磁悬浮支承系统中数控技术及功率放大器的应用研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及论文撰写背景
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 磁悬浮支承技术现状
• 1.2.2 高档数控机床的应用现状
• 1.2.3 功率放大器的研究与应用现状
• 1.2.4 本文的主要任务
• 1.3 机床用磁悬浮支承系统的介绍
• 1.3.1 磁悬浮基本力学模型
• 1.3.2 磁悬浮支承系统控制中的技术问题
• 1.3.3 磁悬浮支承系统对功放的要求
• 1.4 磁悬浮系统的功放类型及与系统的关系
• 1.4.1 模拟电源或开关电源与模拟功率放大器的组合
• 1.4.2 直接整流电源与开关功率放大器的组合
• 1.4.3 智能化电源与线性功率放大器的组合
• 1.4.4 非线性智能化电源与开关功放组合
• 1.5 本章小结
• 第2章 功放性能与系统参数的关系
• 2.1 磁悬浮的承载能力对功放的要求
• 2.1.1 有关功放输出电流与刚度的分析
• 2.1.2 双电磁铁的功放电流与动刚度的关系
• 2.2 电磁线圈电感对功放的影响
• 2.3 功放性能与陀螺力的关系
• 2.4 电源电压对功放性能的影响
• 2.5 输出电流对功放性能的影响
• 2.6 磁性材料的非线性对功放工作的影响
• 2.7 功放频响对动载的影响
• 2.8 本章小结
• 第3章 磁悬浮系统中典型功放的研究与分析
• 3.1 线性功放及其扩大功率的方法
• 3.1.1 基本线性功放
• 3.1.2 智能化电源与功耗的降低
• 3.1.3 多管并联与均流技术
• 3.2 PWM开关功放简介
• 3.3 恒流斩波开关功放简介
• 3.4 常用磁悬浮支承系统中功放的性能比较
• 3.5 本章小节
• 第4章 非线性功放的硬件设计
• 4.1 磁悬浮非线性功放的基本原理
• 4.1.1 非线性功放的引入
• 4.1.2 简单的非线性补偿的思路
• 4.1.3 非线性功放的组成
• 4.1.4 非线性功放的几点说明
• 4.2 开关功放的输出电路设计
• 4.3 开关管驱动电路的设计
• 4.3.1 开关管驱动电路概述
• 4.3.2 IR2110驱动器基本结构
• 4.4 非线性功放开关管控制模式
• 4.4.1 PWM控制模式
• 4.4.2 恒流斩波控制模式
• 4.5 非线性功放DSP控制的实现
• 4.5.1 系统组成
• 4.5.2 A/D转化芯片的选择
• 4.6 外围电路设计
• 4.6.1 自举工作过程
• 4.6.2 自举元器件的分析与设计
• 4.6.3 负偏压自举驱动电路
• 4.6.4 具有负偏压的IR2110驱动扩展电路
• 4.6.5 隔离电路的设计
• 4.6.6 开关管保护电路的设计
• 4.6.7 反馈校正回路设计
• 4.7 非线性功放的电源控制
• 4.8 本章小结
• 第5章 非线性功放的补偿算法及软件设计
• 5.1 B—H曲线非线性对系统的影响
• 5.1.1 铁磁性物质的磁化
• 5.1.2 磁滞回线族
• 5.1.3 电磁铁非线性特性实例
• 5.2 非线性功放软件整体结构
• 5.3 非线性功放的补偿算法及程序设计
• 5.3.1 预测算法
• 5.3.2 分段线性化
• 5.3.3 预置参数法处理
• 5.3.4 非线性功放信息处理程序设计
• 5.3.5 查表法补偿程序设计
• 5.4 PWM控制软件设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 非线性功放的实验及分析
• 6.1 基本参数说明
• 6.2 在单自由度上的应用
• 6.3 在多自由度上分段线性化应用
• 6.4 分段线性化应用效果
• 6.4.1 输入与输出的关系曲线
• 6.4.2 运行效果
• 6.5 相关技术指标测试与结果
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 关于非线性功放的核心思想
• 7.2 本文的主要工作与创新点
• 7.3 对磁悬浮支承技术发展与应用的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和待发表的学术论文一览
• 在攻读博士学位期间参加的主要科研项目
• 在攻读博士学位期间取得和申报发明专利
• 其它辅助材料