砂輪不平衡振動主動控制的實驗研究

喬曉利　祝長生

摘要：砂輪不平衡振動會影響工件表面的質量，降低砂輪的耐用度。為了降低由砂輪不平衡振動造成的危害，作者提出了一種內置力執行器的砂輪不平衡振動主動控制方案，并在前期進行了理論分析與研究。在此基礎上，對內置力執行器電機的繞組參數及柔性電主軸一轉子系統進行了設計；并借助DSP2812建立了砂輪不平衡振動主動控制的實驗平臺。在此平臺上，對不同轉速下砂輪的不平衡振動進行了主動控制的實驗研究，證明了該主動控制方案在控制砂輪端不平衡振動方面的可行性，為進一步的應用研究提供了參考依據。

關鍵詞：振動控制；砂輪；不平衡振動；力執行器

中圖分類號：TB535；0347.6

文獻標志碼：A

文章編號：1004-4523（2017）01-0055-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2017.01.008

引言

高速磨削技術與普通磨削相比具有不可替代的優勢：可以使磨削效率大幅度提高，使磨削力降低，也可明顯提高零件的加工精度，并且是實現磨削自動化的前提基礎。但磨削過程中砂輪的不平衡振動會嚴重影響工件表面的加工質量、降低砂輪的耐用度、縮短磨床的使用壽命，重則可能會引發嚴重的安全事故，對操作工人的人身安全造成不可估量的威脅。為此，對砂輪及其主軸系統的動平衡技術，以及電主軸一砂輪系統動態特性及不平衡振動控制技術的研究越來越受到人們的重視。

關于電主軸一轉子系統的不平衡振動控制技術的研究，國內外已有很多。總的來說用于抑制或控制電主軸一轉子系統不平衡振動的執行器主要有：電磁型、阻尼型、壓電型、擠壓油膜型、磁變流型等。上述這些用于抑制或者控制不平衡振動的執行器裝置在某種特定條件下，也有一定的控制效果，但它們存在一個共同的缺點即這些執行器裝置必須單獨安裝，這勢必會改變電主軸一轉子系統的結構，從而改變該系統的動態性能，尤其是柔性轉子；另外，這些裝置不僅體積大、不易控制，且在高速工作時，電主軸可能由剛性變為柔性，平衡條件的變化可能會導致不平衡振動控制的失敗。為彌補以上不足，本文在無軸承感應電機的基礎上，提出了一種具有內置力執行器的高速砂輪不平衡振動的主動控制方案，該方案在前期已做了理論分析和研究，但由于當時實驗條件的限制沒有進行實驗驗證。為此，本文在前期理論研究的基礎上，設計了內置力執行器感應電機的繞組參數及柔性電主軸一轉子系統的結構參數，并借助DSP2812搭建了砂輪不平衡振動主動控制的實驗平臺，在此平臺上對該主動控制方案進行了實驗研究，實驗結果證明了該主動控制方案具有一定的可行性。

1.內置力執行器感應型電主軸的結構

及工作原理

圖1為一臺在靜止兩相坐標系中描述的內置力執行器感應型電機的繞組結構簡化圖及電機內部z方向徑向電磁力產生的原理。假設在定子上除了設置關于z軸對稱的4極轉矩繞組N_4A，N_4B，N_4C。外，還內置了6極控制繞組N_6a，N_6b，N_6b。當控制繞組N_6A，N_6b，N_6c中沒有通人電流時，轉矩繞組N_4A中的交流電產生的4極均勻對稱磁場如圖1（b）中4個實線圓圈所示。圖中區域1和區域2處的氣隙磁通密度相等，電主軸上合力為零。當在控制繞組N6a上通入如圖1（b）所示方向的電流時，N_6A繞組產生的6極磁場（圖中虛線圓圈所示）與原有的4極磁場疊加，使得區域1處的氣隙磁通密度增加，區域2處的氣隙磁通密度減少，這樣不平衡的氣隙磁通密度便會在電主軸上產生出沿z軸正方向的磁拉力F_x相反，如果在N_6A繞組上通人反方向電流，合成的氣隙磁場將產生沿z軸負方向的磁拉力。這樣，只要控制控制繞組中的電流大小和方向就可以在電主軸轉子上產生任意方向大小可變的控制力，用以對砂輪的不平衡振動進行控制。

2.內置力執行器感應型電機繞組參數的設計

內置力執行器感應電機是在原有電機的定子內再嵌入一套繞組，這套繞組被稱為力執行器（控制繞組），定子內原繞組為轉矩繞組。根據電機內兩旋轉磁場（即轉矩繞組在三相交流電作用下產生的磁場和控制繞組在控制電流作用下產生的磁場）相互作用能產生最大的徑向電磁力、控制電流對電機內部性能的影響以及電機的定子槽滿率等因素，采用ANSOFT軟件對內置力執行器感應電機進行了分析和設計，設計的內置力執行器電機的參數如表1所示。

3.電主軸轉子系統的設計

由上述表1所示的內置力執行器電機的參數，利用ANSOFT（MAXWELL）在電機空載、轉矩電流為i_4A=8.6sin（100πt）A（最大空載電流）、1500r/min轉速前提下，控制繞組通以不同幅值大小電流的情況下，對電機內部的產生的徑向電磁力了做了分析，分析結果如下圖2所示（圖中i6_max。表示控制電流的幅值）。

根據電機在轉矩繞組為空載電流（i_4A=8.6sin（100π）A），控制繞組電流為最大時（i_6A=8sin（100πt）A）產生的最大徑向電磁力（F_max=1200N）以及預設電主軸轉子系統砂輪的不平衡量為5kg·m，利用電主軸轉子系統的有限元模型，在MATLAB/SIMULINK中進行仿真，在最大徑向電磁控制力的范圍內設計出電主軸轉子系統，參數見表2，3和4，相應的結構如圖3及4。

從式（1）可看出，只要在線實時監測到轉矩繞組的定子電流，通過控制繞組的定子電流，即可控制內置力執行器感應電機內徑向電磁控制力。

實驗過程中，電機通過變頻器驅動。徑向電磁控制力控制過程如下：根據安裝在砂輪附近的位移傳感器實時監測出砂輪的振動位移信號x_s，y_s轉矩繞組定子電流i_4A，i_4B，i_4C。及控制繞組電流i_6A，i_6B，i_6c通人DsP控制器進行參考電磁控制力的計算及控制，最后得到控制繞組所需的實際電壓U_6A，U_6B，U_6C，從而達到控制砂輪振動的目的，控制方案如圖5所示。

5.砂輪振動主動控制實驗平臺

該內置力執行器砂輪不平衡振動主動控制實驗平臺主要包括：內置力執行器電主軸一轉子系統、變頻器、DsP2812控制板、功率板、Pc機、示波器、位移傳感器及其他輔助的調理板及直流電源，電主軸轉子系統振動控制實驗平臺如圖6所示，砂輪如圖7所示，內置力執行器電機的繞組結構如圖8所示。

通過變頻器驅動電機，使電機在額定轉速下旋轉（n1=1500r/rain）；渦流位移傳感器安裝在電主軸轉子系統的砂輪的z，y方向上，位移傳感器實時檢測砂輪振動的位移信號，通過DSP2812控制板來產生砂輪振動控制的控制信號，該控制信號用來控制功率板上功率器件的通斷產生控制繞組所需的電壓信號，使得在控制繞組中產生合適的電流，從而在電機內部磁場的相互作用下在轉子上產生合適的徑向電磁力控制力來控制砂輪的不平衡振動。

6.實驗結果分析

電機空載情況下，采用經典的PID控制器對不同轉速下砂輪的不平衡振動進行了主動控制，實驗結果如圖9～14所示，圖9為電主軸轉速為n1=1500r/rain時砂輪的振動位移，圖10為A相及B相控制電流；從圖9（a）實驗結果可以看出，控制前振動位移大約為100/um，控制后如圖9（b），穩定后振動位移為70/um，還存在大量諧波；所需控制電流如圖所示，電流幅值大約為0.25A；圖11為電主軸轉速為n1=1200r/rain時砂輪的振動位移，圖12為A相及B相控制電流圖；從圖11（a）實驗結果可以看出，控制前振動位移大約為100um，控制后如圖12（b），穩定后振動位移為60/um，仍存在大量諧波；所需控制電流如圖12所示，電流幅值大約為0.3A，有的地方電流還要稍大點；圖13為電主軸轉速為n1=900r/min時砂輪的振動位移，圖14為A相及B相控制電流圖；從圖13（a）實驗結果可以看出，控制前振動位移大約為80～90/um，控制后如圖13（b），穩定后振動位移為50um；所需控制電流如圖14（b）所示，電流幅值大約為0.22A左右；實驗結果表明，該主動控制方案對砂輪不平衡振動具有一定的控制作用，但控制效果有待進一步提高。另外，波形中還存在大量諧波，需要再研究新的控制算法在控制振動的同時能夠抑制波形中的諧波。

7.小結

本文對內置力執行器電機的繞組參數及柔性電主軸一轉子系統進行了參數設計；并借助DSP2812建立了砂輪不平衡振動主動控制的實驗平臺。在此平臺上，對不同轉速下砂輪的不平衡振動進行了主動控制的實驗研究，證明了該主動控制方案在控制砂輪端不平衡振動方面的可行性，但相應的控制效果仍需進一步提高，特別是控制算法需進一步改進。本文的實驗平臺和研究結果為進一步的應用研究奠定了一定的基礎。