與磁懸浮軸承或無軸承電機系統(tǒng)相同，都是通過對轉(zhuǎn)子施加非接觸的電磁力來控制轉(zhuǎn)子位置。但是，傳統(tǒng)的磁懸浮軸承主要研究的是高速水平轉(zhuǎn)子，而對于低速豎直轉(zhuǎn)子則研究較少。在低速豎直轉(zhuǎn)子的運動中存在著許多特殊情況:首先，低速情形下，轉(zhuǎn)子本身是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng);其次，豎直情形下，轉(zhuǎn)子的運動中將會呈現(xiàn)更為復(fù)雜的非線性動力學(xué)特性。這些特點使得豎直低速轉(zhuǎn)子的定位控制原理變得更為復(fù)雜。另一方面，傳

3、統(tǒng)的無軸承電機方案，是通過在定子繞組中附加懸浮繞組來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，原理、結(jié)構(gòu)和工藝都比較復(fù)雜，而采用多個直線感應(yīng)電機來進行轉(zhuǎn)子定位控制，則可以省去附加繞組，使得電機結(jié)構(gòu)簡單、加工容易。因此，本文的研究既具有一定的理論難度，又具有一定的應(yīng)用前景。
　　本文首先提出了基于共用轉(zhuǎn)子的多弧形直線電機的豎直轉(zhuǎn)子定位控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，并對構(gòu)成控制系統(tǒng)各個主要模塊的功能及數(shù)學(xué)模型進行了介紹，重點討論了多直線電機結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動機理。其次對控制系

4、統(tǒng)的執(zhí)行器——直線感應(yīng)電機的解耦控制進行了討論，提出了基于穩(wěn)態(tài)性能的法向力和切向力解耦算法，將其推廣到動態(tài)過程中。仿真結(jié)果顯示，該算法基本實現(xiàn)了法向力和切向力的解耦，這使得本文可以把研究重點集中于采用法向力實現(xiàn)豎直轉(zhuǎn)子的定位控制。
　　在上述研究基礎(chǔ)上，本文提出了基于陀螺效應(yīng)原理的轉(zhuǎn)子定位控制算法，并通過仿真將其與基于線性系統(tǒng)理論的極點配置控制算法效果進行了對比。對比結(jié)果表明，基于陀螺效應(yīng)的轉(zhuǎn)子定位算法具有較好的魯棒性。
　

5、　在轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)過程中，各種不確定性和非線性特性都會對轉(zhuǎn)子的定位控制產(chǎn)生不利影響。為了克服這些不確定性的影響，本文研究了基于(I)1自適應(yīng)控制理論的轉(zhuǎn)子定位系統(tǒng)的控制策略，從理論上分析了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的輸入狀態(tài)穩(wěn)定性問題，通過仿真考察了自適應(yīng)增益對自適應(yīng)控制系統(tǒng)的性能和效果。
　　接下來，針對轉(zhuǎn)子啟動過程，探討了在自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中轉(zhuǎn)子的定位算法的有效性，通過仿真比較了在轉(zhuǎn)子加速過程中各種定位算法的局限性和優(yōu)劣，并提出了一種基于反饋

6、線性化的轉(zhuǎn)子定位算法，用以實現(xiàn)在加速過程中的可靠定位。
　　最后，本文設(shè)計研制了基于dSPACE的轉(zhuǎn)子定位控制實驗臺，以其為基礎(chǔ)進行了定位控制策略的模擬實驗，驗證了基于陀螺效應(yīng)和基于(I)1自適應(yīng)控制理論的定位控制策略的有效性。實驗結(jié)果表明，基于陀螺效應(yīng)的定位控制策略能夠明顯減小豎直轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)時主軸偏離豎直位置的偏角，而基于(I)1自適應(yīng)控制理論的定位策略能夠在此基礎(chǔ)上進一步減小豎直轉(zhuǎn)子主軸偏角。說明定位控制策略能夠有效減小豎直轉(zhuǎn)子