交流磁軸承支承電主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制研究.pdf

1、磁軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實(shí)現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承，具有無摩擦磨損、無需潤滑和密封、轉(zhuǎn)速高、精度高、壽命長等許多突出優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械加工、航空航天、能源等領(lǐng)域中具有潛在應(yīng)用價(jià)值，尤其在數(shù)控機(jī)床電主軸系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度、高速旋轉(zhuǎn)，磁懸浮技術(shù)是理想的選擇之一。目前國內(nèi)外對(duì)磁軸承的研究多為直流式磁軸承，而直流開關(guān)功率放大器相對(duì)于交流逆變器來說其體積大、功耗大及成本高。論文研究設(shè)計(jì)了新型的三相交流主動(dòng)磁軸承和集徑

2、向、軸向控制于一體的徑向-軸向共用偏磁電流的三自由度主動(dòng)磁軸承，均采用三相功率逆變器提供徑向控制電流，大大減小了功率放大器體積，降低了功率損耗，降低了成本，三自由度主動(dòng)磁軸承利用軸向線圈同時(shí)為軸向和徑向提供偏磁磁通，大大提高了磁軸承徑向的承載力。在此基礎(chǔ)上，論文設(shè)計(jì)了五自由度電主軸系統(tǒng)，建立了狀態(tài)方程，并采用逆系統(tǒng)方法對(duì)電主軸系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制，為電主軸進(jìn)入實(shí)用化研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 論文工作是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于交流混

3、合磁軸承支承高速電主軸系統(tǒng)研究(50575099)”和國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“基于無軸承永磁同步電機(jī)的機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2007AA04Z213)”等資助下開展的。主要研究工作如下：
　　 1.設(shè)計(jì)了用于高速電主軸一端懸浮支承的三相交流主動(dòng)磁軸承，采用等效磁路法對(duì)磁軸承的磁路進(jìn)行了計(jì)算，導(dǎo)出了懸浮力數(shù)學(xué)模型。依據(jù)數(shù)學(xué)模型及性能要求，給出了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，并研究了其控制策略。采用MATLAB仿真軟件對(duì)各自

4、懸浮力的非線性和耦合性特性進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。
　　 2.設(shè)計(jì)了用于高速電主軸另一端懸浮支承的徑向-軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承，闡述了該新型磁軸承的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，采用等效磁路法推導(dǎo)出徑向和軸向懸浮力數(shù)學(xué)模型。根據(jù)懸浮力要求設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)相關(guān)參數(shù)，采用ANSOFT軟件對(duì)磁軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)懸浮力的非線性和耦合性特性進(jìn)行了仿真分析，提出了徑向-軸向共用偏磁電流控制策略。
　

5、　 3.設(shè)計(jì)了二種五自由度交流磁軸承支承的電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了電主軸樣機(jī)參數(shù)，建立了五自由度交流磁軸承電主軸的狀態(tài)方程。
　　 4.針對(duì)五自由度交流磁軸承系統(tǒng)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，采用α階逆系統(tǒng)方法構(gòu)造了五自由度交流磁軸承的逆系統(tǒng)，并與原控制系統(tǒng)復(fù)合，從而將五自由度主動(dòng)磁軸承解耦成五個(gè)相對(duì)獨(dú)立的位移子系統(tǒng)，采用線性系統(tǒng)理論對(duì)偽線性系統(tǒng)進(jìn)行了綜合和仿真，仿真試驗(yàn)表明采用逆系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)五自由度之間的動(dòng)態(tài)解耦

6、。
　　 5.采用TMS320F2812 DSP芯片作為五自由度主動(dòng)磁軸承系統(tǒng)的數(shù)字控制器的CPU，設(shè)計(jì)了數(shù)字控制器的硬件電路，并用C語言和匯編語言混合開發(fā)了磁軸承數(shù)字控制器的軟件。
　　 6.以三相交流主動(dòng)磁軸承為研究對(duì)象，對(duì)五自由度主動(dòng)磁軸承支承高速電主軸系統(tǒng)進(jìn)行了典型試驗(yàn)研究，給出了試驗(yàn)調(diào)試的方法和步驟，開發(fā)設(shè)計(jì)了基于可視化窗口的VB調(diào)試界面；分別進(jìn)行了起浮試驗(yàn)、穩(wěn)定懸浮試驗(yàn)、抗干擾試驗(yàn)等；給出了相關(guān)的位移波形圖，