磁懸浮支承系統(tǒng)中數(shù)控技術(shù)及功率放大器的應(yīng)用研究.pdf

1、本文主要研究磁懸浮支承系統(tǒng)功率放大器，包括其原理、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用技術(shù)，特別是專門應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如高速高精度機(jī)床電主軸(旋轉(zhuǎn)支承)及高速高精度平臺(tái)(機(jī)床導(dǎo)軌)(平動(dòng)支承)中的功率放大器。 對于一個(gè)主動(dòng)磁懸浮支承(軸承)系統(tǒng)而言，其中的核心理論和技術(shù)是主動(dòng)磁懸浮理論及其支承技術(shù)，就其硬件部分來講，主要由四大方面組成：位置傳感與檢測、信號控制與調(diào)節(jié)、電源與功率放大以及軸承與轉(zhuǎn)子。本文在對當(dāng)前磁懸浮支承(軸承)系統(tǒng)

2、中的控制器技術(shù)及理論進(jìn)行討論的前提下，重點(diǎn)針對功率放大部分存在的問題和不足進(jìn)行分析研究，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的解決思路，同時(shí)，完成了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，包括采用線性器件構(gòu)建的磁懸浮支承平臺(tái)系統(tǒng)用的模擬功率放大器、采用開關(guān)器件構(gòu)建的磁懸浮支承電主軸系統(tǒng)用的開關(guān)功率放大器；并對可能由于磁懸浮支承部件材料的B-H磁化曲線引起的電磁力非線性影響進(jìn)行了分析討論，提出了一種以克服這種非線性影響為目的的智能化功率放大器的構(gòu)想，并討論了其實(shí)現(xiàn)的可行性。

3、論文主要以國家863計(jì)劃項(xiàng)目“高檔數(shù)控機(jī)床中的磁懸浮支承技術(shù)”(課題編號：200lAA423310)為依托，以其研究內(nèi)容為本文的主要工作背景，以相關(guān)的理論分析及其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行撰寫，其中部分問題的提出則與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“磁軸承智能化的機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究”(項(xiàng)目資助號：50475181)有一定的相關(guān)性。 在磁懸浮支承系統(tǒng)中，穩(wěn)定的懸浮(支承)力是依靠調(diào)整支承體(通常為電磁鐵，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中則稱為軸承)激磁線圈中的電流來達(dá)到

4、的，其中功率放大器的性能與支承系統(tǒng)的控制精度和技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)。被支承體(在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中通常稱為轉(zhuǎn)子)與支承體之間的間隙是隨著被支承體的高速運(yùn)動(dòng)而時(shí)刻發(fā)生著變化，需要實(shí)時(shí)地根據(jù)被支承體的位置情況對激磁線圈中的電流進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到穩(wěn)定懸浮及可靠工作的目的。因此，主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)中的控制器研究一度成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。隨著研究工作向?qū)嶋H應(yīng)用方面的轉(zhuǎn)變，功率放大器及其性能的優(yōu)劣正在逐步成為應(yīng)用者不得不關(guān)注的核心技術(shù)之一，也是決定磁懸浮支承系

5、統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵部件。目前在磁懸浮支承系統(tǒng)中流行的功率放大器主要有兩大類：線性功放和開關(guān)功放。但由于兩者的各自特點(diǎn)，在應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)說是各有利弊。另外，功率放大器輸出通常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，以克服電磁力與線圈中電流之間的非線性影響。但磁性材料B-H曲線的非線性因素，在功率放大器做差動(dòng)式輸出時(shí)，也有可能會(huì)引起電磁鐵吸力的不對稱現(xiàn)象，給實(shí)際應(yīng)用帶來不利的影響，如控制電流的動(dòng)態(tài)范圍是否會(huì)減小等，因此，本文擬對磁性材料的B-H曲線的非線性影響做一定的分

6、析和研究，以期找出解決的方法來盡可能滿足主動(dòng)磁懸浮支承技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用的要求。本文首先分析研究了磁懸浮支承系統(tǒng)的基本工作原理，并在此基礎(chǔ)上，分析和討論了磁懸浮支承系統(tǒng)對功率放大器的要求，提出了適合不同類型磁懸浮支承系統(tǒng)的功率放大器設(shè)計(jì)方案。 本文還分析、研究和實(shí)施了可用于旋轉(zhuǎn)支承(電主軸)及平移支承(導(dǎo)軌或平臺(tái))的線性功率放大器。同時(shí)，分析、研究并實(shí)施了可用于旋轉(zhuǎn)支承的開關(guān)功率放大器。其后，針對實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，總結(jié)和分析后

7、，提出了一種智能型非線性增益開關(guān)功率放大器(簡稱非線性功放)的構(gòu)想，以期專門針對磁性材料的非線性問題，從而解決磁懸浮系統(tǒng)中難于解決的關(guān)鍵問題-非線性影響問題。 非線性功放的主要特征是在特殊設(shè)計(jì)的程序控制下能夠?qū)崿F(xiàn)“根據(jù)磁性材料的非線性特性自動(dòng)調(diào)整功放的增益”的作用，從而消除系統(tǒng)中這方面的非線性的影響。 本文的主要工作及貢獻(xiàn)在于：以863計(jì)劃項(xiàng)目的研究內(nèi)容為目標(biāo)，完成適用于相關(guān)樣機(jī)的磁懸浮支承系統(tǒng)的功率放大器的分析、研究、