磁懸浮電主軸三極混合磁軸承非線性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、高速切削技術(shù)提出以后，電主軸向著更高速、高精度的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械軸承由于存在摩擦，越來越不能滿足高速運(yùn)行的要求，因此利用磁懸浮軸承無磨損、轉(zhuǎn)速高、精度高、損耗低的特點(diǎn)，對高速電主軸進(jìn)行磁懸浮支承能夠大大提高電主軸的性能。由于三極磁軸承具有徑向磁軸承最簡單的定子結(jié)構(gòu)，并且能夠采用技術(shù)成熟、成本低的三相功率逆變器驅(qū)動，因此本文在江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2012707）和江蘇省研究生創(chuàng)新工程項(xiàng)目（KYLX_1046）的資助下，針對高速

2、電主軸的三極磁軸承支承系統(tǒng)開展研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　1.設(shè)計(jì)了磁懸浮電主軸的整體結(jié)構(gòu)，采用三極徑向-軸向混合磁軸承支承轉(zhuǎn)軸的前端徑向兩個自由度和軸向自由度，采用雙片式三極混合磁軸承支承轉(zhuǎn)軸的后端徑向兩個自由度，針對磁懸浮電主軸的電機(jī)參數(shù)，給出了前端徑向-軸向磁軸承和后端徑向磁軸承的承載力要求。介紹了三極徑向-軸向混合磁軸承和三極混合磁軸承的工作原理，建立了其數(shù)學(xué)模型，分析了逆變器驅(qū)動對三極磁軸承徑向承載力的影響，發(fā)現(xiàn)x軸負(fù)

3、方向的承載力最小，因此根據(jù)x軸負(fù)方向滿足承載力要求設(shè)計(jì)了前端和后端磁軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　2.三極磁軸承與傳統(tǒng)的徑向四極或八極磁軸承的懸浮力特性不同，其非線性更強(qiáng)，并且徑向兩個自由度之間存在耦合，因此針對未線性化的懸浮力數(shù)學(xué)模型分析徑向懸浮力與控制電流之間的非線性關(guān)系和徑向兩個自由度之間的耦合。并采用有限元仿真驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，三極徑向-軸向混合磁軸承和三極混合磁軸承的徑向懸浮力特性非常相似：x軸方向懸浮力

4、與控制電流之間為一元二次方程關(guān)系，并且隨著y方向控制電流的平方減小，y軸方向懸浮力與控制電流之間為線性關(guān)系，并且斜率隨著x方向控制電流的增大而減小。
　　3.由于三極磁軸承懸浮力的強(qiáng)非線性和耦合特性，針對三極磁軸承采用線性控制理論中的控制方法具有本質(zhì)的缺陷，因此將逆系統(tǒng)解耦方法與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性函數(shù)的逼近功能相結(jié)合，在懸浮力非線性模型的基礎(chǔ)上，分析了三極徑向-軸向混合磁軸承和三極混合磁軸承的可逆性，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆方法實(shí)現(xiàn)非

5、線性解耦控制。
　　4.設(shè)計(jì)了電主軸三極磁軸承支承系統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件和軟件。設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的數(shù)字控制器，轉(zhuǎn)子位移檢測模塊，軸向功率驅(qū)動電路和徑向功率驅(qū)動電路。軟件部分包括主程序、主中斷服務(wù)子程序以及實(shí)現(xiàn)各功能模塊子程序，介紹了其設(shè)計(jì)流程圖。提出了一種近似測量懸浮力與控制電流之間關(guān)系的方法，驗(yàn)證了關(guān)于三極混合磁軸承徑向懸浮力-電流特性的分析?；谒鶚?gòu)建的數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子起浮、穩(wěn)定懸浮、擾動和負(fù)載等實(shí)驗(yàn)研究

6、。提出了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制的實(shí)現(xiàn)方法與步驟。
　　5.根據(jù)三極徑向-軸向混合磁軸承徑向懸浮力-電流特性的計(jì)算過程，分析出懸浮力非線性及耦合產(chǎn)生的原因，并針對該原因提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法，即提出了六極徑向-軸向混合磁軸承。介紹了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的磁軸承工作原理，推導(dǎo)了其懸浮力數(shù)學(xué)模型，針對未線性化的懸浮力模型分析了徑向懸浮力-電流特性，并進(jìn)行了有限元仿真驗(yàn)證，證明了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的磁軸承徑向懸浮力非線性大大減小，且?guī)缀鯖]有耦合。根據(jù)傳統(tǒng)三自由度磁軸