基于參數(shù)辨識的磨床充退磁控制器

孫向文，王勇，孫立功

(河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

軸承磨加工過程中，通常使用電磁無心卡盤吸附工件進(jìn)行定位加工。以3MK205B磨床為例，該設(shè)備以電磁卡盤吸附套圈，由砂輪對套圈的內(nèi)徑面進(jìn)行磨削。在需要電磁卡盤吸附待加工套圈時(shí)，在卡盤的勵(lì)磁線圈兩端施加勵(lì)磁電壓，產(chǎn)生勵(lì)磁電流，從而產(chǎn)生吸附待加工套圈的磁場，此過程即充磁過程[1]。加工結(jié)束后下料時(shí)，僅僅消除勵(lì)磁電流是不夠的。因?yàn)樘兹殍F磁物質(zhì)，具有磁滯現(xiàn)象，消除勵(lì)磁電流后套圈中依然會有殘磁存在，導(dǎo)致套圈難以向下滑動(dòng)，出現(xiàn)卡料現(xiàn)象；且殘磁過大會影響下一道工序的加工。因此，需要電磁卡盤能對套圈進(jìn)行退磁，以消除套圈的殘磁，因此充退磁控制器的退磁效果對軸承加工非常重要。

1 直流換向衰減法

目前國內(nèi)現(xiàn)有的電磁卡盤退磁控制裝置基本都采用直流換向衰減法[2]，其工作原理如圖1所示。由圖1某永磁材料磁滯回線簇可知，當(dāng)逐漸減小材料磁場強(qiáng)度的最大值時(shí)，磁滯回線所包圍的面積將逐漸減小。

圖1 直流換向衰減法原理圖

直流換向衰減法通過不斷改變勵(lì)磁電壓的大小和方向，使通過負(fù)載線圈的電流逐漸衰減到零，從而進(jìn)行退磁[3]。從電路理論角度來看，電磁卡盤線圈為感性負(fù)載。采用直流換向衰減法進(jìn)行退磁時(shí)，由于線圈中的電流逐漸衰減，磁場不斷衰減。根據(jù)Faraday電磁感應(yīng)定律，衰減的磁場將在線圈兩端感應(yīng)出感生電動(dòng)勢，感生電動(dòng)勢的大小和線圈電感與電流的變化率成正比。因此在采用直流換向衰減法進(jìn)行退磁時(shí)必須注意：加在電磁卡盤線圈兩端的反向電壓應(yīng)在線圈中的電流衰減至零后再施加，否則感生電動(dòng)勢將和反向電壓同向串聯(lián)，導(dǎo)致線路中的電流過大，有可能使電路中的元件損壞。對于不同的電磁吸盤，其電感及電阻值均不相同，為了確保線路的安全只能按照最大值確定，從而造成整個(gè)退磁過程時(shí)間過長，退磁效率較低。

2 參數(shù)辨識的磨床充退磁控制器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

自適應(yīng)充退磁控制器設(shè)計(jì)的基本思路為：(1)利用參數(shù)辨識技術(shù)(相關(guān)分析)辨識出電磁吸盤的單位脈沖響應(yīng)；(2)根據(jù)電磁吸盤單位脈沖響應(yīng)辨識出系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)；(3)依據(jù)辨識出的系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)確定出在電磁卡盤線圈兩端施加反向電壓的時(shí)間間隔。

對電磁卡盤線圈等效時(shí)間常數(shù)進(jìn)行辨識的方法，本質(zhì)上就是對線圈單位脈沖響應(yīng)的辨識，其理論依據(jù)為隨機(jī)過程相關(guān)分析理論的Wiener-Hopf方程[4]

式中：Rxy(τ)為待辨識系統(tǒng)激勵(lì)、響應(yīng)之間的互相關(guān)函數(shù)；Rxx(τ)為待辨識系統(tǒng)激勵(lì)的自相關(guān)函數(shù)；g(t)為待辨識系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)。

Wiener-Hopf方程本身對待辨識系統(tǒng)的激勵(lì)沒有限制，在工程實(shí)踐當(dāng)中為簡化數(shù)學(xué)計(jì)算，常選擇PRBS(偽隨機(jī)二進(jìn)制序列)信號作為系統(tǒng)激勵(lì)。選擇PRBS信號的原因在于PRBS的自相關(guān)函數(shù)Rxx(τ)=δ(t)，由沖擊函數(shù)δ(t)的篩選性質(zhì)，即

可知，在使用PRBS激勵(lì)時(shí)Wiener-Hopf方程變?yōu)镽xy(τ)=g(t)。因此只需計(jì)算待辨識系統(tǒng)輸入輸出之間的互相關(guān)函數(shù)即可得到待辨識系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

充退磁控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。

圖2 充退磁控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)變壓、整流、濾波環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)將50 Hz(工頻)、220 V交流電轉(zhuǎn)換為直流，經(jīng)DC/DC Boost升壓電路輸出至H橋逆變電路，充當(dāng)H橋逆變電路的直流電源。

(2)DC/DC變換、H橋逆變環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)通過Boost升壓電路和H橋逆變電路(圖3)將變壓、整流、濾波環(huán)節(jié)輸出的固定直流電壓變換為幅值、占空比及方向可控的直流退磁電壓，在電磁卡盤線圈中產(chǎn)生逐漸衰減的退磁電流，實(shí)現(xiàn)工件的退磁。

圖3 升壓和H橋逆變電路

(3)控制回路。控制回路的功能主要包括：

(a)利用數(shù)字信號處理方法，產(chǎn)生PRBS作為電磁卡盤線圈激勵(lì)。

(b)利用A/D轉(zhuǎn)換器采集電磁卡盤線圈在PRBS激勵(lì)下得到的勵(lì)磁電流，采用相關(guān)分析法計(jì)算電磁卡盤線圈激勵(lì)電壓和勵(lì)磁電流之間的互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)，利用Rxy(τ)辨識線圈的時(shí)間常數(shù)。其中，相關(guān)分析法需要進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算，對處理器的要求非常高，設(shè)計(jì)中選用了ADI公司的BF531 DSP。

(c)根據(jù)辨識結(jié)果，控制H橋逆變電路開關(guān)的輪換導(dǎo)通，以產(chǎn)生幅度衰減、極性可調(diào)的退磁電壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證充退磁控制器的使用效果，把充退磁控制器分別應(yīng)用于3MK205B和3MK2016B內(nèi)徑磨床上，3MK205B使用的線圈電阻為22 Ω，2 000匝；3MK2016B使用的線圈電阻為39 Ω，2 100匝。在不影響加工效率的情況下，分別加工100個(gè)6025軸承內(nèi)圈的內(nèi)徑面和30212軸承的外滾道，使用充退磁控制器加工的效果見表1，工件的各項(xiàng)加工精度沒有受到任何影響。

表1 充退磁控制器使用前、后工件的殘磁對比 mT

理論分析和試驗(yàn)證明，由于采用了參數(shù)辨識技術(shù)，控制裝置可以自適應(yīng)各種型號的電磁卡盤，無需針對不同的電磁卡盤進(jìn)行退磁時(shí)間的整定；而且可精確控制對勵(lì)磁線圈施加反向電壓的時(shí)刻，提高了退磁效率。