交流混合磁軸承支承高速電主軸系統及優化研究

張宇鑫

摘 要：磁軸承是利用磁場力將轉子懸浮于空間，實現定子和轉子之間沒有機械接觸的一種新型高性能軸承， 在高速機床電主軸系統中具有潛在應用價值。論文研究了一種新型的交流混合磁軸承，與傳統的直流磁軸承相比，它具有結構緊湊、成本低、便于驅動與控制等優點。在此基礎上，設計了新型結構的五自由度交流混合磁軸承支承的電主軸系統，建立了狀態方程，并采用逆系統方法對電主軸系統進行動態解耦控制研究，構建了五自由度交流混合磁軸承支承電主軸的數字控制系統，并對電主軸的五自由度懸浮支承技術進行了基礎理論和典型試驗研究。本論文研究的用于高速機床電主軸懸浮支承的五自由度交流磁軸承系統，結構和參數設計合理，構建的數字控制系統合理。

關鍵詞：交流混合磁軸承 電主軸 參數設計 數字控制

仿真研究

一、引言

1.1 選題背景

隨著現代工業的飛速發展，廣泛用于航空航天、冶金等工業領域的旋轉機械正朝著高速度、高精度、智能化的方向發展，對支承轉子的關鍵部件軸承有著嚴格的要求，傳統的滾動和滑動軸承難以滿足工業應用的需求，磁懸浮軸承就應運而生了。

磁懸浮軸承也稱磁軸承或磁力軸承，是利用磁場力將磁軸承無機械摩擦、無潤滑的、懸浮在空間的一種新型高性能軸承，具有傳統軸承所沒有的轉速高、能耗低、無機械磨損、噪聲小，無潤滑介質、壽命長、控制靈活、無污染等一系列優點，使得磁懸浮軸承在航空航天、能源、交通、生命科學、真空技術、渦輪機械及機床等領域具有廣泛的應用前景。

1.2 研究目的及意義

目前，國內外對磁軸承的研究以直流主動磁軸承為主，對交流磁軸承的研究很少，因此，交流混合磁軸承研究對磁軸承技術的進一步發展有很重要的意義。

1.3 研究的基本內容

（1）磁懸浮軸承電主軸結構和參數優化設計

（2）磁懸浮電主軸數學模型建立及非線性逆解耦控制研究

（3）磁懸浮電主軸數字控制系統硬件和軟件研究。

1.4 磁軸承支承技術的研究現狀及發展趨勢

1.4.1 國內外研究狀況

由于太空中的特殊工作環境，軸承潤滑困難，維修周期長，要求精度高并且低功耗，對新型無接觸軸承的需求比較迫切，因此磁懸浮軸承在空間技術中最先開展應用。隨著磁懸浮軸承在航空航天領域中取得應用，工業領域中的許多場合，如高速機床、分子泵、透平機、石油和化工等，也開始對這一高性能軸承的應用開展研究。國內磁軸承的研究起步較晚，從20世紀70年代末開始對主動磁軸承進行研究。目前在國內許多科研院校，如清華大學、武漢理工大學、上海大學、國防科技大學、浙江大學、山東大學、西安交通大學和江蘇大學等都在開展磁懸浮軸承方面的研究。雖然國內很多科研院校將磁軸承作為重點項目來研發，取得一定的成果，但距離工業化生產還有一定的距離。

1.4.2 國內外發展趨勢

目前，磁軸承技術在許多行業中都得了廣泛應用。其中交流磁軸承的應用發展趨勢主要集中在以下幾個方面。

（1）在航天中的應用。飛輪儲能作為一種新型儲能技術，是以動能的形式把能量儲存起來，從而完成電能到機械能轉換的儲能過程。用交流磁軸承取代傳統機械軸承用到飛輪中，可提高飛輪的存儲率。

（2） 在醫療中的應用。將交流磁軸承應用到人工血壓泵中，不僅使人工血壓泵的結構變得簡單，還使人工血壓泵的穩定性得到了提高。

（3） 在工業中的應用。將交流磁軸承應用到陀螺中，既提高了陀螺的穩定性，又使陀螺在空中的運轉時間更長，推動了陀螺行業的發展。

二、論文內容

2.1 電主軸數學模型及解耦控制研究

2.1.1 五自由度交流混合磁軸承支承電主軸系統總體結構

本文研究的五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統主要由壓裝在鋼筒內套中的高速電機、2個交流二自由度混合磁軸承和1個軸向直流單自由度主動磁軸承主體部件構成。

交流二自由度混合磁軸承轉子和軸向直流單自由度主動磁軸承轉子均采用圓環形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統共用轉軸上；交流二自由度混合磁軸承定子和軸向直流單自由度主動磁軸承定子也均采用圓環形硅鋼片疊壓而成。鋼筒由鋼筒外套和鋼筒內套構成，鋼筒外套和鋼筒內套之間具有用于系統水冷散熱的螺旋溝道。徑向輔助軸承采用單滾珠軸承，徑向-軸向輔助軸承采用調心滾珠軸承。系統中的所有位移傳感器均采用電渦流位移傳感器，所有的電流傳感器均采用霍爾電流傳感器。

2.1.2 五自由度交流混合磁軸承狀態方程的建立

磁軸承電主軸轉子模型一共包含六個剛體自由度：三個平動x、y和z，以及三個繞這些軸的轉動。繞轉軸Z的轉動Ω并非由軸承系統控制而是由電機來控制，因而這一自由度的控制由驅動電機控制器來承擔。

磁軸承控制器的任務是控制余下的五個自由度：質心在X、Y、Z方向上的三個平動運動以及繞徑向方向X、Y的兩個轉動θx及θy。最普通的控制目標是維持上述運動“很小”。這里“很小”是指由理想位置的偏離相對于轉子的尺寸和氣隙而言的。以下我們均假設這種偏移為小偏移，且假設轉軸為剛性對稱軸。

2.2 逆系統線性化解耦控制

五自由度交流混合磁軸承狀態方程是一個五輸入、五輸出10階非線性系統，經一系列驗算可知，系統可逆。從而系統成為無藕合的線性系統，得到的五自由度交流混合磁軸承電主軸的狀態反饋解耦線性化結構示意圖如圖 所示，即將逆系統式與五自由度交流混合磁軸承原系統復合成五個偽線性子系統，系統實現了輸入輸出的線性化解耦。

2.3 系統綜合與仿真

運用線性閉環控制器對解耦后的偽線性系統進行綜合與仿真。仿真試驗結果表明這種解耦控制策略能夠實現五自由度交流混合磁軸承轉子五自由度之間的動態解耦，轉子能夠穩定懸浮，而且具有良好的動、靜態性能。

2.5 交流磁軸承數字控制系統硬件設計

根據控制系統的原理可知，系統的硬件由磁軸承、控制器、三相功率驅動電路、位移傳感器、接口電路等幾部分構成。

2.5.1 控制芯片選擇

五自由度交流混合磁軸承系統采用TI公司的TMS320F2812數字信號處理器作為核心控制器，該處理器是目前國際市場上最先進、功能最強大的32位定點DSP芯片之一。該芯片大大提高了磁懸浮軸承控制器的處理能力，同時其對C語言的高編譯效率，使得軟件開發周期大大縮短。

2.5.2 電主軸控制系統的硬件構成

電主軸控制系統的硬件組成主要包括PC、XDS510仿真器、數字信號處理器TMS320F2812 EVM板、三相功率驅動電路、開關功率放大器、磁軸承樣機、電渦流位移傳感器、霍爾電流傳感器及位移接口電路。如圖4所示。

2.6 控制系統的軟件設計

2.6.1 系統軟件總體結構

根據交流混合磁軸承系統的原理和轉子懸浮的要求，系統控制軟件設計主要完成以下功能：

a.PWM信號產生；

b. 位移和電流信號的采集與處理；

c. 2/3變換；

d. 數字控制器算法實現；

e. 故障處理。

與人機界面的串行通信軟件程序采用模塊化編程，由主程序和中斷服務子程序組成。中斷服務程序由主中斷服務子程序、接收中斷服務子程序和發送中斷服務子程序組成。接收中斷服務子程序和發送中斷服務子程序主要完成PC機與DSP之間的通訊，利用DSP的SCI接口和VB語言編寫的PC機操作界面可以很好的實現PC機和DSP的數據傳送。本系統大部分程序采用C語言編寫，調用頻繁的部分用匯編語言編寫。

三、總結

磁軸承改變了傳統的支承方式，與傳統軸承有著很多的不同之處，并具備了無摩擦磨損、無需潤滑、轉速高、精度高、壽命長、無污染等許多不可替代的突出優點而被廣泛地應用于高速機床電主軸的支承中，為高速電主軸技術水平的提高創造了有利條件。本文分別對支承五自由度電主軸的三相交流主動磁軸承進行了詳細的介紹，包括磁軸承的結構、工作原理、數學模型以及參數優化設計等。在此基礎上本文設計了五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統，建立了狀態方程，并構建了五自由度交流混合磁軸承數字控制系統硬件結構與軟件系統，為下一步該電主軸系統進入實驗研究奠定了基礎。

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