交流磁轴承电主轴系统优化设计与试验研究

发布时间：2020-03-23 06:09

【摘要】：磁轴承具有无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点,在高速机床电主轴系统中具有潜在应用前景。磁轴承从根本上改变了传统的支承方式,为高速电主轴系统技术水平的提高创造了有利条件。由于目前国内外对磁轴承的研究多为主动的直流控制式磁轴承,而直流功放相对于逆变器成本较高。根据无轴承电机的原理,本课题组研究设计了新型的交流二自由度混合磁轴承和集径向、轴向控制于一体的交直流三自由度混合磁轴承,均采用交流功率逆变器提供径向控制电流。本论文工作是在国家自然科学基金项目“交流混合磁轴承支承高速机床电主轴系统研究”(50575099)和国家高新技术研究发展计划(863计划)项目“基于无轴承永磁同步电机的机器人伺服驱动系统”(2007AA04Z213)的联合资助下开展的。论文在研究五自由度交流混合磁轴承支承高速电主轴的整体结构的基础上,设计并优化了交流二自由度混合磁轴承和交直流三自由度混合磁轴承的机械结构和磁路结构;构建了五自由度交流混合磁轴承支承高速电主轴的数字控制系统;对高速机床电主轴的五自由度悬浮支承技术进行了基础理论和典型试验研究,具体研究内容如下: 1.介绍了交流混合磁轴承系统的工作原理;在分析了几种典型磁轴承的结构和工作原理的基础上,阐述了交流混合磁轴承参数设计方法和步骤;设计了2种五自由度交流混合磁轴承支承的高速电主轴的机械结构。 2.分别对用于高速电主轴悬浮支承的交流二自由度混合磁轴承和交直流三自由度混合磁轴承进行了结构设计和优化,采用等效磁路法对2种磁轴承的磁路进行了推算,导出了悬浮力计算公式及数学模型。依据数学模型,分别提出了交流二自由度混合磁轴承和交直流三自由度混合磁轴承的控制策略,给出了相关设计参数。采用仿真软件MATLAB对各自悬浮力的非线性和交叉耦合性特性进行了仿真分析;采用有限元分析软件ANSOFT对轴承的机械结构和磁路结构进行了计算分析,验证了结构设计的合理性和可行性。 3.采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为五自由度交流混合磁轴承系统的数字控制器,设计了五自由度交流混合磁轴承的数字控制系统,研制了位移接口电路、DSP开发板、功率驱动电路等硬件电路;设计了相关软件,给出了相关的程序流程图。 4.以交流二自由度混合磁轴承为研究对象,对五自由度交流混合磁轴承支承高速电主轴系统进行了典型试验研究,给出了试验调试的方法和步骤,开发设计了基于可视化窗口的VB调试界面;分别进行了起浮试验、稳定悬浮试验、抗干扰试验等;给出了相关的位移波形图和电流波形图,并对试验结果进行了分析,给出了试验结论,验证了理论的正确性。理论研究与实验结果表明:本论文设计的用于高速机床电主轴悬浮支承的五自由度交流混合磁轴承系统,结构设计合理、参数设计正确,构建的数字控制系统控制性能良好。
【图文】：

磁轴承,高速电主轴,结构示意图,径向磁轴承

传统的磁浮电主轴系统的转子由3个直流主动磁轴承来支承，其中2个径向磁轴承，每个径向磁轴承控制径向相互垂直的2个方向，另l个轴向推力磁轴承控制轴向自由度，如图1.1所示;采用直流控制，直流功率放大器价格高，体积大，1个径向磁轴承通常需要4路单极性(或2路双极性)功率放大电路，从而直接导致了磁轴承支承的电主轴系统体积大、功耗高、造价昂贵，大大限制了其应用领域，特别是在航空航天及军事应用领域19一’3]。轴向磁轴承径向磁轴承高速电机径向磁轴承{握三馨叁图1.1五白由度磁轴承支承的高速电主轴结构示意图

系统原理图,差动控制,磁轴承,单自由度

1.3.1磁轴承系统构成及其工作原理一个完整的磁轴承系统由转子，，电磁铁，控制器，功率放大器、带位移传感器的位移检测电路等部分组成12’一24]，如图1.2所示为单自由度主动直流磁轴承差动控制系统构成和工作原理示意图。由图1.2可知，该磁轴承系统由2个电磁铁控制1个自由度，电磁铁的偏磁电流相同为i0，假设转子由于扰动向下偏移一个很小的距离x0，传感器检测出悬浮球偏移平衡位置的位移偏移量x。，位置控制器将此位移变换成控制信号份，电磁铁(a)的控制电流ic+为l’0+l’u经功率放大器转换后而得，由于控制电流增加，使气隙磁通量增大，因而电磁铁(a)产生的磁
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH133.3

【参考文献】