交流磁軸承支承電主軸系統(tǒng)設計與控制研究.pdf

1、磁軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子之間沒有機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，在機械加工、航空航天、能源等領域中具有潛在應用價值，尤其在數(shù)控機床電主軸系統(tǒng)中要實現(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)外對磁軸承的研究多為直流式磁軸承，而直流開關功率放大器相對于交流逆變器來說其體積大、功耗大及成本高。論文研究設計了新型的三相交流主動磁軸承和集徑

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，三自由度主動磁軸承利用軸向線圈同時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。在此基礎上，論文設計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)方法對電主軸系統(tǒng)進行解耦控制，為電主軸進入實用化研究奠定了基礎。
　　 論文工作是在國家自然科學基金項目“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)展計劃(863計劃)項目“基于無軸承永磁同步電機的機器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)(2007AA04Z213)”等資助下開展的。主要研究工作如下：
　　 1.設計了用于高速電主軸一端懸浮支承的三相交流主動磁軸承，采用等效磁路法對磁軸承的磁路進行了計算，導出了懸浮力數(shù)學模型。依據(jù)數(shù)學模型及性能要求，給出了相關設計參數(shù)的方法，并研究了其控制策略。采用MATLAB仿真軟件對各自

4、懸浮力的非線性和耦合性特性進行了仿真分析，驗證了結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。
　　 2.設計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磁軸承，闡述了該新型磁軸承的結(jié)構(gòu)和工作機理，采用等效磁路法推導出徑向和軸向懸浮力數(shù)學模型。根據(jù)懸浮力要求設計了實驗樣機相關參數(shù)，采用ANSOFT軟件對磁軸承的機械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)進行了計算分析，并對懸浮力的非線性和耦合性特性進行了仿真分析，提出了徑向-軸向共用偏磁電流控制策略。
　

5、　 3.設計了二種五自由度交流磁軸承支承的電主軸的機械結(jié)構(gòu)，并設計了電主軸樣機參數(shù)，建立了五自由度交流磁軸承電主軸的狀態(tài)方程。
　　 4.針對五自由度交流磁軸承系統(tǒng)多變量、非線性、強耦合的特點，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)復合，從而將五自由度主動磁軸承解耦成五個相對獨立的位移子系統(tǒng)，采用線性系統(tǒng)理論對偽線性系統(tǒng)進行了綜合和仿真，仿真試驗表明采用逆系統(tǒng)控制策略實現(xiàn)了系統(tǒng)五自由度之間的動態(tài)解耦

6、。
　　 5.采用TMS320F2812 DSP芯片作為五自由度主動磁軸承系統(tǒng)的數(shù)字控制器的CPU，設計了數(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.以三相交流主動磁軸承為研究對象，對五自由度主動磁軸承支承高速電主軸系統(tǒng)進行了典型試驗研究，給出了試驗調(diào)試的方法和步驟，開發(fā)設計了基于可視化窗口的VB調(diào)試界面；分別進行了起浮試驗、穩(wěn)定懸浮試驗、抗干擾試驗等；給出了相關的位移波形圖，