CN103163823B - 一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明用模糊插值法对单悬浮支撑和导向系统设计控制器，并用模型参考自适应法设计同步控制器来实现稳定悬浮。本发明中支撑悬浮系统采用电磁永磁混合电磁铁，导向悬浮系统采用电磁铁并由DSP处理器来实现控制。本发明的优点在于，对单悬浮系统采用了高精度模糊控制；对双悬浮系统采用了模型参考自适应控制，并且以自身的子系统做为参考模型，使设计简单；采用DSP处理器执行程序，简单快捷。提高了单悬浮系统控制精度，同时通过同步控制器降低同步误差，进一步提高悬浮系统控制精度，从而提高数控加工中心的加工精度。

Description

一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，特别涉及数控机床用磁悬浮系统。

背景技术

现代加工制造技术正朝着高速化、精密化和模块化方向发展，信息等高新技术制造业对加工设备性能如定位的精度和速度提出了越来越高的要求。数控机床是典型的大型加工设备。在高加速、超精密的运动平台中,传统的加工方式是刚性接触支承和“旋转电机+滚珠丝杠”驱动定位。这种方式受摩擦、磨损、驱动件的质量惯性和连接件之间的间隙等影响会降低设备的定位精度和响应频率。此外,在要求实现多自由度运动控制的场合,如果采用导轨和轴承作为支承部件,系统的机械结构则会随自由度的增加变得十分复杂,并且刚度不容易提高。为克服以上缺点，提高定位速度和精度，20世纪90年代以后，运用直线电机驱动的定位工作平台出现在精密数控机床加工中心上。直线电机的应用取消了源动力和工作台部件之间的所有中间传动联结环节，实现了机构的直接驱动，能够实现“零传动”。具有传统定位工作台无法比拟的优点。但其可提供的推力小、要求移动部件质量轻微。然而数控机床的移动部件质量很大，为此，采用磁悬浮技术与直线电机驱动相结合的技术将数控机床的移动横梁悬浮在静止导轨的上方，使横梁和导轨不直接发生接触，通过直线电机来驱动，实现无摩擦运动。与传统的数控机床加工方式相比，采用磁悬浮技术与直线电机驱动相结合的方式不仅可消除摩擦、磨损,而且由于取消了从电动机到工作台之间的一切中间传动环节,,并具有定位精度高、高加速、无需润滑、启动推力大等优点。同时,磁悬浮支承方式的刚度和阻尼可以通过控制器的参数进行调节,实现最佳的刚度及阻尼比。与机械轴承、气浮支承、液体轴承等支承方式不同，磁悬浮支承技术是利用电磁力的作用使被支承物体与定子之间处于无接触悬浮状态，具有无污染、易维护、高速度、高刚度、高定位精度和长寿命等优点。要将磁悬浮技术应用到数控机床的横梁悬浮上，还有许多关键技术等待解决，要求对干扰有很强的抑制能力、要求悬浮气隙有很高的动、静态精度、而且系统要有高刚度、能够超低速进给不发生爬行现象等。

在数控机床加工中，为了提高加工精度，适应高速和低速加工精确性的需要，要求设计良好的磁悬浮控制系统。磁悬浮的控制是磁悬浮的核心技术，控制器性能决定了磁悬浮能否实现。在实际工程中，很难建立精确的是数学模型，即使建立了数学模型也是忽略了很多因素。随着系统使用时间的增加，系统本身和控制器的参数都会发生变化，而且在不同的工作环境中，外界的影响因素也不同，有时还会存在不确定性因素。所以对于整个数控机床和控制系统来说，磁悬浮控制系统必须满足系统的快速性、稳定性、鲁棒性等要求，还需要有良好的自适应能力，快速的调整控制器参数，适应不同的运行条件。综上所述，控制器的设计及优化显得尤为重要。合理地设计控制器及控制装置以实现高速驱动，高精度支承和定位。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型数控机床用同步磁悬浮系统及其控制装置。目的在于彻底消除摩擦，降低切削加工时带来的扰动、未建模动态、系统参数变化及负载扰动等影响，提高单悬浮系统控制精度，同时通过同步控制器降低同步误差，进一步提高控制精度，从而提高系统的加工精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法，其特征在于：

（1）对于单悬浮导向系统/单悬浮支撑系统采用高精度模糊控制器；

（2）对于双悬浮导向系统/双悬浮支撑系统采用自适应同步控制器；

（3）单悬浮导向系统采用可控电磁铁；

（4）单悬浮支撑系统采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁；

（5）通过两个单悬浮导向系统组成的双悬浮导向系统，以及两个单悬浮支撑系统组成的双悬浮支撑系统来实现悬浮的龙门框架系统。

上述高精度模糊控制器由模糊逻辑控制器和模糊插值控制方法构成：

（1）模糊逻辑控制器：

其中，e是输入变量误差，ec是误差变化率，E、EC分别是e、ec的语言变量，和是量化因子, 符号表示取整运算；

（2）模糊插值控制方法：

根据模糊逻辑控制器的输入e、ec，输出u存在两种情况：

第一种情况：，，此时u可以根据悬浮支撑系统模糊数模型表查出；

第二种情况：，，此时输出，

其中为权重系数，为U的比例系数乘以U，U为u的语言变量。

上述单悬浮支撑系统的高精度模糊控制器设计时输入变量误差e与误差变化率ec的论域均为[-3 3]，输出u的论域为[-3 3]。

上述单悬浮导向系统的高精度模糊控制器设计时输入变量误差e论域为[-0.5 0.5]，误差变化率ec的论域为[-2 2]，输出u的论域为[-1 1]。

上述自适应同步控制器中，将两个单悬浮导向系统/两个单悬浮支撑系统其中的一个单悬浮导向系统/单悬浮支撑系统设为子系统1，另一个单悬浮导向系统/单悬浮支撑系统设为子系统2，传递函数分别为和，子系统1作为子系统2的参考模型，输出分别为，，将子系统1作为参考模型，因此得到的被控系统和参考模型系统分别为，，

其中和为已知；为期望值；为未知；

控制器为，为可调增益；

定义误差，考虑到系统的稳定性，应用稳定性方法设计自适应控制系统的自适应律：，其中为步长，最终得自适应控制律，K为自适应增益。

上述方法主控制程序包括以下步骤：

步骤一：系统初始化；

步骤二：开总中断；

步骤三：检测是否有结束请求信号；如果有，转到步骤八；如果没有，继续；

步骤四：检测是否有中断请求信号；

步骤五：如果没有中断信号，则等待中断转回步骤四；

步骤六：如果有中断，继续；

步骤七：启动系统控制中断子程序；

步骤八：关总中断；

步骤九：结束。

上述系统控制中断子程序的控制过程按如下步骤执行：

步骤一：保护现场；

步骤二：读取初始化数据；

步骤三：开中断；

步骤四：检测是否有中断请求信号；

步骤五：如果有中断请求信号，继续；

步骤六：如果没有中断请求信号，转到步骤四；

步骤七：启动D/A转换器；

步骤八：计算两子系统各自控制量；

步骤九：检测两子系统各自输出气隙；

步骤十：启动同步控制中断子程序；

步骤十一：启动A/D转换；

步骤十二：计算总控制量；

步骤十三：检测是否有溢出，如果有溢出，取极值，如果没有溢出，继续；

步骤十四：检测结果是否为正值，如果为正值，继续，如果为负值，取反；

步骤十五：关中断；

步骤十六：恢复现场；

步骤十七：中断返回。

上述同步控制中断子程序的控制过程按如下步骤执行：

步骤一：保护现场；

步骤二：检测同步误差信号；

步骤三：计算自适应控制律；

步骤四：启动A/D转换器；

步骤五：恢复现场；

步骤六：中断返回。

本发明的优点如下：

1.对横梁悬浮支撑系统和两侧向导向系统均采用了高精度模糊控制器，此模糊控制器能根据不同的输入情况得出不同的控制量，精确执行控制规则。基于人的操作经验基础上得到的合理的控制规则，高精度模糊控制器可以无限逼近人的操作，从而得到良好的控制效果；高精度模糊控制器理论上可以完全消除稳态误差，能够提高反映信息变化的灵敏度。

2.对同步悬浮支撑系统和同步电磁导向系统分别设计自适应同步控制器，将同步悬浮系统中的一个子系统做为模型参考系统，使得设计更简单，控制精度更高。

    3.对横梁支撑磁悬浮系统采用电磁永磁混合电磁铁，永磁体的存在提供了主要的悬浮力，降低了悬浮电源容量，减少功率损耗。可控电磁铁的存在提高了控制的灵活性；由于悬浮导向系统不考虑横梁垂直方向重力的影响，因此对横梁电磁导向系统仅采用可控电磁铁，通过控制电磁铁两端电压来实现横梁悬浮系统支撑和导向的动态平衡。

4.对横梁悬浮系统中的同步悬浮支撑系统与同步导向系统采用同一个工控机作为上位机发出指令信号，采以用DSP器件为核心的控制系统作为下位机处理信号，DSP芯片接口方便，编程方便，有很大的开发自由度；它的执行指令时间短，有很强的数字信号处理能力；由于DSP系统以数字处理为基础，因而受环境温度以及噪声等干扰的影响较小，因此具有很高的可靠性和稳定性；此外DSP芯片调节灵活，精度高。

5.进给系统采用永磁直线同步电机，同时由电磁永磁混合电磁铁将横梁悬浮，由可控电磁铁进行导向控制，彻底消除了加工过程中的摩擦现象，而且具有很大的启动推力。

附图说明：

图1为被控对象结构示意图；

图2 为单悬浮支撑系统结构示意图；

图3 为单悬浮导向系统/单悬浮支撑系统模糊控制原理图；

图4为双悬浮导向系统/双悬浮支撑系统同步控制系统原理图；

图5 为DSP与模数转换器的连接电路；

图6 为DSP与JTAG实验器连接电路；

图7 为PWM波形发生电路；

图8为光电隔离电路、功率驱动电路和悬浮系统主电路；

图9为数字控制同步支撑、同步导向龙门悬浮系统；

图10为无干扰时单悬浮支撑系统响应曲线；

图11为脉冲干扰时单悬浮支撑系统响应曲线；

图12为脉冲干扰时双悬浮支撑系统同步误差曲线；

图13为脉冲干扰时单悬浮导向系统响应曲线；

图14 为主程序控制流程图；

附图标记说明：

1.主轴伺服单元、2.龙门横梁、3.直线推进系统、4.可控电磁铁、5.电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁、6.床身、7.工作台、8.刀具、9.导轨、10.永磁铁部分、11.电磁铁绕有通电线圈部分、12.气隙磁通、13.悬浮间隙、14.控制器、15.传感器16.线圈电阻、17.功率放大器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明设计的数控机床用磁悬浮控制装置硬件部分由主电路、横梁悬浮气隙控制电路、同步控制电路和被控对象四部分组成，其中主电路包括调压电路、整流滤波单元、IPM逆变单元；横梁悬浮气隙控制电路包括PWM及驱动电路，位置、速度、电流控制电路，电流检测电路，过流保护电路，三角波发生电路，斩波电路，悬浮气隙检测电路，增益调节单元电路及气隙给定单元电路；同步控制电路包括加乘法器，积分电路；被控对象包括主轴伺服单元1、龙门横梁2、直线推进系统3、两个单悬浮导向系统构成的双悬浮导向系统4、两个单悬浮支撑系统构成的双悬浮支撑系统5、床身6、工作台7及刀具8，如图1所示，直线推进系统3选用永磁直线同步电动机，单悬浮导向系统选用可控电磁铁4，单悬浮支撑系统选用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5。

电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5包括永磁铁部分10和绕有通电线圈部分11，永磁铁部分10与导轨9之间存在悬浮间隙13，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与导轨形成气隙磁通12。通电线圈部分11一端通过线圈电阻16连接功率放大器17，另一端直接连接功率放大器17；功率放大器17连接控制器14，控制器14连接传感器15，具体结构如图2所示。

数控机床用磁悬浮系统是复杂的非线性系统，机床的加工刀具安装在悬浮横梁上，如果想获得精确的加工精度，必须建立比较精确的数学模型、高精度的控制器、高精度驱动电路、连接电路以及检测保护电路等。具体说明如下：

1.建立悬浮系统的数学模型：

1）支撑悬浮电磁铁数学模型：

首先假设系统忽略漏磁通，忽略电磁铁和导轨中的电阻，认为磁势均匀降在气隙上，并且认为电磁铁在垂直方向上运动。

根据牛顿运动定律有：

         (1)

根据电磁场理论得到电磁力和电磁铁的电压方程分别为：

           (2)

            (3)

边界条件为：

       （4）

式（1）（2）（3）（4）构成了数控机床悬浮支撑系统的数学模型。

式中：m表示悬浮横梁的质量；表示支撑电磁铁的电磁吸力；为干扰；为真空磁导率; S为支撑电磁铁铁心面积；为支撑电磁铁绕组匝数；为控制线圈的电流；为控制线圈两端的电压；为等效电阻。为永磁体的矫顽力，为永磁体充磁方向长度，为永磁体的相对磁导率，为期望支撑悬浮气隙。

2）导向悬浮电磁铁数学模型：

设导向电磁铁的预平衡力为0.5mg,同理建立导向悬浮系统的数学模型，导向系统没有永磁体部分，只有可控电磁铁，其数学模型如下：

              （5）

式中：m表示悬浮横梁的质量；表示导向电磁铁的电磁吸力；为干扰；为真空磁导率; A为导向电磁铁铁心面积；M为导向电磁铁绕组匝数；为控制线圈的电流；为控制线圈两端的电压；为等效电阻，为期望导向悬浮气隙。

2.设计控制器：

针对单悬浮支撑系统和单悬浮导向系统，采用相同设计方法和结构，设计高精度模糊控制器，针对双悬浮支撑系统和双悬浮导向系统同步控制问题，采用相同的设计方法和结构，设计自适应同步控制器，其中借助了自身子系统作为参考模型。以下以单悬浮支撑系统和双悬浮支撑系统为例，说明设计过程。

1）对于悬浮气隙控制器采用高精度模糊控制器。高精度模糊控制器由模糊逻辑控制器和模糊插值控制方法构成，如图3所示。

a.设计模糊逻辑控制器：

输入变量误差e与误差变化率ec的论域均为[-3 3]，输出u的论域为[-3 3]。E、EC及U是e、ec和u的语言变量。

                         

                         

其中，和是量化因子, 符号表示取整运算。

根据实践经验得到悬浮支撑系统相应的模糊隶属函数表1、表2、表3及模糊规则表4：

表1 悬浮支撑系统E的隶属函数值

表2 悬浮支撑系统EC的隶属函数值

表3 悬浮支撑系统U的隶属函数值

表4 悬浮支撑系统模糊规则表

将表4用模糊数表示得到模糊数模型表5：

表5 悬浮支撑系统模糊数模型表

选取E、EC和U的集合均为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。E和EC的模糊数均为{-3，-2，-1,0,1,2,3}。U的模糊数为{-3，-2，-1,0，1,2,3 }。表1，表2和表3分别给出了E，EC和U的隶属函数值。由实验经验得到模糊规则表4。在模糊逻辑推理方法中采用取大-取小，在解模糊化时采用最大值方法。根据表4建立模糊数模型如表5所示。

b.建立模糊插值方法：

模糊控制器的输入e和ec，输出u存在两种情况；

第一种情况：，，此时输出可由上表5查出。

第二种情况：，，此时的输出由以下方法来确定：

假设,,,如下定义：

所以当输入,时，输出可由表4查出，否则输出，

其中为权重系数，并且满足，

令，，

V,W分别是v,w的语言变量，均取为{Z,PS,PM,PB}={0,1,2,3}，根据实验经验可得到悬浮支撑系统插值权重系数查询表6：

表6 悬浮支撑系统插值权重系数查询表

同理导向悬浮系统输入变量误差e论域为[-0.5 0.5]，误差变化率ec的论域为[-2 2]，输出u的论域为[-1 1]。导向悬浮系统相应的模糊隶属函数表7、表8、表9及模糊规则表10：

表7 悬浮导向系统E的隶属函数值

表8 悬浮导向系统EC的隶属函数值

表9 悬浮导向系统U的隶属函数值

表10 悬浮导向系统模糊规则表

将表10用模糊数表示得到模糊数模型表11，插值权重表12：

表11 悬浮导向系统模糊数模型表

表12 悬浮导向系统插值权重系数查询表

单悬浮支撑系统执行过程如下：

步骤1：给定期望输入r,经过控制器作用于电磁悬浮系统，由位置传感器检测出输出y；

步骤2：期望输入与传感器检测得到的输出经减法器得到输入输出误差,经过微分器得到误差变化率；

步骤3：将误差e及误差变化率ec模糊化，然后输入到模糊推理机构；

步骤4：经过模糊推理运算，当满足模糊插值方法第一种情况时，直接由表5得到输出u；

步骤5：当满足模糊插值方法第二种情况时，由模糊插值方法得到输出u；

步骤6：控制器的输出控制量u直接作用于被控悬浮系统，保证悬浮系统稳定；

步骤7：返回步骤1循环执行；

单悬浮导向系统的执行过程与单悬浮支撑系统的执行过程一致。

2）自适应同步控制器：

针对双悬浮系统，本发明采用自适应控制，作为同步控制器。

a)两悬浮子系统的传递函数分别为和，将子系统1作为子系统2的参考模型，输出分别为，，此时被控系统等价于,参考模型等价于。

b)控制器为，为可调增益。

完全匹配时,此时可得到控制器参数。定义误差，考虑到系统的稳定性，应用稳定性方法设计自适应控制系统的自适应律：，其中为步长。最终得自适应控制律，K为自适应增益。双悬浮同步控制系统原理如图4所示。

双悬浮支撑系统执行过程如下：

步骤1：对子系统1和子系统2同时输入同一个期望悬浮气隙值

步骤2：子系统1与子系统2各自回路的执行过程如上述单悬浮系统的执行过程，根据给定输入r得到各子系统的输出y₁和y₂

步骤3：两子系统的输出y₁、y₂经过减法器得到两子系统的同步误差

步骤4：同步误差作用于自适应机构，通过自适应机构中自适应律的计算，得到合适的，使得，进而使同步误差趋近于零

步骤5：返回步骤1

双悬浮导向系统的执行过程与双悬浮支撑系统执行过程一致。

3.连接工作电路：

图5为DSP与模数转换器和数模转换器的连接电路，图6为DSP与JTAG实验器连接电路，图7 为PWM波形发生电路，图8为光电隔离电路、功率驱动电路和悬浮系统主电路。PWM及驱动电路分别与三角波发生电路，斩波电路相连；电流检测电路分别与位置、速度、电流控制电路，过流保护电路相连；增益调节单元电路分别与气隙给定单元电路，位置、速度、电流控制电路及悬浮气隙检测电路相连。

4.系统的工作过程：

参照图9数字控制双悬浮支撑系统、双悬浮导向系统说明系统的工作过程。双悬浮支撑系统的工作过程与双悬浮导向系统的工作过程一致。以双悬浮支撑系统为例说明系统的工作过程。上位机对子系统1与子系统2同时发给同一个期望气隙信号，两路信号同时运行，经过各自的JTAC接口，信号传送到各自下位机-DSP处理器，DSP将处理后的信号送给D/A转换器，D/A转换器把DSP输出的数字量转换成模拟量，经过功率放大器放大后得到合适大小的信号，驱动驱动器，驱动器驱动悬浮电磁铁，产生合适大小的电磁吸力，使横梁稳悬浮。此时传感器检测到输出气隙信号，将输出气隙信号送给A/D转换器，A/D转换器将接收到的模拟量转换成数字量反馈给各自DSP处理器，与此同时，两个子系统传感器检测到的输出气隙信号作用于减法器，经过合成运算后，将合成信号送给自适应同步控制器，再由同步控制器中自适应律计算出合适的控制量，此控制量是模拟量，经A/D转换器转换成数字量反馈给子系统2的DSP处理器，DSP处理器将计算结果经接口返回给工控机，同时也送给各自的后续电路，如此循环。

5.本发明的一个优选实例：

悬浮系统的系统参数如下：悬浮横梁质量m=600kg,支撑电磁铁铁心面积S=0.65*0.03 m², 支撑电磁铁绕组匝数N=380匝,电阻R=1Ω, 支撑电磁铁输出期望悬浮气隙y=0.0015m；导向电磁铁铁心面积A=0.5*0.02 m²，导向电磁铁绕组匝数M=300匝,导向电磁铁输出期望悬浮气隙x=0.001m,相对磁导率，矫顽力，永磁体的磁化方向长度。

高精度模糊控制器的基本参数：悬浮支撑系统输入变量误差e与误差变化率ec的论域均为[-3 3]，输出u的论域为[-3 3]，初始量化因子及比例因子分别为，，，隶属函数选取三角形，清晰化方法选取最大值法；导向悬浮系统输入变量误差e论域为[-0.5 0.5]，误差变化率ec的论域为[-2 2]，输出u的论域为[-1 1]。初始量化因子及比例因子分别为，，，隶属函数选取三角形，清晰化方法选取最大值法。

基于以上的参数，由工控机同时给两套双悬浮系统发信号，对于两个支撑悬浮系统给定1.5mm的气隙信号，对于两个导向悬浮系统给定1mm的气隙信号。系统的实验图如图10、图11、图12、图13所示。图10是没有扰动的情况下单悬浮支撑系统实验曲线，图11是在0.2s时给单悬浮支撑系统施加了一个100N脉冲扰动，经过0.1s很快回到原来的稳定状态。可见单悬浮支撑系统经过模糊插值逻辑控制器后有较好的鲁棒性。图12是在脉冲干扰信号下双悬浮支撑系统的同步误差曲线。分别在0.3s和0.8s给子系统突加200N和300N的干扰，经过0.3s后系统同步误差为零，据此自适应同步控制器具有较好的适应误差变化能力。图13是单悬浮导向系统响应曲线，在0.5s给子系统2突加100N的水平外力干扰，从图中可以看出两个子系统的相互影响，水平外力使子系统1的导向气隙变小，使子系统2的导向气隙变大，导向气隙的减小量与增大量相等，经过各子系统高精度模糊控制器和同步控制器的作用，导向气隙很快恢复到给定的1mm。

本发明的控制方法由嵌入DSP处理器中的程序实现，主控程序如图14所示，其控制过程按以下步骤执行：

步骤一：系统初始化；

步骤二：开总中断；

步骤三：检测是否有结束请求信号；如果有，转到步骤八；如果没有，继续；

步骤四：检测是否有中断请求信号；

步骤五：如果没有中断信号，则等待中断转回步骤四；

步骤六：如果有中断，继续；

步骤七：启动系统控制中断子程序；

步骤八：关总中断；

步骤九：结束。

系统控制中断子程序，其控制过程按如下步骤执行：

步骤一：保护现场；

步骤二：读取初始化数据；

步骤三：开中断；

步骤四：检测是否有中断请求信号；

步骤五：如果有中断请求信号，继续；

步骤六：如果没有中断请求信号，转到步骤四；

步骤七：启动D/A转换器；

步骤八：计算两子系统各自控制量；

步骤九：检测两子系统各自输出气隙；

步骤十：启动同步控制中断子程序；

步骤十一：启动A/D转换；

步骤十二：计算总控制量；

步骤十三：检测是否有溢出，如果有溢出，取极值，如果没有溢出，继续；

步骤十四：检测结果是否为正值，如果为正值，继续，如果为负值，取反；

步骤十五：关中断；

步骤十六：恢复现场；

步骤十七：中断返回。

同步控制中断子程序，其控制过程按如下步骤执行：

步骤一：保护现场；

步骤二：检测同步误差信号；

步骤三：计算自适应控制律；

步骤四：启动A/D转换器；

步骤五：恢复现场；

步骤六：中断返回。

Claims (7)

1.一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法，其特征在于：

(1)对于单悬浮导向系统/单悬浮支撑系统采用高精度模糊控制器；

(2)对于双悬浮导向系统/双悬浮支撑系统采用自适应同步控制器；

(3)单悬浮导向系统采用可控电磁铁；

(4)单悬浮支撑系统采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁；

(5)通过两个单悬浮导向系统组成的双悬浮导向系统，以及两个单悬浮支撑系统组成的双悬浮支撑系统来实现悬浮的龙门框架系统；

(6)整个控制系统硬件部分；

高精度模糊控制器由模糊逻辑控制器和模糊插值控制方法构成：

(1)模糊逻辑控制器：

E＝＜K_ee+0.5＞

EC＝＜K_ecec+0.5＞

其中，e是输入变量误差，ec是误差变化率，E、EC分别是e、ec的语言变量，K_e和K_ec是量化因子,符号＜·＞表示取整运算；

(2)模糊插值控制方法：

根据模糊逻辑控制器的输入e、ec，输出u存在两种情况：

第一种情况：K_e*e＝<K_e*e+0.5>，K_ec*ec＝<K_ec*ec+0.5>，此时u可以根据悬浮支撑系统模糊数模型表查出；

第二种情况：K_e*e≠<K_e*e+0.5>，K_ec*ec≠<K_ec*ec+0.5>，此时输出

其中k_pq为权重系数，u_pq为U的比例系数乘以U，U为u的语言变量。

单悬浮支撑系统的高精度模糊控制器设计时输入变量误差e与误差变化率ec的论域均为[-3 3]，输出u的论域为[-3 3]；并且选取悬浮支撑系统相应的模糊隶属函数为表1、表2、表3，模糊规则表4和悬浮支撑系统插值权重系数查询表5；

-3 -2 -1 0 1 2 3 NB 1 0.8 0.2 0 0 0 0 NM 0.2 0.8 1 0.8 0.2 0 0 NS 0 0 0 0.8 1 0.8 0.2 Z 0 0.2 0.8 1 0.8 0.2 0 PS 0.2 0.8 1 0.8 0 0 0 PM 0 0 0.2 0.8 1 0.8 0.2 PB 0 0 0 0 0.2 0.8 1

表1悬浮支撑系统E的隶属函数值

-3 -2 -1 0 1 2 3 NB 1 0.7 02 0 0 0 0 NM 0.2 0.7 1 0.7 0.2 0 0 NS 0 0 0 0.7 1 0.7 0.2 Z 0 0.2 0.7 1 0.7 0.2 0 PS 0.2 0.7 1 0.7 0 0 0 PM 0 0 0.2 0.7 1 0.7 0.2 PB 0 0 0 0 0.2 0.7 1

表2悬浮支撑系统EC的隶属函数值

-3 -2 -1 0 1 2 3 NB 1 0.7 0.3 0 0 0 0 NM 0.3 0.7 1 0.7 0.3 0 0 NS 0 0 0 0.7 1 0.7 0.3 Z 0 0.3 0.7 1 0.7 0.3 0 PS 0.3 0.7 1 0.7 0 0 0 PM 0 0 0.3 0.7 1 0.7 0.3 PB 0 0 0 0 0.3 0.7 1

表3悬浮支撑系统U的隶属函数值

表4悬浮支撑系统模糊规则表

表5悬浮支撑系统插值权重系数查询表。

2.根据权利要求1所述一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法，其特征在于：单悬浮导向系统的高精度模糊控制器设计时输入变量误差e论域为[-0.5 0.5]，误差变化率ec的论域为[-2 2]，输出u的论域为[-1 1]，并且选取相应的模糊隶属函数为表6、表7、表8、模糊规则表9和悬浮导向系统插值权重系数查询表10。

-0.5 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.5 NB 1 0.7 0.3 0 0 0 0 NM 0.3 0.7 1 0.7 0.3 0 0 NS 0 0 0 0.7 1 0.7 0.3 Z 0 0.3 0.7 1 0.7 0.3 0 PS 0.3 0.7 1 0.7 0 0 0 PM 0 0 0.3 0.7 1 0.7 0.3 PB 0 0 0 0 0.3 0.7 1

表6悬浮导向系统E的隶属函数值

-2 -1 -0.5 0 0.5 1 2 NB 1 0.5 0.1 0 0 0 0 NM 0.1 0.5 1 0.5 0.1 0 0 NS 0 0 0 0.5 1 0.5 0.1 Z 0 0.1 0.5 1 0.5 0.1 0 PS 0.1 0.5 1 0.5 0 0 0 PM 0 0 0.1 0.5 1 0.5 0.1 PB 0 0 0 0 0.1 0.5 1

表7悬浮导向系统EC的隶属函数值

-1 -0.5 -0.2 0 0.2 0.5 1 NB 1 0.5 0.2 0 0 0 0 NB 0.3 0.5 1 0.5 0.2 0 0 NS 0 0 0 0.5 1 0.5 0.2 Z 0 0.2 0.5 1 0.5 0.2 0 PS 0.2 0.5 1 0.5 0 0 0 PM 0 0 0.2 0.5 1 0.5 0.2 PB 0 0 0 0 0.2 0.5 1

表8悬浮导向系统U的隶属函数值

表9悬浮导向系统模糊规则表

表10悬浮导向系统插值权重系数查询表

3.根据权利要求1所述一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法，其特征在于：自适应同步控制器中，将两个单悬浮导向系统/两个单悬浮支撑系统其中的一个单悬浮导向系统/单悬浮支撑系统设为子系统1，另一个单悬浮导向系统/单悬浮支撑系统设为子系统2，传递函数分别为G₁(S)和G₂(S)，子系统1作为子系统2的参考模型，输出分别为y₁，y₂，将子系统1作为参考模型，因此得到的被控系统和参考模型系统分别为 $G_1\left(S\right)=\frac{k_{m}B\left(S\right)}{A\left(S\right)},$

其中A(S)和B(S)为已知；k_m为期望值；k_p为未知；

控制器为W(S)＝k_c，k_c为可调增益；

定义误差ε＝y₁-y₂，考虑到系统的稳定性，应用稳定性方法设计自适应控制系统的自适应律：其中λ为步长，最终得自适应控制律k_c＝∫Kεrdt，K为自适应增益。

4.根据权利要求1所述一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法，其特征在于：整个控制系统硬件部分包括主电路、横梁悬浮气隙控制电路、同步控制电路和被控对象四部分组成，其中主电路包括调压电路、整流滤波单元、IPM逆变单元；横梁悬浮气隙控制电路包括PWM及驱动电路，位置、速度、电流控制电路，电流检测电路，过流保护电路，三角波发生电路，斩波电路，悬浮气隙检测电路，增益调节单元电路及气隙给定单元电路；同步控制电路包括加乘法器，积分电路；被控对象包括两个单悬浮导向系统构成的双悬浮导向系统、两个单悬浮支撑系统构成的双悬浮支撑系统以及由支撑、导向系统悬浮的龙门横梁框架系统。

5.根据权利要求1所述一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法，其特征在于：所述方法主控制程序包括以下步骤：

步骤一：系统初始化；

步骤二：开总中断；

步骤三：检测是否有结束请求信号；如果有，转到步骤八；如果没有，继续；

步骤四：检测是否有中断请求信号；

步骤五：如果没有中断信号，则等待中断转回步骤四；

步骤六：如果有中断，继续；

步骤七：启动系统控制中断子程序；

步骤八：关总中断；

步骤九：结束。

6.根据权利要求5所述一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法，其特征在于：系统控制中断子程序的控制过程按如下步骤执行：

步骤一：保护现场；

步骤二：读取初始化数据；

步骤三：开中断；

步骤四：检测是否有中断请求信号；

步骤五：如果有中断请求信号，继续；

步骤六：如果没有中断请求信号，转到步骤四；

步骤七：启动D/A转换器；

步骤八：计算两子系统各自控制量；

步骤九：检测两子系统各自输出气隙；

步骤十：启动同步控制中断子程序；

步骤十一：启动A/D转换；

步骤十二：计算总控制量；

步骤十三：检测是否有溢出，如果有溢出，取极值，如果没有溢出，继续；

步骤十四：检测结果是否为正值，如果为正值，继续，如果为负值，取反；

步骤十五：关中断；

步骤十六：恢复现场；

步骤十七：中断返回。

7.根据权利要求6所述一种数控机床用多磁悬浮系统同步稳定悬浮的控制方法，其特征在于：同步控制中断子程序的控制过程按如下步骤执行：

步骤一：保护现场；

步骤二：检测同步误差信号；

步骤三：计算自适应控制律；

步骤四：启动A/D转换器；

步骤五：恢复现场；

步骤六：中断返回。