磁悬浮支承系统中数控技术及功率放大器的应用研究

发布时间：2020-08-31 10:38

　　 本文主要研究磁悬浮支承系统功率放大器，包括其原理、特点、设计方法及应用技术，特别是专门应用于高档数控机床的运动机构，如高速高精度机床电主轴(旋转支承)及高速高精度平台(机床导轨)(平动支承)中的功率放大器。 对于一个主动磁悬浮支承(轴承)系统而言，其中的核心理论和技术是主动磁悬浮理论及其支承技术，就其硬件部分来讲，主要由四大方面组成：位置传感与检测、信号控制与调节、电源与功率放大以及轴承与转子。本文在对当前磁悬浮支承(轴承)系统中的控制器技术及理论进行讨论的前提下，重点针对功率放大部分存在的问题和不足进行分析研究，并在此基础上提出相应的解决思路，同时，完成了切实可行的设计方案，包括采用线性器件构建的磁悬浮支承平台系统用的模拟功率放大器、采用开关器件构建的磁悬浮支承电主轴系统用的开关功率放大器；并对可能由于磁悬浮支承部件材料的B—H磁化曲线引起的电磁力非线性影响进行了分析讨论，提出了一种以克服这种非线性影响为目的的智能化功率放大器的构想，并讨论了其实现的可行性。论文主要以国家863计划项目“高档数控机床中的磁悬浮支承技术”(课题编号：2001AA423310)为依托，以其研究内容为本文的主要工作背景，以相关的理论分析及其实验数据为依据进行撰写，其中部分问题的提出则与国家自然科学基金项目“磁轴承智能化的机理及关键技术研究”(项目资助号：50475181)有一定的相关性。 在磁悬浮支承系统中，稳定的悬浮(支承)力是依靠调整支承体(通常为电磁铁，在旋转机械中则称为轴承)激磁线圈中的电流来达到的，其中功率放大器的性能与支承系统的控制精度和技术指标密切相关。被支承体(在旋转机械中通常称为转子)与支承体之间的间隙是随着被支承体的高速运动而时刻发生着变化，需要实时地根据被支承体的位置情况对激磁线圈中的电流进行调整，达到稳定悬浮及可靠工作的目的。因此，主动磁悬浮支承系统中的控制器研究一度成为研究者关注的焦点之一。随着研究工作向实际应用方面的转变，功率放大器及其性能的优劣正在逐步成为应用者不得不关注的核心技术之一，也是决定磁悬浮支承系统性能的一个关键部件。目前在磁悬浮支承系统中流行的功率放大器主要有两大类：线性功放和开关功放。但由于两者的各自特点，在应用中应当说是各有利弊。另外，功率放大器输出通常采用差动式结构，以克服电磁力与线圈中电流之间的非线性影响。但磁性材料B—H曲线的非线性因素，在功率放大器做差动式输出时，也有可能会引起电磁铁吸力的不对称现象，给实际应用带来不利的影响，如控制电流的动态范围是否会减小等，因此，本文拟对磁性材料的B—H曲线的非线性影响做一定的分析和研究，以期找出解决的方法来尽可能满足主动磁悬浮支承技术在数控机床中应用的要求。 本文首先分析研究了磁悬浮支承系统的基本工作原理，并在此基础上，分析和讨论了磁悬浮支承系统对功率放大器的要求，提出了适合不同类型磁悬浮支承系统的功率放大器设计方案。 本文还分析、研究和实施了可用于旋转支承(电主轴)及平移支承(导轨或平台)的线性功率放大器。同时，分析、研究并实施了可用于旋转支承的开关功率放大器。其后，针对实验中发现的问题，总结和分析后，提出了一种智能型非线性增益开关功率放大器(简称非线性功放)的构想，以期专门针对磁性材料的非线性问题，从而解决磁悬浮系统中难于解决的关键问题——非线性影响问题。 非线性功放的主要特征是在特殊设计的程序控制下能够实现“根据磁性材料的非线性特性自动调整功放的增益”的作用，从而消除系统中这方面的非线性的影响。 本文的主要工作及贡献在于：以863计划项目的研究内容为目标，完成适用于相关样机的磁悬浮支承系统的功率放大器的分析、研究、设计和调试工作，并建立了相关的分析和设计理论和方法；提出了一种新颖的非线性功放的设计思想，期望这种功率放大器具有一定智能化，可对磁悬浮支承系统中由于铁磁材料引起的非线性问题进行有效补偿，其构思对实现其他类似系统的智能化有一定的借鉴和参考作用。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2006
【中图分类】：TH133.3;TG659
【部分图文】：

物力进行主动磁悬浮支承技术研究，不少国家已具备相当的研制与应用能力，从而揭开了磁悬浮轴承在航天器上应用的序幕[9]、[’0】。目前，磁悬浮支承技术己在高速轨道交通、卫星的高速导航陀螺(图1一la)、空气分离设备及特种电机(如高速离心机)中得到了应用，此后，磁悬浮轴承很快被应用到国防、航天等各个尖端技术领域【’“〕、;1993年，苏黎世联邦工学院的R.schoeb首次实现交流电机的无轴承技术【川;2000年，苏黎世联邦工学院的S.Slibe:研制出无轴承单相电机，再一次在无轴承电机研究历史上前进了一步，降低了控制系统的费用【’2]’;2006年第10届国际磁

圣1.3机床用磁悬浮支承系统的介绍磁悬浮支承系统因其具体形式的不同而存有异同。对于机床用磁悬浮支承电主轴(图1一2为其示意图)，磁悬浮支承系统主要由径向磁力轴承(2个)、轴向磁力轴承(1个)以及相应的控制器、传感器和功率放大器组成。其径向磁力轴承主要承担高频旋转动力学载荷(包括由转子残余不平衡质量产生的动力学负载和由加工刀具产生的高频周期性恒定力载荷)。对于磁悬浮支承机床导轨(平台)(图1一3为其示意图)，磁悬浮支承系统则由4对垂直可控电磁铁和2对水平电磁铁分别组成平台的垂直和水平支承结构，加之其控制器、传感器、功率放大器组成完整的支承系统。垂直安装的电磁铁主要承担平台的自身重量(静载荷)和由于移动、刀具加工振动以及外界干扰产生的多频段组合载荷(动载荷)[91.[‘0]。磁悬浮支承电主轴和机床导轨(平台)的控制框图分别示于图1一2和图1一3中。观察2图不难得出:除去机械部分的不尽相同外，其中的电子控制部分是基本相同的。都由传感器、控制器和功率放大器组成。忽略其载荷作用力的类型和方向，并对转动惯量造成的陀螺效应不予考虑，那么，无论是磁悬浮支承电主轴中的磁力轴承还是磁悬浮支承平台中的电磁铁，其基本工作原理均可由1个(单)自由度上磁悬浮支承系统来说明(见图卜4)。径向传感器径向磁力轴承轴向磁力轴承径向磁力轴承径向传感器 tttttttttttttt

图1一3磁悬浮支承平台单自由度磁悬浮支承系统的结构图及控制原理框图分别见图1一4a和图l一4b。设磁悬浮支承的对象(被悬浮体)处于上下2个受控电磁铁之间，平衡时电磁铁中的电流为I。(称为偏磁电流)，两边的气隙相等且为吼。当由于某种原因导致被悬浮体发生位移y，经传感器反馈后在电磁铁内产生控制电流(增量)为AI，且在上下两个电磁铁中的方向相反，其产生的恢复力合力的方向如图中所示。在磁悬浮支承系统理想工作状态下，(机床导轨)系统框图功放[\、、、、电磁铁单自由度磁悬浮支承系统模型一口一口一一L贝钮一一一a iiiii...1。 ___‘‘ 111(b)单自由度磁悬浮支承系统工作原理图1一4单自由度磁悬浮支承系统当上电磁铁线圈中的电流增加，所产生的吸力增加时

【引证文献】

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1 黄振跃;朱q

本文编号：2808685