交流混合磁轴承支承高速电主轴系统及优化研究

张宇鑫

摘 要：磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承， 在高速机床电主轴系统中具有潜在应用价值。论文研究了一种新型的交流混合磁轴承，与传统的直流磁轴承相比，它具有结构紧凑、成本低、便于驱动与控制等优点。在此基础上，设计了新型结构的五自由度交流混合磁轴承支承的电主轴系统，建立了状态方程，并采用逆系统方法对电主轴系统进行动态解耦控制研究，构建了五自由度交流混合磁轴承支承电主轴的数字控制系统，并对电主轴的五自由度悬浮支承技术进行了基础理论和典型试验研究。本论文研究的用于高速机床电主轴悬浮支承的五自由度交流磁轴承系统，结构和参数设计合理，构建的数字控制系统合理。

关键词：交流混合磁轴承 电主轴 参数设计 数字控制

仿真研究

一、引言

1.1 选题背景

随着现代工业的飞速发展，广泛用于航空航天、冶金等工业领域的旋转机械正朝着高速度、高精度、智能化的方向发展，对支承转子的关键部件轴承有着严格的要求，传统的滚动和滑动轴承难以满足工业应用的需求，磁悬浮轴承就应运而生了。

磁悬浮轴承也称磁轴承或磁力轴承，是利用磁场力将磁轴承无机械摩擦、无润滑的、悬浮在空间的一种新型高性能轴承，具有传统轴承所没有的转速高、能耗低、无机械磨损、噪声小，无润滑介质、寿命长、控制灵活、无污染等一系列优点，使得磁悬浮轴承在航空航天、能源、交通、生命科学、真空技术、涡轮机械及机床等领域具有广泛的应用前景。

1.2 研究目的及意义

目前，国内外对磁轴承的研究以直流主动磁轴承为主，对交流磁轴承的研究很少，因此，交流混合磁轴承研究对磁轴承技术的进一步发展有很重要的意义。

1.3 研究的基本内容

（1）磁悬浮轴承电主轴结构和参数优化设计

（2）磁悬浮电主轴数学模型建立及非线性逆解耦控制研究

（3）磁悬浮电主轴数字控制系统硬件和软件研究。

1.4 磁轴承支承技术的研究现状及发展趋势

1.4.1 国内外研究状况

由于太空中的特殊工作环境，轴承润滑困难，维修周期长，要求精度高并且低功耗，对新型无接触轴承的需求比较迫切，因此磁悬浮轴承在空间技术中最先开展应用。随着磁悬浮轴承在航空航天领域中取得应用，工业领域中的许多场合，如高速机床、分子泵、透平机、石油和化工等，也开始对这一高性能轴承的应用开展研究。国内磁轴承的研究起步较晚，从20世纪70年代末开始对主动磁轴承进行研究。目前在国内许多科研院校，如清华大学、武汉理工大学、上海大学、国防科技大学、浙江大学、山东大学、西安交通大学和江苏大学等都在开展磁悬浮轴承方面的研究。虽然国内很多科研院校将磁轴承作为重点项目来研发，取得一定的成果，但距离工业化生产还有一定的距离。

1.4.2 国内外发展趋势

目前，磁轴承技术在许多行业中都得了广泛应用。其中交流磁轴承的应用发展趋势主要集中在以下几个方面。

（1）在航天中的应用。飞轮储能作为一种新型储能技术，是以动能的形式把能量储存起来，从而完成电能到机械能转换的储能过程。用交流磁轴承取代传统机械轴承用到飞轮中，可提高飞轮的存储率。

（2） 在医疗中的应用。将交流磁轴承应用到人工血压泵中，不仅使人工血压泵的结构变得简单，还使人工血压泵的稳定性得到了提高。

（3） 在工业中的应用。将交流磁轴承应用到陀螺中，既提高了陀螺的稳定性，又使陀螺在空中的运转时间更长，推动了陀螺行业的发展。

二、论文内容

2.1 电主轴数学模型及解耦控制研究

2.1.1 五自由度交流混合磁轴承支承电主轴系统总体结构

本文研究的五自由度交流混合磁轴承支承的高速电主轴系统主要由压装在钢筒内套中的高速电机、2个交流二自由度混合磁轴承和1个轴向直流单自由度主动磁轴承主体部件构成。

交流二自由度混合磁轴承转子和轴向直流单自由度主动磁轴承转子均采用圆环形硅钢片叠压而成，套装在系统共用转轴上；交流二自由度混合磁轴承定子和轴向直流单自由度主动磁轴承定子也均采用圆环形硅钢片叠压而成。钢筒由钢筒外套和钢筒内套构成，钢筒外套和钢筒内套之间具有用于系统水冷散热的螺旋沟道。径向辅助轴承采用单滚珠轴承，径向-轴向辅助轴承采用调心滚珠轴承。系统中的所有位移传感器均采用电涡流位移传感器，所有的电流传感器均采用霍尔电流传感器。

2.1.2 五自由度交流混合磁軸承状态方程的建立

磁轴承电主轴转子模型一共包含六个刚体自由度：三个平动x、y和z，以及三个绕这些轴的转动。绕转轴Z的转动Ω并非由轴承系统控制而是由电机来控制，因而这一自由度的控制由驱动电机控制器来承担。

磁轴承控制器的任务是控制余下的五个自由度：质心在X、Y、Z方向上的三个平动运动以及绕径向方向X、Y的两个转动θx及θy。最普通的控制目标是维持上述运动“很小”。这里“很小”是指由理想位置的偏离相对于转子的尺寸和气隙而言的。以下我们均假设这种偏移为小偏移，且假设转轴为刚性对称轴。

2.2 逆系统线性化解耦控制

五自由度交流混合磁轴承状态方程是一个五输入、五输出10阶非线性系统，经一系列验算可知，系统可逆。从而系统成为无藕合的线性系统，得到的五自由度交流混合磁轴承电主轴的状态反馈解耦线性化结构示意图如图 所示，即将逆系统式与五自由度交流混合磁轴承原系统复合成五个伪线性子系统，系统实现了输入输出的线性化解耦。

2.3 系统综合与仿真

运用线性闭环控制器对解耦后的伪线性系统进行综合与仿真。仿真试验结果表明这种解耦控制策略能够实现五自由度交流混合磁轴承转子五自由度之间的动态解耦，转子能够稳定悬浮，而且具有良好的动、静态性能。

2.5 交流磁轴承数字控制系统硬件设计

根据控制系统的原理可知，系统的硬件由磁轴承、控制器、三相功率驱动电路、位移传感器、接口电路等几部分构成。

2.5.1 控制芯片选择

五自由度交流混合磁轴承系统采用TI公司的TMS320F2812数字信号处理器作为核心控制器，该处理器是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片之一。该芯片大大提高了磁悬浮轴承控制器的处理能力，同時其对C语言的高编译效率，使得软件开发周期大大缩短。

2.5.2 电主轴控制系统的硬件构成

电主轴控制系统的硬件组成主要包括PC、XDS510仿真器、数字信号处理器TMS320F2812 EVM板、三相功率驱动电路、开关功率放大器、磁轴承样机、电涡流位移传感器、霍尔电流传感器及位移接口电路。如图4所示。

2.6 控制系统的软件设计

2.6.1 系统软件总体结构

根据交流混合磁轴承系统的原理和转子悬浮的要求，系统控制软件设计主要完成以下功能：

a.PWM信号产生；

b. 位移和电流信号的采集与处理；

c. 2/3变换；

d. 数字控制器算法实现；

e. 故障处理。

与人机界面的串行通信软件程序采用模块化编程，由主程序和中断服务子程序组成。中断服务程序由主中断服务子程序、接收中断服务子程序和发送中断服务子程序组成。接收中断服务子程序和发送中断服务子程序主要完成PC机与DSP之间的通讯，利用DSP的SCI接口和VB语言编写的PC机操作界面可以很好的实现PC机和DSP的数据传送。本系统大部分程序采用C语言编写，调用频繁的部分用汇编语言编写。

三、总结

磁轴承改变了传统的支承方式，与传统轴承有着很多的不同之处，并具备了无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度高、寿命长、无污染等许多不可替代的突出优点而被广泛地应用于高速机床电主轴的支承中，为高速电主轴技术水平的提高创造了有利条件。本文分别对支承五自由度电主轴的三相交流主动磁轴承进行了详细的介绍，包括磁轴承的结构、工作原理、数学模型以及参数优化设计等。在此基础上本文设计了五自由度交流混合磁轴承支承的高速电主轴系统，建立了状态方程，并构建了五自由度交流混合磁轴承数字控制系统硬件结构与软件系统，为下一步该电主轴系统进入实验研究奠定了基础。

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