[發明專利]氣體擠壓懸浮裝置的驅動控制系統及方法

無效

• 申請號: 201310188590.0
• 申請日: 2013-05-21
• 公開（公告）號: CN103279028A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 馬希直;李永杰;胡偉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及氣體擠壓懸浮裝置的驅動控制系統及方法，屬于氣體潤滑和自動控制領域。

背景技術

氣體擠壓膜潤滑是由壓電陶瓷或磁致伸縮材料制成的換能器沿支承面的法線方向產生高頻振動，使間隙內的氣體不斷受到擠壓，形成壓力氣膜，產生承載能力的潤滑方式；相對于其它潤滑方式，具有結構簡單、自適應等優點。利用氣體擠壓膜潤滑理論設計的氣體擠壓膜懸浮軸承克服了傳統動靜壓軸承的缺陷，在具有高精度的同時，既可以支撐靜止的物體，又不需要額外的壓力氣源。

一個完整的可應用于工程實際的氣體擠壓膜懸浮軸承應該包含軸承本體，驅動電源和自動控制系統三個部分。現階段對氣體擠壓膜軸承的研究多集中在特定結構模型下的浮動特性（包括承載能力，膜厚，壓力分布等）。而對于驅動電源和自動控制方面研究較少。壓電陶瓷驅動電源的設計難點在于：第一，目前普遍把壓電陶瓷器件視為電容性負載，但實際并非如此。把壓電陶瓷執行器單純地等效成為電容便忽略了一個重要的因素，它不是一個簡單的電子器件，而是一個微型的機電轉換裝置，可把電能轉換為機械能，也可把機械能轉換為電能，當執行器采用雙芯片結構時，執行器內部產生的應變能也是不容忽視的。另外，由于其是靠逆壓電效應驅動的機械性器件，這導致了兩個后果:在正常工作時，由于壓電陶瓷在電場作用下產生伸縮，因此會導致其電容隨電壓變化而變化，這會使執行器產生一個充電和放電過程，會對驅動電源產生不良影響。其次，執行器的電容還會受到驅動頻率的影響，當執行器本身固有振動頻率同驅動頻率一致或接近時，會產生由于共振引起的容抗大幅下降的現象，這也會影響驅動電源的輸出。對于控制系統的性能也會受到上述性質的影響，目前還沒有用于描述氣體擠壓膜懸浮裝置的準確的數學模型。由于氣體擠壓膜軸承的壓電傳動部分是由壓電陶瓷換能器構成，所以氣體擠壓膜軸承的驅動控制系統直接關系到軸承的運動性能。

發明內容

本發明提供一種氣體擠壓懸浮裝置的驅動控制系統及方法，其能夠實現氣體擠壓懸浮裝置的精確穩定懸浮。

本發明采用如下技術方案：一種氣體擠壓懸浮裝置的驅動控制系統，所述氣體擠壓懸浮裝置的驅動控制系統包括數字控制器模塊、信號發生器模塊、可控增益放大模塊、壓電陶瓷驅動電源模塊及信號處理模塊，信號發生器模塊的信號輸出端與可控增益放大模塊的信號輸入口連接，用于初級放大信號發生器模塊產生的正弦信號；可控增益放大模塊的輸出端與壓電陶瓷驅動電源模塊輸入端相連，將初級放大的正弦信號再進行功率放大；壓電陶瓷驅動電源模塊的輸出端口連接到氣體擠壓懸浮裝置；安裝在氣體擠壓懸浮裝置上方的位移傳感器與信號處理模塊的輸入口相接；信號處理模塊的輸出端連接到數字控制器模塊的輸入端口，以接收經處理后的位移信號并進行計算處理；數字控制器模塊的輸出端口與可控增益放大模塊的控制信號輸入端口相接。

所述數字控制器模塊采用基于數字電路的PID控制策略。

所述壓電陶瓷驅動電源模塊采用高壓集成運放驅動多組并聯功率放大級的電路結構。

本發明還采用如下技術方案：一種氣體擠壓懸浮裝置的驅動控制方法，其包括如下步驟：

信號發生器模塊產生的模擬正弦信號經可控增益放大模塊的初級放大后進入壓電陶瓷驅動電源模塊，經過功率放大后驅動氣體擠壓懸浮裝置工作；

氣體擠壓懸浮裝置的懸浮高度被位移傳感器轉化為電壓信號，此電壓信號經過信號處理模塊的濾波調理以及A/D轉換后輸入到數字控制器模塊；

數字控制器模塊運用PID控制算法對信號進行處理，并由數字控制器模塊內D/A轉換器轉換為模擬電壓信號輸入到可控增益放大模塊，從而控制可控增益放大模塊的增益倍數，最終改變輸入到氣體擠壓懸浮裝置的電壓幅值，使得懸浮裝置獲得精確穩定的懸浮高度。

本發明具有如下有益效果：

（1）采用基于數字電路的PID控制策略，可以有效解決氣體擠壓膜懸浮裝置數學模型難以精確描述的情況下的懸浮高度控制問題；

（2）有效提高氣體擠壓懸浮裝置的懸浮可靠性，減小物體表面間的摩擦；

（3）使氣體擠壓懸浮裝置的懸浮精度得到提高；

（4）能夠方便靈活的整定PID參數以適應不同形式的氣體擠壓懸浮裝置的懸浮高度控制。

附圖說明

圖1為氣體擠壓膜潤滑機理圖。

圖2為輸入信號頻率30kHz，載荷230g時輸入電壓與懸浮體懸浮高度關系。

圖3為激勵電壓分別為100v，200v，300v時懸浮體振動頻譜。

圖4為本發明氣體擠壓懸浮裝置的驅動控制系統的簡圖。