用于支承高速电主轴的交流磁轴承结构优化与系统设计

论文摘要

磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间,实现定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承,具有无摩擦磨损、无需润滑和密封、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点,在数控机床等机械加工领域中具有潜在应用价值。目前国内外对磁轴承的研究多为直流式磁轴承,而直流开关功率放大器相对于交流逆变器来说其体积大、功耗大及成本高。论文研究设计了新型的三相交流主动磁轴承和集径向、轴向控制于一体的径向-轴向共用偏磁电流主动磁轴承,均采用三相功率逆变器提供径向控制电流,大大减小了功率放大器体积,降低了功率损耗,降低了成本,三自由度主动磁轴承利用轴向线圈同时为轴向和径向提供偏磁磁通,大大提高了磁轴承径向的承载力。在此基础上,论文设计了用于支承高速电主轴的五自由度磁轴承样机以及数字控制系统,为电主轴进入实用化研究奠定了基础。文章主要研究工作如下:首先,设计了用于高速电主轴悬浮支承的三相交流主动磁轴承和径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承,采用等效磁路法对两种磁轴承的磁路进行了计算,导出了其径向和轴向悬浮力数学模型。依据数学模型及性能要求,给出了相关设计参数的方法。采用仿真软件MATLAB对各自悬浮力的非线性和耦合性特性进行了仿真分析,采用ANSOFT软件对磁轴承的机械结构和磁路结构进行了计算分析,并分别提出了两种新型磁轴承的控制策略。其次,在MATLAB/SIMULINK仿真环境下,构建了径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承控制系统仿真模型,并进行了仿真研究。仿真结果表明,采用分散的PID对各自由度进行控制,系统具有良好的动静态性能。最后,采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为五自由度交流磁轴承系统的数字控制器,设计了数字控制器的硬件电路以及软件流程图。理论研究与仿真表明:本论文研究的用于高速机床电主轴悬浮支承的五自由度交流磁轴承系统,结构和参数设计合理,构建的数字控制系统合理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁轴承系统概况
• 1.2 磁轴承支承技术的研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 国内外发展趋势
• 1.3 课题来源及研究意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题研究目的及意义
• 1.4 论文工作的提出与内容安排
• 第二章 五自由度交流主动磁轴承结构优化与系统建模
• 2.1 五自由度交流主动磁轴承支承的高速电主轴机械结构
• 2.2 五自由度交流主动磁轴承结构与工作机理
• 2.2.1 三相交流主动磁轴结构与工作原理
• 2.2.2 径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承结构与工作机理
• 2.3 五自由度交流主动磁轴承系统数学模型
• 2.3.1 三相交流主动磁轴承数学模型
• 2.3.2 径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承建模
• 2.4 本章小结
• 第三章 五自由度交流主动磁轴承参数设计与性能分析
• 3.1 五自由度交流主动磁轴承样机参数设计
• 3.1.1 三相交流主动磁轴承样机参数设计
• 3.1.2 径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承样机参数设计
• 3.2 五自由度交流主动磁轴承特性分析
• 3.2.1 三相交流主动磁轴承特性分析
• 3.2.2 径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承磁轴承特性分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 五自由度交流主动磁轴承控制策略与系统仿真
• 4.1 五自由度交流主动磁轴承的控制策略
• 4.1.1 三相交流主动磁轴承控制策略
• 4.1.2 径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承控制策略
• 4.2 径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承系统仿真
• 4.2.1 MATLAB/SIMULINK软件仿真平台简介
• 4.2.2 径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承系统仿真结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 五自由度交流主动磁轴承数字控制系统设计
• 5.1 五自由度交流主动磁轴承系统总体控制框图
• 5.2 五自由度交流主动磁轴承数字控制系统的硬件构成
• 5.2.1 TMS320F2812特性
• 5.2.2 A/D转换电路设计
• 5.2.3 位移检测电路
• 5.2.4 电流检测电路
• 5.2.5 D/A转换电路
• 5.2.6 轴向开关功率放大电路
• 5.2.7 径向功率驱动电路
• 5.3 五自由度交流主动磁轴承数字控制系统软件构成
• 5.3.1 主程序
• 5.3.2 中断服务程序
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文所做主要工作
• 6.2 需进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文与成果
• 致谢