基于參數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 電氣工程學院，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行定位加工。以3MK205B磨床為例，該設備以電磁卡盤吸附套圈，由砂輪對套圈的內徑面進行磨削。在需要電磁卡盤吸附待加工套圈時，在卡盤的勵磁線圈兩端施加勵磁電壓，產生勵磁電流，從而產生吸附待加工套圈的磁場，此過程即充磁過程[1]。加工結束后下料時，僅僅消除勵磁電流是不夠的。因為套圈為鐵磁物質，具有磁滯現象，消除勵磁電流后套圈中依然會有殘磁存在，導致套圈難以向下滑動，出現卡料現象；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

目前國內現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，當逐漸減小材料磁場強度的最大值時，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磁電壓的大小和方向，使通過負載線圈的電流逐漸衰減到零，從而進行退磁[3]。從電路理論角度來看，電磁卡盤線圈為感性負載。采用直流換向衰減法進行退磁時，由于線圈中的電流逐漸衰減，磁場不斷衰減。根據Faraday電磁感應定律，衰減的磁場將在線圈兩端感應出感生電動勢，感生電動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行退磁時必須注意：加在電磁卡盤線圈兩端的反向電壓應在線圈中的電流衰減至零后再施加，否則感生電動勢將和反向電壓同向串聯，導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，從而造成整個退磁過程時間過長，退磁效率較低。

2 參數辨識的磨床充退磁控制器設計

2.1 設計原理

自適應充退磁控制器設計的基本思路為：(1)利用參數辨識技術(相關分析)辨識出電磁吸盤的單位脈沖響應；(2)根據電磁吸盤單位脈沖響應辨識出系統時間常數；(3)依據辨識出的系統時間常數確定出在電磁卡盤線圈兩端施加反向電壓的時間間隔。

對電磁卡盤線圈等效時間常數進行辨識的方法，本質上就是對線圈單位脈沖響應的辨識，其理論依據為隨機過程相關分析理論的Wiener-Hopf方程[4]

式中：Rxy(τ)為待辨識系統激勵、響應之間的互相關函數；Rxx(τ)為待辨識系統激勵的自相關函數；g(t)為待辨識系統的脈沖響應函數。

Wiener-Hopf方程本身對待辨識系統的激勵沒有限制，在工程實踐當中為簡化數學計算，常選擇PRBS(偽隨機二進制序列)信號作為系統激勵。選擇PRBS信號的原因在于PRBS的自相關函數Rxx(τ)=δ(t)，由沖擊函數δ(t)的篩選性質，即

可知，在使用PRBS激勵時Wiener-Hopf方程變為Rxy(τ)=g(t)。因此只需計算待辨識系統輸入輸出之間的互相關函數即可得到待辨識系統的脈沖響應函數。

2.2 系統結構

充退磁控制器系統結構如圖2所示，主要由3個環節構成。

圖2 充退磁控制器系統結構

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

(2)DC/DC變換、H橋逆變環節。該環節通過Boost升壓電路和H橋逆變電路(圖3)將變壓、整流、濾波環節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生逐漸衰減的退磁電流，實現工件的退磁。

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)利用數字信號處理方法，產生PRBS作為電磁卡盤線圈激勵。

(b)利用A/D轉換器采集電磁卡盤線圈在PRBS激勵下得到的勵磁電流，采用相關分析法計算電磁卡盤線圈激勵電壓和勵磁電流之間的互相關函數Rxy(τ)，利用Rxy(τ)辨識線圈的時間常數。其中，相關分析法需要進行大規模的數值計算，對處理器的要求非常高，設計中選用了ADI公司的BF531 DSP。

(c)根據辨識結果，控制H橋逆變電路開關的輪換導通，以產生幅度衰減、極性可調的退磁電壓。

3 試驗結果及分析

為了驗證充退磁控制器的使用效果，把充退磁控制器分別應用于3MK205B和3MK2016B內徑磨床上，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6025軸承內圈的內徑面和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

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