磁懸浮電主軸三極混合磁軸承非線性研究與結構優(yōu)化.pdf

1、高速切削技術提出以后，電主軸向著更高速、高精度的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的機械軸承由于存在摩擦，越來越不能滿足高速運行的要求，因此利用磁懸浮軸承無磨損、轉速高、精度高、損耗低的特點，對高速電主軸進行磁懸浮支承能夠大大提高電主軸的性能。由于三極磁軸承具有徑向磁軸承最簡單的定子結構，并且能夠采用技術成熟、成本低的三相功率逆變器驅動，因此本文在江蘇省自然科學基金項目（BK2012707）和江蘇省研究生創(chuàng)新工程項目（KYLX_1046）的資助下，針對高速

2、電主軸的三極磁軸承支承系統(tǒng)開展研究，主要研究內容如下：
　　1.設計了磁懸浮電主軸的整體結構，采用三極徑向-軸向混合磁軸承支承轉軸的前端徑向兩個自由度和軸向自由度，采用雙片式三極混合磁軸承支承轉軸的后端徑向兩個自由度，針對磁懸浮電主軸的電機參數(shù)，給出了前端徑向-軸向磁軸承和后端徑向磁軸承的承載力要求。介紹了三極徑向-軸向混合磁軸承和三極混合磁軸承的工作原理，建立了其數(shù)學模型，分析了逆變器驅動對三極磁軸承徑向承載力的影響，發(fā)現(xiàn)x軸負

3、方向的承載力最小，因此根據(jù)x軸負方向滿足承載力要求設計了前端和后端磁軸承的結構參數(shù)。
　　2.三極磁軸承與傳統(tǒng)的徑向四極或八極磁軸承的懸浮力特性不同，其非線性更強，并且徑向兩個自由度之間存在耦合，因此針對未線性化的懸浮力數(shù)學模型分析徑向懸浮力與控制電流之間的非線性關系和徑向兩個自由度之間的耦合。并采用有限元仿真驗證了分析結果的正確性。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，三極徑向-軸向混合磁軸承和三極混合磁軸承的徑向懸浮力特性非常相似：x軸方向懸浮力

4、與控制電流之間為一元二次方程關系，并且隨著y方向控制電流的平方減小，y軸方向懸浮力與控制電流之間為線性關系，并且斜率隨著x方向控制電流的增大而減小。
　　3.由于三極磁軸承懸浮力的強非線性和耦合特性，針對三極磁軸承采用線性控制理論中的控制方法具有本質的缺陷，因此將逆系統(tǒng)解耦方法與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡對非線性函數(shù)的逼近功能相結合，在懸浮力非線性模型的基礎上，分析了三極徑向-軸向混合磁軸承和三極混合磁軸承的可逆性，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡逆方法實現(xiàn)非

5、線性解耦控制。
　　4.設計了電主軸三極磁軸承支承系統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件和軟件。設計了基于TMS320F2812的數(shù)字控制器，轉子位移檢測模塊，軸向功率驅動電路和徑向功率驅動電路。軟件部分包括主程序、主中斷服務子程序以及實現(xiàn)各功能模塊子程序，介紹了其設計流程圖。提出了一種近似測量懸浮力與控制電流之間關系的方法，驗證了關于三極混合磁軸承徑向懸浮力-電流特性的分析?；谒鶚嫿ǖ臄?shù)字控制系統(tǒng)進行了轉子起浮、穩(wěn)定懸浮、擾動和負載等實驗研究

6、。提出了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡逆控制的實現(xiàn)方法與步驟。
　　5.根據(jù)三極徑向-軸向混合磁軸承徑向懸浮力-電流特性的計算過程，分析出懸浮力非線性及耦合產(chǎn)生的原因，并針對該原因提出了結構改進的方法，即提出了六極徑向-軸向混合磁軸承。介紹了改進結構的磁軸承工作原理，推導了其懸浮力數(shù)學模型，針對未線性化的懸浮力模型分析了徑向懸浮力-電流特性，并進行了有限元仿真驗證，證明了改進結構的磁軸承徑向懸浮力非線性大大減小，且?guī)缀鯖]有耦合。根據(jù)傳統(tǒng)三自由度磁軸