一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法及其装置，属于电主轴控制技术领域。包括控制器、非线性功率放大器和外部电路模块；所述非线性功率放大器包括数字化曲线簇跟踪模块、非线性数字化补偿模块、输出信号转换器模块、非线性补偿数据库模块、补偿参数确定模块、材料参数模块、输出电路模块、输入接口模块和位置信号模块；所述外部电路模块包括转轴、差动式电磁线圈和传感器模块；所述控制器采用自适应滑模控制算法，根据涡流传感器检测出的转轴位移信号通过非线性数字化补偿，将系统的非线性因素滤除，使得系统线性化；所述差动式电磁铁是采用上、下两个线圈的差动结构，利用两个线圈中产生的电流进行控制。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法及其装置
本专利技术涉及一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法及其装置，属于电主轴控制

技术介绍
磁悬浮电主轴是利用可控电磁力作用将转子或轴稳定悬浮于空间的一种新型高性能轴承。与传统轴承相比，磁悬浮电主轴具有无接触、无磨损、无摩擦、使用寿命长和维护费用低等优点，可以将磁轴承应用到高温、强腐蚀恶劣环境中，可容许转子达到很高的转速。正因为如此，磁悬浮轴承技术已引起世界各国科学界和工业界的特别关注，并逐步应用到了真空和洁净空间系统、机械制造工具、医疗设备、透平机械、超导磁轴承等领域。磁悬浮系统是一种复杂的强非线性、系统模型不确定系统，其性能如刚度、阻尼及稳定性等的好坏很大程度上取决于所采用控制器的控制算法。并且，它的核心技术以及关键难题就是转子的悬浮控制器的设计问题。在磁悬浮系统的研究中，单自由度磁悬浮系统为典型的磁悬浮系统，其结构简单、易于实现。因此对单自由度磁悬浮系统的研究是研究磁悬浮技术的一种简单而有效的方法，是进行多自由度磁悬浮控制系统技术研究的基础，对非接触式位置传感以及磁悬浮先进控制算法等方面的研究有着重要的意义。对智能型磁悬浮电主轴系统产生的机理进行理论分析，并在技术解决方法上开展研究，可使磁悬浮轴承技术在工业应用方面趋于成熟，为磁悬浮技术的实际应用提供理论和技术依据。另外，磁悬浮轴承具有无机械摩擦、无需润滑等特点，可以极大的改善工作条件和保护自然生态环境，符合机电产品的绿色设计和清洁制造等要求，将会成为本世纪新型机电产品的热点，在产生经济效益的同时，也会产生巨大的社会效益。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法及其装置，能够自动跟踪差动式电磁线圈的瞬时电流，并补正顺势电流的误差，使得磁悬浮装置更加稳定。为达到上述目的，本专利技术提供一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法，包括控制器和位移信号转换电路、非线性功率放大器和外部电路模块；所述非线性功率放大器包括数字化曲线簇跟踪模块、非线性数字化补偿模块、输出信号转换器模块、输出电路模块、非线性补偿数据库模块、补偿参数确定模块、材料参数模块、输入接口模块和位置信号模块，所述外部电路模块包括转轴、电机定子和用于检测转轴位移的传感器模块，所述电机定子包括差动式电磁线圈，所述差动式电磁线圈包括上线圈和下线圈；所述控制器的输入信号来自位移信号转换电路的输出，所述控制器的输出端连接所述非线性功率放大器的输入端，所述位移信号转换电路的输入端连接所述传感器模块的输出端；所述数字化曲线簇跟踪模块的输入端连接所述传感器模块的输出端，所述数字化曲线簇跟踪模块的输出端连接非线性数字化补偿模块的输入端，所述非线性数字化补偿模块的输出端连接所述输出信号转换器模块的输入端，所述输出信号转换器模块的上路输出端、下路输出端均连接所述输出电路模块的输入端，所述输出电路模块的输出端分别连接所述上线圈、所述下线圈，所述差动式电磁线圈的反馈信号分别连接所述输出信号转换器模块的输入端和所述补偿参数确定模块的输入端，所述传感器模块的输出端分别连接所述位置信号模块的输入端和所述数字化曲线簇跟踪模块的输入端，所述位置信号模块的输出端连接所述输入接口模块的输入端，所述输入接口模块的输出端、所述材料参数模块的输出端分别连接所述补偿参数确定模块的输入端，所述补偿参数确定模块的输出端连接所述非线性补偿数据库模块的输入端，所述非线性补偿数据库模块的输出端连接所述非线性数字化补偿模块的输入端；所述位置信号模块对所述传感器模块检测的位置信号进行模数转换，然后将位置信号传递给所述输入接口模块，所述输入接口模块将位置信号传送给所述补偿参数确定模块；所述材料参数模块为所述补偿参数确定模块提供材料参数；所述数字化曲线簇跟踪模块跟踪来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流，所述数字化曲线簇跟踪模块存储电流的动态记忆、数字化B-H曲线簇和转轴的间隙变化值，通过瞬时电流、电流的动态记忆和转轴的间隙变化值确定所述差动式电磁线圈的导磁率在数字化B-H曲线簇中动态工作点的转折处特征和过零点特征，所述数字化曲线簇跟踪模块记忆电流变化量并跟踪外部电路模块中的B-H值与数字化B-H曲线簇之间误差，然后根据材料参数纠正现有的瞬时电流误差；所述非线性数字化补偿模块根据所述差动式电磁线圈的瞬时电流和所述传感器模块的位移信号建立数据库，依据数字化B-H曲线簇中呈现的非线性规律，通过所述差动式电磁线圈的瞬时电流、材料参数、所述转轴的位置增量变化以及磁力公式与磁性材料的磁导率、电流、线圈匝数等之间的关系进行反向推导差动电磁铁线圈中的瞬时电流补偿量，使得非线性系统等效为线性系统，列出相应的数据查询表；所述输出信号转换器模块根据来自所述非线性数字化补偿模块的补偿量调节所述差动式电磁线圈的电流值，所述输出信号转换器模块每隔一个周期时间S实时检测来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流、所述转轴的位置变化量；所述输出电路模块输出经过所述输出信号转换器模块处理后的电流值给外部电路模块；所述补偿参数确定模块根据所述材料参数模块提供的材料参数、来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流信号和来自所述输入接口模块的位置信号确定补偿参数；所述外部电路模块用于实现转轴的悬浮；所述非线性补偿数据库模块根据所述差动式电磁线圈电磁力在数字化B-H曲线呈现的特征得到相应的补偿数据并进行存储，将补偿数据提供给所述非线性数字化补偿模块。优先地，所述材料参数模块为所述补偿参数确定模块提供的所述材料参数包括差动式电磁线圈中铁芯材料的材质、长度和直径；所述周期时间S＝2～3ns。优先地，所述控制器的控制算法采用自适应滑模控制算法，所述控制器型号为DSPTMS320F28335，所述位置信号模块包括DSP高度处理器。优先地，所述材料参数模块为所述补偿参数确定模块提供的材料参数包括材料样本采集的B-H曲线簇，线圈匝数、质量值、差动式电磁线圈中所述上线圈和所述下线圈之间的间隙值、饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力、磁通密度、磁导率；所述差动式电磁线圈的磁芯材质相关参数包括磁芯材料规格、剩磁特征点处的磁感应强度和矫顽磁力特征点处的磁场强度。优先地，所述非线性补偿数据库模块的输入信号为与磁感应强度B、磁场强度H相关的参数，述非线性补偿数据库模块的输入信号包括差动式电磁线圈的瞬时电流、差动式电磁线圈的线圈匝数、差动式电磁线圈的半径。一种智能化磁悬浮电主轴装置，包括控制器、非线性功率放大器、电机定子、若干个径向轴承、若干个保护轴承、若干个推力轴承、转轴、若干个位移传感器和轴壳；所述控制器分别电连接所述非线性功率放大器、若干个所述位移传感器，所述非线性功率放大器分别电连接所述电机定子、若干个所述径向轴承和若干个所述推力轴承；所述电机定子、所述若干个径向轴承、若干个所述保护轴承、若干个所述推力轴承、所述转轴、若干个所述位移传感器均位于所述轴壳中；所述电机定子、若干个所述径向轴承、若干个所述保护轴承和若干个所述推力轴承均分别套设在所述转轴上，所述电机定子、若干个所述径向轴承、若干个所述保护轴承和若干个所述推力轴承均固定连接所述轴壳，所述电机定子、若干个所述径向轴承、若干个所述保护轴承、若干个所述推力轴承与所述转轴均同轴设置；若干个所述位移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法，包括控制器和位移信号转换电路、非线性功率放大器和外部电路模块；其特征在于，所述非线性功率放大器包括数字化曲线簇跟踪模块、非线性数字化补偿模块、输出信号转换器模块、输出电路模块、非线性补偿数据库模块、补偿参数确定模块、材料参数模块、输入接口模块和位置信号模块，所述外部电路模块包括转轴、电机定子和用于检测转轴位移的传感器模块，所述电机定子包括差动式电磁线圈，所述差动式电磁线圈包括上线圈和下线圈；所述控制器的输入信号来自位移信号转换电路的输出，所述控制器的输出端连接所述非线性功率放大器的输入端，所述位移信号转换电路的输入端连接所述传感器模块的输出端；所述数字化曲线簇跟踪模块的输入端连接所述传感器模块的输出端，所述数字化曲线簇跟踪模块的输出端连接非线性数字化补偿模块的输入端，所述非线性数字化补偿模块的输出端连接所述输出信号转换器模块的输入端，所述输出信号转换器模块的上路输出端、下路输出端均连接所述输出电路模块的输入端，所述输出电路模块的输出端分别连接所述上线圈、所述下线圈，所述差动式电磁线圈的反馈信号分别连接所述输出信号转换器模块的输入端和所述补偿参数确定模块的输入端，所述传感器模块的输出端分别连接所述位置信号模块的输入端和所述数字化曲线簇跟踪模块的输入端，所述位置信号模块的输出端连接所述输入接口模块的输入端，所述输入接口模块的输出端、所述材料参数模块的输出端分别连接所述补偿参数确定模块的输入端，所述补偿参数确定模块的输出端连接所述非线性补偿数据库模块的输入端，所述非线性补偿数据库模块的输出端连接所述非线性数字化补偿模块的输入端；所述位置信号模块对所述传感器模块检测的位置信号进行模数转换，然后将位置信号传递给所述输入接口模块，所述输入接口模块将位置信号传送给所述补偿参数确定模块；所述材料参数模块为所述补偿参数确定模块提供材料参数；所述数字化曲线簇跟踪模块跟踪来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流，所述数字化曲线簇跟踪模块存储电流的动态记忆、数字化B‑H曲线簇和转轴的间隙变化值，通过瞬时电流、电流的动态记忆和转轴的间隙变化值确定所述差动式电磁线圈的导磁率在数字化B‑H曲线簇中动态工作点的转折处特征和过零点特征，所述数字化曲线簇跟踪模块记忆电流变化量并跟踪外部电路模块中的B‑H值与数字化B‑H曲线簇之间误差，然后根据材料参数纠正现有的瞬时电流误差；所述非线性数字化补偿模块根据所述差动式电磁线圈的瞬时电流和所述传感器模块的位移信号建立数据库，依据数字化B‑H曲线簇中呈现的非线性规律，通过所述差动式电磁线圈的瞬时电流、材料参数、所述转轴的位置增量变化以及磁力公式与磁性材料的磁导率、电流、线圈匝数等之间的关系进行反向推导差动电磁铁线圈中的瞬时电流补偿量，使得非线性系统等效为线性系统，列出相应的数据查询表；所述输出信号转换器模块根据来自所述非线性数字化补偿模块的补偿量调节所述差动式电磁线圈的电流值，所述输出信号转换器模块每隔一个周期时间S实时检测来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流、所述转轴的位置变化量；所述输出电路模块输出经过所述输出信号转换器模块处理后的电流值给外部电路模块；所述补偿参数确定模块根据所述材料参数模块提供的材料参数、来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流信号和来自所述输入接口模块的位置信号确定补偿参数；所述外部电路模块用于实现转轴的悬浮；所述非线性补偿数据库模块根据所述差动式电磁线圈电磁力在数字化B‑H曲线呈现的特征得到相应的补偿数据并进行存储，将补偿数据提供给所述非线性数字化补偿模块。...

【技术特征摘要】
1.一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法，包括控制器和位移信号转换电路、非线性功率放大器和外部电路模块；其特征在于，所述非线性功率放大器包括数字化曲线簇跟踪模块、非线性数字化补偿模块、输出信号转换器模块、输出电路模块、非线性补偿数据库模块、补偿参数确定模块、材料参数模块、输入接口模块和位置信号模块，所述外部电路模块包括转轴、电机定子和用于检测转轴位移的传感器模块，所述电机定子包括差动式电磁线圈，所述差动式电磁线圈包括上线圈和下线圈；所述控制器的输入信号来自位移信号转换电路的输出，所述控制器的输出端连接所述非线性功率放大器的输入端，所述位移信号转换电路的输入端连接所述传感器模块的输出端；所述数字化曲线簇跟踪模块的输入端连接所述传感器模块的输出端，所述数字化曲线簇跟踪模块的输出端连接非线性数字化补偿模块的输入端，所述非线性数字化补偿模块的输出端连接所述输出信号转换器模块的输入端，所述输出信号转换器模块的上路输出端、下路输出端均连接所述输出电路模块的输入端，所述输出电路模块的输出端分别连接所述上线圈、所述下线圈，所述差动式电磁线圈的反馈信号分别连接所述输出信号转换器模块的输入端和所述补偿参数确定模块的输入端，所述传感器模块的输出端分别连接所述位置信号模块的输入端和所述数字化曲线簇跟踪模块的输入端，所述位置信号模块的输出端连接所述输入接口模块的输入端，所述输入接口模块的输出端、所述材料参数模块的输出端分别连接所述补偿参数确定模块的输入端，所述补偿参数确定模块的输出端连接所述非线性补偿数据库模块的输入端，所述非线性补偿数据库模块的输出端连接所述非线性数字化补偿模块的输入端；所述位置信号模块对所述传感器模块检测的位置信号进行模数转换，然后将位置信号传递给所述输入接口模块，所述输入接口模块将位置信号传送给所述补偿参数确定模块；所述材料参数模块为所述补偿参数确定模块提供材料参数；所述数字化曲线簇跟踪模块跟踪来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流，所述数字化曲线簇跟踪模块存储电流的动态记忆、数字化B-H曲线簇和转轴的间隙变化值，通过瞬时电流、电流的动态记忆和转轴的间隙变化值确定所述差动式电磁线圈的导磁率在数字化B-H曲线簇中动态工作点的转折处特征和过零点特征，所述数字化曲线簇跟踪模块记忆电流变化量并跟踪外部电路模块中的B-H值与数字化B-H曲线簇之间误差，然后根据材料参数纠正现有的瞬时电流误差；所述非线性数字化补偿模块根据所述差动式电磁线圈的瞬时电流和所述传感器模块的位移信号建立数据库，依据数字化B-H曲线簇中呈现的非线性规律，通过所述差动式电磁线圈的瞬时电流、材料参数、所述转轴的位置增量变化以及磁力公式与磁性材料的磁导率、电流、线圈匝数等之间的关系进行反向推导差动电磁铁线圈中的瞬时电流补偿量，使得非线性系统等效为线性系统，列出相应的数据查询表；所述输出信号转换器模块根据来自所述非线性数字化补偿模块的补偿量调节所述差动式电磁线圈的电流值，所述输出信号转换器模块每隔一个周期时间S实时检测来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流、所述转轴的位置变化量；所述输出电路模块输出经过所述输出信号转换器模块处理后的电流值给外部电路模块；所述补偿参数确定模块根据所述材料参数模块提供的材料参数、来自所述差动式电磁线圈的瞬时电流信号和来自所述输入接口模块的位置信号确定补偿参数；所述外部电路模块用于实现转轴的悬浮；所述非线性补偿数据库模块根据所述差动式电磁线圈电磁力在数字化B-H曲线呈现的特征得到相应的补偿数据并进行存储，将补偿数据提供给所述非线性数字化补偿模块。2.根据权利要求1所述的一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法，其特征在于，所述材料参数模块为所述补偿参数确定模块提供的所述材料参数包括差动式电磁线圈中铁芯材料的材质、长度和直径；所述周期时间S=2~3ns。3.根据权利要求1所述的一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法，其特征在于，所述控制器的控制算法采用自适应滑模控制算法，所述控制器型号为DSPTMS320F28335，所述位置信号模块包括DSP高度处理器。4.根据权利要求1所述的一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法，其特征在于，所述材料参数模块为所述补偿参数确定模块提供的材料参数包括材料样本采集的B-H曲线簇，线圈匝数、质量值、差动式电磁线圈中所述上线圈和所述下线圈之间的间隙值、饱...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建生，钱程，钱韩琪，张燕红，张兵，
申请(专利权)人：常州市翰琪电机有限公司，常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32