用于数控机床的磁悬浮支承系统及其控制技术

论文摘要

磁悬浮技术是利用磁场力将物体悬浮于空间，使其与其它物体没有直接机械接触的一种新型支承技术。由于它具有无摩擦、无磨损、无污染、低噪声以及寿命长等优点，因此在交通、航空航天、机械加工、能源、化工等工业及高科技领域有着广泛的应用前景。尤其是在高档数控机床中要实现高精度、高速度的旋转和直线运动，磁悬浮支承应当是理想的选择之一。本文的主要工作和目标是研究可用于高档数控机床的高速、高精度运动机构中的磁悬浮支承技术，其中包括磁悬浮轴承支承的高速高精度机床电主轴系统(旋转支承)和磁悬浮导轨支承的高速高精度机床平台系统(平动支承)。本文系统地综述了国内外磁悬浮支承技术的发展概况、发展趋势，以及本课题研究的现实意义、重要性和可行性；建立了磁悬浮轴承(简称磁轴承)与磁悬浮平台的数学模型)，并考虑了多自由度系统陀螺力矩耦合问题，以863项目完成的磁悬浮支承电主轴和磁悬浮支承平台为研究对象，计算分析了陀螺效应系数：利用ANSYS软件对上述磁悬浮支承电主轴的磁场分布情况进行模拟分析，研究电磁径向轴承和推力轴承磁场形成规律和漏磁现象，并找出系统磁场分布的变化规律和影响因素，为电磁轴承结构优化设计和控制电流方向的选择提供理论参考：分析研究了电磁推力轴承和径向轴承的位置刚度系数、电流刚度系数随悬浮体(推力盘和转子)的偏移量和控制电流变化而变化的规律，为电磁轴承控制系统的设计和智能磁力轴承的实现提供依据；按控制系统的硬件要求及时序配合要求，构造以数字信号处理器为核心的数据采集、控制及功率输出的硬件系统；为降低成本和提高可靠性以及实现智能控制，研制磁悬浮支承系统的专用控制芯片；探索磁悬浮支承系统实现智能化的途径，研究其设计过程和应用过程的关键技术。在实验方面，在上述研究结果的基础上，研制完成了相应的传感器变换电路、数字控制调节器、开关功率放大器及必要的机械装置，构建一个5自由度磁悬浮支承电主轴和一个6自由度磁悬浮支承平台(模拟机床进给导轨)。在不同的状态(如不同转速)下分别对转子和平台的振动状况、精度和刚度等进行全面的测量和分析，探索磁悬浮支承系统在高速高精度机床应用中存在的各种问题，并力求提出解决的可行性方案。通过以上研究，完成的5自由度磁悬浮铣床电主轴和6自由度磁悬浮平台样机的相关技术指标在国内同类研究中居于前列。本文的理论分析结果也经过相应的实验得到了验证。特别值得一提的是，本文中涉及的磁悬浮平台系统在国内可谓首屈一指，是国内第一台6自由度磁悬浮支承的平台样机，其技术指标在国内可居领先水平；而22kW的5自由度磁悬浮铣床电主轴转速已达到27kr/min，如此大功率的电主轴在国内还未见报道。两台样机于2004年11月4日至9日举行的上海第六届国际工业博览会上成功展览，得到参观者的关注和好评。并以平台静态悬浮精度(振动幅度)≤1μm，动态精度(振动幅度)≤10μm。总承载力105.5kg，单位面积承载力≥0.3N/mm~2等技术指标于2006年8月9日在北京通过863专家组验收。同时，本文介绍的磁悬浮支承系统专用IC芯片的研制也为该领域的研究和发展揭开了新的一页，它将对磁悬浮技术的研究和应用、为磁悬浮支承系统的智能化和系列化提供积极的手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题来源及研究意义
• 1.2.1 课题来源
• 1.2.2 研究的意义
• 1.3 磁悬浮支承技术的发展概况及趋势
• 1.3.1 国外发展概况
• 1.3.2 国内发展概况
• 1.3.3 国内外发展趋势
• 1.4 本文的研究内容、重点解决的问题及研究方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 重点解决的问题
• 1.4.3 研究方法
• 1.5 论文的结构安排
• 第二章 磁悬浮支承系统模型与结构
• 2.1 磁悬浮支承系统的模型分析
• 2.1.1 单自由度磁悬浮支承系统
• 2.1.2 单自由度磁悬浮支承系统的数学模型
• 2.1.3 多自由度磁悬浮支承系统的数学模型
• 2.2 磁悬浮支承系统的结构
• 2.2.1 磁悬浮支承电主轴结构
• 2.2.2 磁悬浮支承平台结构
• 2.2.3 磁悬浮支承平台超静定力分析
• 2.3 分析与讨论
• 2.4 本章小结
• x和电流刚度k_i的特性研究'>第三章 AMB磁场有限元分析及位移刚度系数k_x和电流刚度k_i的特性研究
• 3.1 ANSYS有限元磁场分析
• 3.1.1 电磁轴承 FEM理论
• 3.1.2 模型生成
• 3.1.3 磁场分析
• 3.1.4 有限元力计算
• 3.2 位移和电流刚度系数的影响分析
• 3.2.1 电磁径向轴承
• 3.2.2 电磁推力轴承
• 3.2.3 工程应用
• 3.3 本章小结
• 第四章 磁悬浮支承系统控制器硬件设计
• 4.1 模拟控制器
• 4.2 数字控制器
• 4.2.1 数字信号处理器
• 4.2.2 系统电源设计
• 4.2.3 时钟与复位电路设计
• 4.2.4 模数转换接口电路与滤波电路设计
• 4.2.5 存储器扩展
• 4.2.6 数模转换电路设计
• 4.2.7 串行通信接口设计
• 4.2.8 键盘与 LCD显示电路
• 4.3 功率放大器
• 4.3.1 线性功率放大器
• 4.3.2 开关功率放大器
• 4.4 变频调速器
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁悬浮支承系统专用控制芯片的研究
• 5.1 专用控制芯片方案设计
• 5.2 数字 ASIC设计流程
• 5.2.1 数字 ASIC设计流程简介
• 5.2.2 硬件描述语言设计方法
• 5.2.3 数字 ASIC前端设计
• 5.2.4 数字 ASIC后端设计
• 5.3 专用控制器的ASIC设计
• 5.3.1 磁轴承 ASIC控制器实施方案
• 5.3.2 FIFO、滤波和均值计算
• 5.3.3 PWM发生模块
• 5.4 实验结果
• 5.5 进一步改进计划
• 5.6 本章小结
• 第六章 磁悬浮支承系统控制方案设计
• 6.1 数字控制器设计的基本方法
• 6.1.1 模拟化设计方法
• 6.1.2 离散化设计方法
• 6.2 数字 PID控制方案
• 6.2.1 单自由度磁轴承系统的开环传递函数
• 6.2.2 PID控制器的设计
• 6.2.3 PID控制参数的仿真
• 6.3 模糊-PID控制方案
• 6.3.1 磁轴承非线性特性
• 6.3.2 模糊-PID复合控制
• 6.4 控制方案实验研究
• 6.5 智能磁力轴承构想
• 6.5.1 智能磁力轴承的原理
• 6.5.2 参数的自动识别
• 6.5.3 数字控制器与系统指标关系
• 6.6 本章小结
• 第七章 试验及指标测定
• 7.1 研究成果
• 7.2 试验及测试
• 7.2.1 测试环境
• 7.2.2 测试内容
• 7.2.3 磁悬浮支承电主轴静态悬浮试验
• 7.2.4 磁悬浮支承电主轴高速运转试验
• 7.2.5 磁悬浮支承平台静态悬浮试验
• 7.2.6 磁悬浮支承平台加载悬浮试验
• 7.2.7 磁悬浮支承平台运动悬浮试验
• 7.3 问题及解决方案
• 7.3.1 开关功放产生的尖峰毛刺
• 7.3.2 辅助轴承产生的振动
• 7.3.3 高频噪声干扰的影响及消除
• 7.4 指标测定
• 7.4.1 测试方法
• 7.4.2 测试数据及分析
• 7.4.3 测试结果
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文主要研究成果和创新点
• 8.2 今后继续开展本研究工作的设想
• 参考文献
• 攻读博士学位期间公开发表的论文
• 攻读博士学位期间完成和在研的科研项目
• 攻读博士学位期间获得的发明专利
• 致谢