（电力电子与电力传动专业论文）磁悬浮电主轴混合磁轴承及其驱动控制系统研究.pdfVIP

本 同意学 允许论 内容或 描等复 本 一虢畦矩轧一虢辛影柱 签字日期：伽1 1 年毛月i 中日签字日期i l f 年占月厂日 独创性声明 本人郑重声明：。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：舞空踅荧 e l 期：2 9 l1 年月旰日 江苏大学硕士学位论文 摘要 磁悬浮轴承( 简称磁轴承) 利用磁场力将转子悬浮于空间，使转子和定子之 间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，具有无机械接触、无磨损、无需润 滑、无污染、高精度、寿命长等突出优点，在机械工业、航空航天、能源交通、 机器人等领域具有广泛潜在应用前景。本论文在国家自然科学基金项目“交流混 合磁轴承支承高速机床电主轴系统研究”( 5 0 5 7 5 0 9 9 ) 支持下，研究了一种新型 结构的五自由度混合磁轴承支承的电主轴系统，建立了状态方程，并对支承五自 由度的混合磁轴承进行了参数设计和性能分析，设计了直流混合磁轴承的驱动与 控制系统，并进行了实验调试。具体研究内容如下： 首先介绍了五自由度电主轴的总体结构，阐述了直流混合磁轴承的工作原 理，分析了单自由度直流混合磁轴承和二自由度直流混合磁轴承的结构，在建立 悬浮力数学模型的基础上，建立了五自由度直流混合磁轴承电主轴系统的状态方 程。 其次，对轴向直流混合磁轴承和径向直流混合磁轴承进行了详细的参数设 计，并且利用m a t l a b 软件对轴向、径向悬浮力非线性特性进行了仿真分析， 利用有限元分析软件a n s o f t 建立了试验样机模型，对其机械机构和磁路结构 进行了计算分析，验证了结构设计的合理性和可行性。 最后设计了直流混合磁轴承驱动及控制系统，并进行了理论和实验研究：给 出了直流混合磁轴承的系统控制框图，设计了基于集成电路芯片i r 2 1 3 0 和t l 4 9 4 的集成式两电平p w m 开关功率放大器和基于改进的微分线性不完全微分控制 算法的模拟p i d 控制器，并设计了基于d s p 的数字p i d 控制器。以轴向直流混 合磁轴承系统为例，采用电涡流传感器、开关功率放大器、和模拟p i d 控制器、 轴向磁轴承实验台构建了实验系统，对磁轴承起浮性能进行了测试，给出了相关 实验波形。实验结果表明设计的开关功率放大器、模拟p i d 控制器能够满足磁 轴承性能要求，系统具有良好的动静态性能。 关键词：直流混合磁轴承参数设计性能分析开关功率放大器驱动控制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t i cb e a r i n gi so n en e wt y p eo fh i g hp e r f o r m a n c eb e a r i n gw h i c hs u s p e n d st h er o t o ri n ac o n t a c t - f l e em a n n e r ，a n di th a sw i d e l yp o t e n t i a la p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ea r e ao fm a c h i n e r y i n d u s t r y ，a e r o s p a c e ，e n e r g yr e s o u r c e ，c o m m u n i c a t i o na n dr o b o td u et ot h ea d v a n t a g e so fn 0 a b r a s i o n ，n ol u b r i c a t e d ，n op o l l u t i o n ，h i g h p r e c i s i o n ，l o n gs e r v i c el i f e ，e t c s u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 5 7 5 0 9 9 ) an e w - s t y l ec o n s t r u c t i o no fe l e c t r i cs p i n d l e s u p p o r t e db yf i v ed e g r e e so ff r e e d o mh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g s ( h m b s ) i ss t u d i e d ，s t a t ee q u a t i o n w a se s t a b l i s h e d ，p a r a m e t e rd e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sh a v eb e e nd o n et oa x i a lo n e d e g r e e f r e e d o ma n dr a d i a lt w o - d e g r e e - f r e e d o mh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g s i na d d i t i o n ，d r i v ea n dc o n t r o l c i r c u i tf o rd ch y b r i dm a g n e t i cb e a r i n gi sd e s i g n e d ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mi sd e b u g g e d t h ed e t a i l c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h eu n i t a r ys t r u c t u r eo ff i v ed e g r e eo ff r e e d o m ( d o f ) e l e c t r i cs p i n d l ei si n t r o d u c e d ， t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ed ch m bi se x p o u n d e d ，t h es t r u c t u r eo fd c s i n g l e d o f h m ba n d d c2 d o f h m ba r ea n a l y z e da n dt h ee x p r e s s i o n so fs u s p e n s i o nf o r c e sa r ed e d u c e d o nt h i sb a s i s ， t h es t a t ee q u a t i o nf o rf i v ed o fe l e c t r i cs p i n d l ei sb u i l t s e c o n d l y ，t h ep a r a m e t e r so fa x i a lh m ba n d r a d i a lh m ba r ed e s i g n e di nd e t a i l n o n l i n e a r i t i e so fs u s p e n s i o nf o r c e so fa x i a lh m ba n dr a d i a lh m ba r ea n a l y z e d b yu s i n g s i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l a b t h ee x p e r i m e n tp r o t o t y p em o d e l so fh m bi sb u i l tb yu s i n gf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s o f t ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa n dm a g n e t i cc i r c u i t c o n f i g u r a t i o n so ft h e s et w oe x p e r i m e n tp r o t o t y p ea r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h er a t i o n a l i t y a n df e a s i b i l i t yo fc o n f i g u r a t i o nd e s i g na r ep r o v e d f i n a l l y ，d r i v ea n dc o n t r o lc i r c u i tf o ra x i a ld i r e c t i o nh y b r i dm a g n e t i co ff i v ed e g r e e so f f r e e d o ma ch y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g si sr e s e a r c h e d b a s e do nc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n g p r i n c i p l eo fm a g n e t i cb e a r i n gu s e di nt h ea x i a ld i r e c t i o no fb e a r i n g l e s sm o t o r s ，t h em a t h e m a t i c m o d e l so ft h ea x i a lm a g n e t i cs u s p e n s i o nf o r c e sa r ed e d u c e d ，t h em a g n e t i cb e a r i n gs y s t e m e q u a t i o n so fm o t i o na n dt h e c o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o na r eg i v e n ak i n do fi n t e g r a t e d t w o l e v e l sp w ms w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rb a s e do ni n t e g r a t e dc i r c u i tc h i p s1 r 213 0a n dt l 4 9 4 a n dak i n do fa n a l o gp i dc o n t r o l l e rb a s e do nt h em o d i f i e dd i f f e r e n t i a ll i n e a rc o n t r o la l f o r i t h m w h i c hi sn o tf u l l yd i f f e r e n t i a li sd e s i g n e d ，a l s od e s i g n e dt h ed i g i t a lp i dc o n t r o l l e rb a s e do nd s p e d d yc u r r e n ts e n s o r s ，s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r ，a n a l o gp i dc o n t r o l l e ra n dt h ea x i a lm a g n e t i c b e a r i n gt e s tb e da l eu s e dt oc o n s t r u c tt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h ep e r f o r m a n c ef r o mt h ef l o a t i n g o fm a g n e t i cb e a r i n gi st e s t e da n dt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m si sg i v e n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g no fs w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r , a n a l o gp i dc o n t r o l l e rc a nm e e tt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so fm a g n e t i cb e a t i n g s ，t h es y s t e mh a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：d ch y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ，p a r a m e t e rd e s i g n ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，s w i t c h i n g p o w e ra m p l i f i e r ，d r i v ec o n t r o ls y s t e m “ 1 4 2 课题的研究目的及意义7 1 5 本文的主要研究内容8 第二章支承五自由度电主轴的直流混合磁轴承机理、结构与数学模型9 2 1 单自由度混合磁轴承工作原理、结构和数学模型9 2 1 1 单自由度混合磁轴承的工作原理与结构9 2 1 2 轴向磁轴承磁路计算一1 0 2 1 3 轴向混合磁轴承的数学模型1 1 2 2 径向直流混合磁轴承的工作原理、结构和数学模型1 2 2 2 1 径向直流混合磁轴承的工作原理1 2 2 2 2 径向直流混合磁轴承结构1 2 2 2 3 径向直流混合磁轴承的数学模型1 3 2 3 五自由度直流混合磁悬浮电主轴状态方程1 5 2 4 本章小结2 0 第三章直流混合磁轴承参数设计及性能分析2 1 3 1 直流混合磁轴承参数设计2 1 3 1 1 轴向直流混合磁轴承实验样机参数设计2 l 3 1 1 1 气隙处磁感应强度设计2 1 江苏大学硕士学位论文 3 1 1 2 磁极面积的计算2 2 3 1 1 3 气隙长度的选取2 2 3 1 1 4 电磁铁参数设计2 2 3 1 1 5 永磁材料的参数设计2 3 3 1 2 径向直流混合磁轴承实验样机参数设计2 4 3 1 2 1 气隙长度及磁感应强度的设计2 4 3 1 2 2 磁极面积的计算2 5 3 1 2 3 控制线圈安匝数的确定2 5 3 2 悬浮力非线性分析2 5 3 2 1 轴向混合磁轴承悬浮力非线性分析2 5 3 2 2 径向混合磁轴承悬浮力非线性分析2 6 3 3 基于m a x w e l l3 d 的混合磁轴承有限元分析2 7 3 3 1m a x w e l l3 d 模块简介和方法介绍2 7 3 3 2 轴向混合磁轴承有限元分析2 9 3 3 2 1 轴向混合磁轴承3 d 磁场分析2 9 3 3 2 2 轴向混合磁轴承3 d 参数化求解分析3 0 3 3 3 径向混合磁轴承有限元分析3 1 3 3 3 1 径向混合磁轴承3 d 磁场分析3 1 3 3 3 2 径向混合磁轴承3 d 参数化求解分析3 1 3 4 本章小结3 2 第四章直流混合磁轴承驱动控制系统设计及实验研究3 3 4 1 功率放大器的主要类型与控制策略3 3 4 1 1 功率放大器的分类3 3 4 1 2 开关功率放大器主电路的拓扑结构3 5 4 1 3 开关功率放大器的控制策略3 7 4 2 磁轴承功率放大器的基本参数及特点4 1 4 2 1 功放的效率4 l 4 2 2 功率器件的选择- 4 2 4 2 3 开关频率的大小4 2 4 3 4 3 5 模拟p i d 控制器设计- 4 7 4 3 6 数字p i d 控制器设计5 0 4 3 6 1 控制芯片的选择5 0 4 3 6 2d a 转换电路5 2 4 3 6 3p i d 离散化5 2 4 4 直流混合磁轴承驱动及控制系统实验研究5 4 4 5 本章小结5 7 第五章论文工作总结与展望- 5 8 5 1 论文主要研究工作5 8 5 2 需进一步研究的工作5 9 致谢6 0 参考文献6 1 攻读硕士学位期间发表论文6 4 江苏大学硕士学位论文 图表说明 图1 1 轴向混合磁轴承系统5 图2 1 轴向混合磁轴承结构与工作原理图9 图2 2 轴向混合磁轴承三维图一9 图2 3 轴向径向磁轴承等效磁路1 0 图2 4 二自由度直流混合磁轴承三维结构图1 3 图2 5 二自由度直流混合磁轴承的磁路分布与等效磁路图1 3 图2 6 转轴旋转时受力示意图1 5 图3 1 轴向悬浮力非线性分析2 6 图3 2 径向悬浮力非线性分析2 7 图3 3 轴向永磁体单独作用产生的磁密图2 9 图3 4 轴向永磁体与控制电流共同作用产生的磁密图2 9 图3 5 轴向悬浮力f 。与轴向电流安匝数n i 的关系曲线3 0 图3 6 径向永磁体产生的磁密图3 l 图3 7 径向控制线圈通电后磁密3 1 图3 8 径向悬浮力f x 和f v 与x 方向电流安匝数n r i 。的关系3 2 图3 9 径向悬浮力f y 和f x 与y 方向电流安匝数n ，i y 的关系3 2 图4 1 线性功放原理图3 4 图4 2 开关功放原理图3 4 图4 3 开关功放主电路的四种典型结构：3 5 图4 4p w m 型开关功放原理图3 8 图4 5 采样保持型开关功放原理图3 9 图4 6 滞环比较型开关功放原理图3 9 图4 7m p w 型开关功放原理图4 0 图4 8 轴向磁轴承闭环控制系统的结构框图- 4 3 图4 9 主电路电流状态4 3 图4 1 0i r 2 1 3 0 驱动电路原理图4 4 图4 1 1t l 4 9 4 脉宽调制信号发生器实际电路图4 5 图4 1 2 电涡流传感器基本工作原理示意图4 6 江 图4 1 3 轴向位移接口电 图4 1 4p i d 控制器工作原理图4 7 图4 1 5 模拟p i d 控制器电路4 8 图4 1 6d a 转换电路5 2 图4 1 7 五自由度交流混合磁轴承支承的高速电主轴系统机械结构5 4 图4 1 8 驱动控制电路p c b 图5 5 图4 1 9 驱动控制电路实物图5 5 图4 2 0 线圈两端电压波形5 6 图4 2 1 驱动信号互补波形5 6 图4 2 2 传感器检测转子位移波形5 6 图4 2 3p i d 控制器输出波形5 6 表3 1 轴向磁轴承主要参数2 1 表3 2 径向磁轴承主要参数2 4 磁悬浮轴 控的电磁铁对 其轴心位置可以由控制系统控制l l j 。磁轴承系统由定子与转子构成，转子的位置 由电涡流传感器进行检测，当转子受外干扰力偏离平衡位置时，位置偏移信号经 过功率放大后反馈给定子电磁铁，改变电磁力来控制转子，使转子保持在平衡位 置附近。磁轴承的概念在1 0 0 多年前就己被提出，由于磁轴承具有无接触、无磨 损、高速度、高精度、不需要润滑和密封等一系列优点，而这些特性也恰恰满足 了高速精密转子的综合性能要求，引起世界各国科学界的特别关注，国内外学者 和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情【孙。 1 1 磁轴承研究状况 磁场力一直是我们认为很神秘的一种现象。人们对于用磁场将物体悬浮起来 的设想由来己久，也试图利用磁场力悬浮轴承转子。1 8 4 2 年，英国的物理学家 e a m s h o w 就已经提出了磁悬浮的概念，也证明了单靠永磁铁是不可能将一个铁磁 体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态【3 l 。1 9 3 7 年，k e m p e r t 串请了 一项与悬浮支撑相关的专利，他认为要采用可控电磁铁来调节磁场力大小才能实 现稳定的悬浮。此后，这一思想成为开展磁悬浮技术研究的主导思想。1 9 3 8 年 k e m p e r 采用了一个可控电磁铁对一个重量为1 0 k g 的物体成功的实现了稳定磁悬 浮【4 5 】。同一时期，弗吉尼亚大学的b e a m s 币l h o l m e s 采用电磁悬浮技术悬浮小钢 球并使小钢球高速旋转，经进一步分析，提出唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当 的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现稳定悬浮【6 j 。二十世纪六十年代，德国、 英国和日本根据不同的设计方案研制出了磁悬浮列车的样机。德国1 9 7 7 年研制的 磁悬浮列车在试验轨道上的速度高达3 6 0 k m h 。近年来随着转子动力学和控制理 论的发展，加上电子技术的发展和信号处理元器件的出现，磁悬浮技术得到了深 远的发展，为磁悬浮轴承的研究发展注入了新的活力。在学术性研究方面，从1 9 8 8 年到现在召开了多届国际磁轴承会议，从已经发表的文献资料可以看出，其研究 内容涉及电磁学、电子学、信号处理、控制理论、材料学、转子动力学和计算机 学等多f - 1 科。在工业应用方面，国外不但将磁轴承应用于航空部门、核工业部 江苏大学硕士学位论文 门，而且还迅速应用到军事部门和基础工业部门的数百种不同的旋转或往复运动 的机械上，比如热气机、高速磨床、高速车床、高速电动机、真空泵等等，这说 明国外已经将磁轴承作为很成熟的工业产品推向用户市场。正是因为磁轴承独特 的性能，使磁轴承的研究越来越为世人瞩目。从全世界范围来看，磁轴承研究主 要集中于瑞士、美国和日本，其他国家的相关研究和应用也日渐蓬勃发展起来。 国内对磁轴承的研究开始于二十世纪六十年代，1 9 8 0 年清华大学对磁悬浮轴 承的稳定性做过研究；1 9 8 1 年上海微机电研究所研制了用于径向、轴向主轴的磁 悬浮轴承；1 9 8 6 年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学对“磁力轴承的开发及其 在f m s 中的应用”课题进行研究。西安交通大学对支承飞轮的磁轴承和涡轮膨胀 机用磁轴承进行了研究。清华大学对磨床电主轴及磁轴承相关的电涡流传感器、 数字控制器、最小脉宽功率放大器进行了研究。南京航空航天大学磁悬浮技术研 究所自1 9 9 2 年起，开展了对民用和航空用磁轴承各项关键技术的研究和开发，对 磁轴承用电涡流传感器、模拟控制器、数字控制器、功率放大器、混合磁轴承及 其机械结构进行了研究。近几年来，江苏大学在国家自然科学基金( 5 0 5 7 5 0 9 9 ) 的支持下，对“基于交流磁轴承的高速机床电主轴系统的研究 这课题进行了研 究，在国内率先展开了交流磁轴承的研究，设计了多种交直流混合磁轴承，申请 了数十个发明专利，在机械工程学报、中国机械工程、中国电机工程学报、电工 技术学报等刊物发表了多篇学术论文。随着国内工业整体水平的发展，特别是航 天、航空、国防工业对机械回转部件的要求的进一步提高，加之国外在磁轴承研 究和工业应用方面取得的成绩，促进了国内这方面的研究，多学科参与的磁轴承 应用系统的研究已经逐渐成为一个研究热点。 此外，国外高速电主轴技术发展较早，技术水平也处于领先地位，比较著名 的电主轴制造商有瑞士的f i s c h e r 公司、i b a g 公司、德国的g m n 公司、h o f e r 公司、s i e m e n s 公司、意大利的c a m f i o r 公司、美国的i n g e r s o l l 公司、日本 o k u m a 公司和f a n u c 公司等，它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。 这些著名的电主轴制造厂已可供应几百种规格的电主轴，其套筒直径从3 2 m m 到 3 2 0 m m 、转速从1 0 ，0 0 0 r m i n 到1 5 0 ，0 0 0 r m i n 、功率从0 5 k w 到8 0 k w ，扭矩从0 1 n m 到3 0 0 n m 。除可满足各类高速切削外，各厂家还还可供应各种规格带锥柄、用 于现有普通加工中心、铣床、钻床做增速用电主轴。目前国内多家研究高速电主 轴的科研机构，其中河南省洛阳轴承研究所已经研制开发了额定转速从 2 江苏大学硕士学位论文 5 0 0 0 r m i n 到1 5 0 0 0 0 r m i n ，功率从0 2 k w 到7 5 k w 的1 3 个系列的1 6 0 余种电主 轴产品，但其产品主要是用于轴承内圆磨削的高速电主轴。“九五”期间洛阳轴承 研究所研制出了加工中心用电主轴，该电主轴制造精密、平衡准确，其最高转速 可达2 4 0 0 0 r m i n 。广州钜联高速电主轴有限公司研发的气静压轴承电主轴，其径 向承载力为1 2 0 0 n 、径向刚度为1 0 0 n p m ，达到了国外同类产品先进水平，其转 速能达到2 5 0 0 0 r m i n 。广东工业大学高速加工和机床研究所开发的数控铣床高速 电主轴，其主要技术指标达到了最高转速为1 8 0 0 0 r m i n 、额定功率1 3 5 k w 。安 阳莱必泰机械有限公司研制生产的加工中心用电主轴，采用了先进的矢量闭环控 制技术，能对主轴恒功率调速、准停制动，但其主要指标仅做到了最高转速达 1 2 0 0 0 r m i n 、功率范围为3 7 - 2 5 k w 。 1 2 磁轴承特点、分类以及应用 1 2 1 磁轴承类型和特点 磁轴承可以按悬浮力产生方式和磁轴承的结构等多种方法来分类，有很多类 型。 ( 1 ) 按一个磁轴承对悬浮转子施加的受控自由度数可分为单自由度、二自由 度和三自由度磁轴承。单自由度磁轴承是针对转子轴向自由度的约束，二自由度 磁轴承是对转子径向的约束，而三自由度磁轴承则对转子轴向、径向同时进行约 束。由以上几种磁轴承进行不同组合可构成四自由度、五自由度磁悬浮支承系统。 ( 2 ) 按悬浮磁力产生方式可将磁轴承分为被动磁轴承( p a s s i v em a g n e t i c b e a r i n g ) 、主动磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a t i n g ) 与混合磁轴承( h y b r i dm a g n e t i c b e a t i n g ) 1 7 - 8 】。在磁轴承中产生静态悬浮力的磁通称为偏置磁通，产生动态悬浮 力以克服扰动或负载的磁通称之为控制磁通。被动磁轴承是基于永磁体之间相互 产生的斥力或引力而工作。纯粹的被动型磁轴承无法在所有自由度上都能保证被 支承物体的稳定悬浮【9 , 1 0 ，而且其阻尼特性差、承载能力低。主动磁轴承里电磁 铁同时提供静态偏置磁通及控制磁通。在稳态悬浮时，要靠功率放大电路提供静 态偏置电流，因而功放损耗较大，散热器体积较大。混合磁轴承是依靠永磁体来 提供静态偏置磁通，电磁铁只须提供控制磁通，因而功放体积较小，结构紧凑， 稳态运行时耗能小，损耗低。 ( 3 ) 磁轴承按照采用驱动电流性质可分为直流磁轴承和交流磁轴承。直流磁 江苏大学硕士学位论文 轴承采用直流功率放大器进行功率驱动，一个自由度上需要两个单极性直流功率 放大器或一个双极性直流功率放大器。交流磁轴承可采用三相逆变器进行功率驱 动，由于三相逆变器技术已非常成熟并且价格便宜，因此在交流磁轴承中采用三 相逆变器提供动驱动电流产生交变磁通，可降低功放成本，减少功放体积，降低 功率损耗。 由于磁轴承利用可控电磁力实现转子悬浮，因而相对于传统机械轴承技术具 有优越性，其特点具体表现在以下几个方面【l l 】： 1 ) 轴承无磨损、功耗小。在所支承的转子转速为1 0 0 0 0 r m i n 时，磁轴承的功耗 大约只有流体动压滑动轴承的6 ，只有滚动轴承的1 7 。这对提高机械设备 的效率具有重要的意义。 2 ) 转子回转速度高。由于磁轴承支承的转子可以在超临界即每分钟数十万 转的工况下工作，其圆周速度只受转子材料强度的限制，最大线速度可达 2 0 0 m s 。通常在相同的轴径下，磁轴承能达到的转速比滚动轴承大约高5 倍， 比滑动轴承大约高2 5 倍。 3 ) 无需润滑和密封。由于磁轴承是靠电磁力对转子进行悬浮控制的，属于无摩 擦支承，也就不需要润滑剂以及配套设备，因而磁轴承不存在润滑剂对环境 的污染问题。 4 ) 适应性好。磁轴承对工作环境温度不敏感，工作温度可以从一2 5 3 0 c 至l j 4 5 0 0 c 。 同时在真空、辐射和禁止润滑剂等环境中，磁轴承具有普通轴承不可比拟的 优势。 5 ) 使用寿命长，可靠性高。由于磁轴承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运动表面 之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，而且电子元 器件的可靠性在额定工作条件下大大高于传统轴承。 1 2 2 磁轴承的应用 磁悬浮轴承电主轴具有高转速、长寿命等突出优点，随着控制技术、材料科 学、电力电子技术等的飞速发展，为研究和实际应用磁悬浮轴承技术提供了可行 的条件，使得磁悬浮轴承电主轴成为当今高科技研究方向之一。在国外，法国、 德国、日本等国家已有数百台机床成功应用了磁悬浮轴承电主轴。如s k f 公司、 b a g 公司、s 2 m 公司以及s e i k o 公司都有磁悬浮轴承电主轴出售【1 2 1 。在国内， 4 江苏大学硕士学位论文 我国第一个国产磁轴承产品基于交叉反馈控制的f s 4 5 0 型分子泵磁轴承”， 于2 0 0 8 年在浙江飞旋科技有限公司研发成功，该产品在分子泵应用领域打破了 国外的技术垄断，使我国成为继法国、美国、加拿大、德国、日本等少数发达国 家之后拥有自主知识产权的磁轴承技术产品的国家。目前，磁轴承已经在空间技 术、物理学研究、机器人、机械加工等工业领域得到了应用。空间技术方面应用 主要是用于卫星飞轮和卫星天线的定向，以及航空发动机转子的支承等。其优点 是噪声低、功耗小、寿命长、定位精度高。 此外，应用磁轴承的智能机械手，由于定位准确，便于解决一些需要精确操 作的安装对中问题。而在超净工作间使用装有磁轴承的机器人，就可以避免普通 轴承因磨损而造成的灰尘污染问题。在其它工业领域，磁轴承的应用有离心压缩 机、汽轮发电机等等。磁轴承不仅能悬浮轻型、高速转子，亦能悬浮重达数十吨 的转子，因而对重工业和能源工业的大型设备也有广泛的应用前景。 1 3 磁轴承系统组成以及功率放大器研究状况 1 3 1 磁轴承系统的组成 磁悬浮轴承是一种新型的轴承，它利用磁力使转子稳定悬浮实现无接触的支 承设备。这就决定了磁轴承系统的组成必须包括两大部分：磁轴承的机械结构和 磁轴承的控制系统。磁轴承的机械结构是磁轴承的基础，一般由定子和转子组成； 磁轴承的控制系统足磁轴承的灵魂部分，决定了磁轴承的性能，通常由位移检测、 功率放大器、控制器等部分组成，如图所示，图1 1 为轴向直流混合磁轴承系统。 图i 1 轴向直流混合磁轴承系统 1 ) 位移传感器 要想实现转子的稳定悬浮，在任意时刻位置必须由传感器采集信号，通常要 经过相应的前置信号处理后再送往控制器。磁悬浮系统对于传感器的要求首先是 江苏大学硕士学位论文 非接触式的【1 3 】，可供选择的传感器有电涡流传感器、电感、电容等等。传感器 作为反馈通道元件，其性能将决定系统的闭环特性，因此应该具有较高的转换精 度和稳定性，其次还要有抗磁场影响、抗干扰、线性度好、高灵敏度等特点。 2 ) 调节控制器单元 控制器是磁悬浮控制系统的核心部分，通过传感器的反馈信号进行一定的控 制策略处理后输出相应的控制信号。控制器设计的首要目标是保证被控对象稳定 的无接触悬浮，另外系统的刚度、阻尼、被控对象定位和不平衡响应等性能均取 决于控制器【1 4 】。从传感器反馈回来的信号，经过控制策略处理后，成为最终决 定系统性能的控制信号。控制器使得被控对象能精确的定位，并且在有外力的干 扰时进行反馈，能迅速的做出反应，使被控对象能回到平衡位置。 3 ) 功率放大器 功率放大器也是磁悬浮系统必不可少的一部分。控制器输出的控制信号往往 不能直接使被控对象工作，由功率放大器把控制信号转换为电磁铁所需要的控制 电流信号，才能为被控对象提供动力。 4 ) 电磁铁 当无任何外力干扰时，激励线圈内一般都有一定的偏置电流；当有外力干 扰时，通过控制器输出控制电流到线圈中形成动态控制。另外，偏置电流也使得 电磁铁的静态工作点处再磁化曲线的线性度好的区间里，可以减小系统建模的误 差。 1 3 2 磁轴承功率放大器研究状况 功率放大器是磁轴承电控系统的重要组成部分，它的功能是将控制信号经过 放大或者转换成具有足够能量的信号，用来驱动负载一一电磁铁执行器。所以功 率放大器的性能好坏对控制系统的技术性能有着很重要的影响，特别是功放级的 电压、电流对控制精度具有决定性影响。功率放大器在磁轴承系统中具有重要作 用如以下三点： ( 1 ) 作为磁轴承系统的一部分，它的传递函数对系统状态方程的结构和阶数 有影响； ( 2 ) 作为控制系统的执行环节，能量消耗最大，如何来降低它的能量损耗和 提高能量转换效率是功率放大器设计的主要目标之一； 6 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 磁悬浮轴承自身所具有的特殊性使其设计不同于一般的功率放大器，这 同时也增加了设计的难度和多样性。 到目前为止，磁悬浮轴承功率放大器一共经历了三代1 1 5 6 1 。第一代，从二 十世纪六十年代末到八十年代末，磁悬浮轴承功率放大器主要是利用线性功率放 大器，它的优点是电路相对简单，比较容易实现，缺点是动态特性差，效率低， 多用于小功率、精度控制低的场合。随着磁悬浮轴承技术的发展，开关型功放得 以在磁悬浮轴承领域得以尝试。在1 9 8 6 年，法国s 2 m 公司生产出功率为4 m w ， 转子重为8 t ，最高转速为3 0 0 0 r m p 的涡轮发电机，并投入使用。1 9 9 0 年再日本 东京的第二届国际磁悬浮轴承会议上，首先由美国弗吉尼亚大学的e j k e i t h 等和 加拿大n o v a 公司的t b a r d a s 等人提出了开关型功率放大器在磁悬浮轴承功放中 的应用【1 7 1 。开关功放的使用，大大提高了电流和力的响应速度，提高了功率放 大器电源的效率，其缺点是控制精度相对较差，干扰大，这就是第二代磁悬浮轴 承功放，从二十世纪八十年代开始研究应用，到九十年代末逐渐成熟。第二代磁 悬浮轴承功率放大器都是由分立元器件组成，研制周期长，安装调试繁琐，体积 比较大，阻碍了磁悬浮轴承向小型化方向发展，从而形成了第三代磁悬浮轴承功 放一一集成开关功放，它的特点是体积较小，可靠性高，使用方便，为磁悬浮轴 承电控系统向小型化方面发展奠定了基础f 1 8 】。 1 4 本课题的研究意义 1 4 1 课题来源 本论文的研究工作是在以下项目支撑基础上开展的，并得到了这些项目的联 合资助： l 、国家自然科学基金项目“交流混合磁轴承支承高速机床电主轴系统研究 ( 5 0 5 7 5 0 9 9 ) 2 、江苏“青蓝工程 资助项目 1 4 2 课题的研究目的及意义 传统的磁悬浮电主轴系统的转子由三个直流主动磁轴承来支承，其中二个径 向磁轴承，每个径向磁轴承控制径向相互垂直的两个方向，另一个轴向推力磁轴 承控制轴向自由度。主动磁轴承系统中，磁轴承占据轴向的体积较大，导致电机 的轴向长度较长，临界转速下降，电机向更高转速发展受限制u 9 1 。另外，主动 7 江苏大学硕士学位论文 磁轴承结构及控制比较复杂、成本较高，大大影响了由磁轴承支承的电机的使用 范围和广泛应用。主动磁轴承的缺点和不足影响了磁悬浮电主轴的实际应用 1 2 眦3 1 。本课题研究了一种新型的五自由度磁悬浮电主轴结构，它由两个径向直 流混合磁轴承，一个轴向直流混合磁轴承和步进电机构成。此外，直流混合磁轴 承驱动控制系统是由转子、位移传感器、控制器、功率放大器和主电路等构成。 其中，功率放大器是由磁轴承系统中的重要驱动元件，它将控制器输出的控制信 号转换成驱动电磁铁线圈的控制电流，从而产生可控的磁悬浮力，保证转子的稳 定悬浮。针对本文研究的直流混合磁轴承，设计了一种集成式两电平p w m 开关 功放，以轴向混合磁轴承为例进行研究，轴向磁轴承控制技术的成熟化是整个系 统稳定运行的关键，所设计的轴向磁轴承功率放大器对磁悬浮技术的进一步深入 的研究具有理论和实践参考价值。 1 5 本文的主要研究内容 本文具体工作包括以下几部分内容： 第一章绪论，简单介绍了磁轴承的国内外发展历程，磁轴承的类型、特点 以及应用，还简单介绍了磁轴承功率放大器的研究状况和类型。最后简单概述了 本课题的研究意义和本论文的内容安排。 第二章五自由度电主轴结构与数学模型，阐述了混合磁轴承的工作原理， 分别分析了单自由度混合磁轴承和径向二自由度直流混合磁轴承的结构，推导其 悬浮力公式和数学模型，最后建立五自由度磁轴承电主轴的状态方程。 第三章轴向单自由度混合磁轴承和径向二自由度直流混合磁轴承的参数漫 计和性能分析，阐述了悬浮力的产生机理，用等效磁路法对永磁和励磁混合磁轴 承磁路进行了计算，推导出磁轴承吸力方程，给出了磁轴承气隙磁感应强度、磁 极面积、气隙长度、电磁铁参数和永磁体参数等设计和计算方法。利用m a t l a b 软件对轴向悬浮力非线性和径向非线性特性进行了分析，给出了仿真图；还利用 有限元分析软件a n s o f t 建立了试验样机模型，采用三维有限元法对试验样机 的磁路进行了仿真分析，验证了参数设计的合理性。 第四章阐述了磁轴承功率放大器的种类、拓扑结构和控制策略；设计了直 流混合磁轴承驱动控制系统，主要包括集成式两电平p w m 开关功率放大器、位 移接口电路、模拟p i d 控制器和数字p i d 控制器的设计，并对该驱动控制系统 进行了实验调试，给出了实验结果验证了设计的正确性和有效性。 第五章全文总结与展望，对本文研究的工作进行了总结，并指出了需要进