《數控工具機用新型磁懸浮直驅主軸及其協調容錯控制》是依託江蘇大學，由孫曉東擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：數控工具機用新型磁懸浮直驅主軸及其協調容錯控制
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：孫曉東
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
直驅主軸是數控工具機的核心部件，項目針對傳統直驅主軸存在結構複雜、成本高、轉速和功率難以進一步提高等缺點，提出一種新型磁懸浮直驅主軸，並開展其協調容錯控制研究。該磁懸浮直驅主軸由二自由度無軸承永磁電機和三自由度磁軸承融合而成，具有高可靠性、高速、高效、低成本、低功耗等優點。本項目旨在設計出結構新穎合理的磁懸浮直驅主軸拓撲結構；建立其理論分析、電磁參數計算、數學建模的一般方法；研究故障狀況下容錯控制策略，提高系統可靠性；剖析電磁轉矩、懸浮力之間非線性耦合特性，提出基於支持向量機逆的協調控制理論；構建基於dSPACE的數位化控制系統實驗平台，進行實驗研究；提煉基礎科學問題，探索磁懸浮驅動系統協調容錯控制的一般性規律。項目屬機械工程、電氣工程、控制工程等交叉學科的套用基礎領域，其研究將為我國研製出具有自主智慧財產權的數控工具機直驅主軸系統奠定基礎，還可以推廣到高可靠性、高性能磁懸浮驅動的其它套用領域。
結題摘要
項目以磁懸浮直驅主軸高可靠性、高效率、高速高精、低成本運行為目標，在磁懸浮直驅主軸數學模型、有限元分析、非線性磁鏈建模、容錯控制、非線性解耦協調控制和數字控制實現等方面開展了工作，取得了多項創新性成果。研究期限內，發表論文42篇，其中SCI檢索18篇(含2篇一區，2篇二區)，EI檢索18篇；申請國家發明專利28項，其中授權20項；相關成果獲教育部發明二等獎1項、獲江蘇省科學技術二等獎和三等獎各1項。主要研究內容與創新成果概略如下： 1.綜述了無軸承永磁電機的關鍵技術，包括對無軸承永磁電機的幾種典型結構、數學模型以及無軸承永磁電機的控制技術進行了詳細分析。 2.推導得出了磁懸浮直驅主軸轉子所受麥克斯韋力的表達式，並對氣隙磁路進行分析與簡化。根據麥克斯韋力與氣隙磁密的關係，建立了計及轉子偏心時的徑向懸浮力。對表貼式與內置式無軸承永磁電機進行對比分析，研究了不同轉子結構對無軸承永磁電機電磁特性的影響。對用於磁懸浮直驅主軸懸浮支承的三自由度混合磁軸承進行了最佳化設計，採用等效磁路法對磁路進行了推算，建立了懸浮力數學模型。 3.提出了一種磁懸浮直驅主軸用新型結構的單繞組無軸承電機，該電機採用一套繞組實現轉子的懸浮和旋轉，基於二基波法研究了該電機懸浮力的數學模型。提出了一種單繞組無軸承電機的驅動控制方法，該控制方法將傳統雙繞組無軸承電機的兩套繞組控制二合為一，不僅簡化了控制系統，還有效提高了轉矩和懸浮力。 4.提出了一種具有容錯齒結構、採用Halbach永磁鐵陣列的單繞組無軸承永磁電機。為了實現磁懸浮直驅主軸徑向懸浮系統在正常運行以及帶故障運行時的解耦控制，提供一種基於雙支持向量機逆模型的容錯解耦控制方法。 5.針對磁懸浮直驅主軸用無軸承電機磁鏈、轉子位置角、徑向偏心位移、繞組電流之間的強烈非線性特性關係，提出了基於自適應權重最小二乘支持向量機的無軸承電機磁鏈非線性建模的方法。 6.針對磁懸浮直驅主軸多變數、非線性、強耦合的特點，將逆系統方法與支持向量機相結合，提出了基於支持向量機逆理論的磁懸浮直驅主軸協調解耦控制方法。在此基礎上，設計了內模控制器提高整個系統的控制性能。 7.構建了磁懸浮直驅主軸數字驅動控制系統，研製了系統的軟硬體驅動電路，開發了控制系統的軟體程式，為研發出高效率、高可靠性的磁懸浮直驅主軸驅動系統提供了實驗基礎，並且在該數字控制實驗平台上，進行了詳細的實驗研究。
