黄峰[1]2007年在《二自由度交流混合磁轴承结构与控制研究》文中研究表明磁轴承具有功耗低、无摩擦磨损、无需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长等一系列优点，具有对转子主动控制能力，在各类悬浮支承领域具有潜在的应用前景。本课题研究一种新型的五自由度磁悬浮电主轴系统，具体由一个交流二自由度混合磁轴承，一个交直流三自由度混合磁轴承和高速电机等构成，目标是研制出一种结构紧凑，整体体积小，制造与运行成本低，并可应用于工业领域的新型磁悬浮电主轴系统。本论文在国家自然科学基金(50575099)的资助下，围绕交流混合磁轴承结构、数学模型及控制等开展了深入研究。具体内容如下：首先，根据磁轴承转子系统的特点，介绍了磁轴承与控制器的设计方法，列出了系统的主要技术指标，并针对可控二自由度混合磁轴承进行了具体研究，给出了几种典型磁轴承的机械结构，比较了它们的优点，为后续工作的开展奠定了基础。其次，针对二自由度磁轴承，分别设计了直流和交流二种新颖的磁轴承。采用等效磁路法对该磁轴承的磁路进行了计算，推导出径向悬浮力公式；再依据悬浮力的线性化数学模型给出了机械与电气参数设计方法；接着采用有限元分析ANSOFT软件对样机的磁路进行了仿真分析，仿真结果验证了理论设计的合理性。再次，依据转子的运动方程，建立了径向四自由度转子系统的状态方程，结合控制策略、各项传递函数，建立了控制系统，并在Matlab软件平台上建立了仿真模型，通过仿真验证了该控制系统具有较好的性能。最后，基于CRPWM三相逆变器功放电路，采用TMS320F2812 DSP构建了数字控制系统的硬件，开发了数字控制系统的相关软件，给出了各个功能模块的流程图。并以二自由度交流磁轴承数字实验系统进行实验验证，给出了相关实验结果，为进一步开展各项参数调试与功能测试奠定了实验条件。
周艳荣[2]2006年在《主动型磁悬浮轴承的设计与控制技术研究》文中进行了进一步梳理磁悬浮轴承是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，具有无摩擦、无磨损、无污染、低能耗、低噪声以及寿命长等优点，因而在航空航天、真空技术、精密机床、机械工业以及机器人等高科技领域具有广泛的应用前景。本文的主要任务是对磁悬浮轴承的优化设计与控制技术进行研究，主要工作如下： 首先，分析磁轴承系统的结构和工作原理，在平衡点附近建立了单自由度转子的传递函数模型，并在此基础上，建立了磁悬浮轴承径向四自由度转子的数学模型。 然后，介绍磁轴承系统关键部件的组成和设计，建立单自由度磁悬浮轴承模拟控制器系统的实验平台，并进行了实验分析研究；以数字信号处理器TMS320LF2407为核心，设计出完整的数控磁轴承软硬件系统，包括变参数PID控制器的设计和仿真研究，并完成了单自由度数控磁轴承系统的实验调试，实现了转子的稳定悬浮：针对数字控制系统的精度问题探讨了改善措施。 其次，为进一步增强主动磁轴承系统的鲁棒性和稳定性，改善系统的控制品质，本文提出了有效可行的滑模变结构控制方案，并进行了仿真实验。另外与常规PID控制器、变参数PID控制器的仿真结果进行了分析比较，研究发现滑模变结构控制器以其独特的控制方法应用在磁轴承系统中具有良好的动态品质和强鲁棒性。本文所研制的数控磁悬浮轴承系统具有结构简单、性能稳定、噪音小、可扩展性强、实时调试方便等特点，并实现了单自由度磁轴承的稳定悬浮，稳态位移误差小于2.2μm。
谢黎[3]2002年在《磁悬浮轴承控制器的研究与实现》文中提出主动磁轴承是一种典型的机电一体化产品，是一种新型的高性能支承部件。其具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命长等一系列传统的滚动轴承和滑动轴承所无法比拟的优点。随着主动磁轴承技术逐渐被人们认识和掌握，主动磁轴承将广泛地应用于以下领域：航空航天领域、真空技术领域、机床与高速旋转机械、能源交通等。 主动磁轴承技术是一种高新技术，其研究涉及到电磁学、控制理论、机械学、转子动力学以及计算机科学等多个学科的知识。其中，磁轴承控制器的研究是其中至关重要的一环，控制器性能的好坏影响到磁轴承的动态性能和转子的回转精度，直接关系到磁轴承能否应用。 本文在分析电磁轴承工作原理的基础上，建立了磁轴承系统中转轴的单自由度传递函数模型和四自由度状态方程模型；并根据现代控制理论，进一步设计了适合磁轴承系统的最优输出反馈数字控制器和基于降维观测器的状态反馈数字控制器。影响磁轴承应用的很重要的一个性能指标就是动态刚度，针对对传统的PID控制器控制下的动态刚度太小的问题，对PID控制器进行了改进，提高了在PID控制下磁轴承系统的动态刚度。最后对所设计的最优输出反馈控制器和基于降维观测器的最优状态反馈控制器进行了DSP实现。
吕慎刚[4]2006年在《高速电主轴振动控制技术研究》文中研究说明高速电主轴是高性能机床的核心部件,它将主轴电动机内置于机床主轴中,两者“合而为一”,因而具有结构紧凑、质量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快、易于实现主轴定位和准停等突出优点,在航空航天、汽车与摩托车、模具制造、轻工与电子工业和其他制造业获得越来越广泛的应用。新一代高速电主轴的工况特点是低速大转矩和高速大功率,预紧力可控是很有技术发展前途的新方向。确定最佳预紧力,实现电主轴在包含低速大转矩与高速大功率整个工作范围内动力学品质全局兼优是预紧力可控的基础。基于此,本课题提出了基于最佳预紧力电主轴振动控制技术。本文基于电主轴预紧力可控的思想,在普通电主轴的基础上设计了预紧力可控的电主轴;基于整体传递矩阵建模方法和滚动轴承分析理论,建立了主轴转子-轴承系统动力学模型,研究计算了电主轴系统的临界转速和主振型;考虑轴承阻尼效应,分析了主轴的动刚度,在一定准则下给出了在动力学范围内电主轴系统的最佳预紧力;基于单片机设计了电主轴预紧力控制系统包括控制器和功率放大器以及相应的外围电路,并对控制系统进行了调试,为电主轴最佳预紧力的实现奠定了基础。最后研究了以磁轴承作为支承的磁轴承电主轴的鲁棒控制。建立了五自由度磁轴承电主轴的动力学模型,并阐述了基于DSP的磁轴承电主轴数字控制系统;以存在模型不确定性的径向磁轴承转子系统为研究对象,设计了μ综合鲁棒控制器,借助Matlab工具对设计的控制系统进行了仿真,结果表明控制系统对模型不确定性有很好的稳定鲁棒性和性能鲁棒性。
吴国庆[5]2006年在《用于数控机床的磁悬浮支承系统及其控制技术》文中研究表明磁悬浮技术是利用磁场力将物体悬浮于空间，使其与其它物体没有直接机械接触的一种新型支承技术。由于它具有无摩擦、无磨损、无污染、低噪声以及寿命长等优点，因此在交通、航空航天、机械加工、能源、化工等工业及高科技领域有着广泛的应用前景。尤其是在高档数控机床中要实现高精度、高速度的旋转和直线运动，磁悬浮支承应当是理想的选择之一。本文的主要工作和目标是研究可用于高档数控机床的高速、高精度运动机构中的磁悬浮支承技术，其中包括磁悬浮轴承支承的高速高精度机床电主轴系统(旋转支承)和磁悬浮导轨支承的高速高精度机床平台系统(平动支承)。本文系统地综述了国内外磁悬浮支承技术的发展概况、发展趋势，以及本课题研究的现实意义、重要性和可行性；建立了磁悬浮轴承(简称磁轴承)与磁悬浮平台的数学模型)，并考虑了多自由度系统陀螺力矩耦合问题，以863项目完成的磁悬浮支承电主轴和磁悬浮支承平台为研究对象，计算分析了陀螺效应系数：利用ANSYS软件对上述磁悬浮支承电主轴的磁场分布情况进行模拟分析，研究电磁径向轴承和推力轴承磁场形成规律和漏磁现象，并找出系统磁场分布的变化规律和影响因素，为电磁轴承结构优化设计和控制电流方向的选择提供理论参考：分析研究了电磁推力轴承和径向轴承的位置刚度系数、电流刚度系数随悬浮体(推力盘和转子)的偏移量和控制电流变化而变化的规律，为电磁轴承控制系统的设计和智能磁力轴承的实现提供依据；按控制系统的硬件要求及时序配合要求，构造以数字信号处理器为核心的数据采集、控制及功率输出的硬件系统；为降低成本和提高可靠性以及实现智能控制，研制磁悬浮支承系统的专用控制芯片；探索磁悬浮支承系统实现智能化的途径，研究其设计过程和应用过程的关键技术。在实验方面，在上述研究结果的基础上，研制完成了相应的传感器变换电路、数字控制调节器、开关功率放大器及必要的机械装置，构建一个5自由度磁悬浮支承电主轴和一个6自由度磁悬浮支承平台(模拟机床进给导轨)。在不同的状态(如不同转速)下分别对转子和平台的振动状况、精度和刚度等进行全面的测量和分析，探索磁悬浮支承系统在高速高精度机床应用中存在的各种问题，并力求提出解决的可行性方案。通过以上研究，完成的5自由度磁悬浮铣床电主轴和6自由度磁悬浮平台样机的相关技术指标在国内同类研究中居于前列。本文的理论分析结果也经过相应的实验得到了验证。特别值得一提的是，本文中涉及的磁悬浮平台系统在国内可谓首屈一指，是国内第一台6自由度磁悬浮支承的平台样机，其技术指标在国内可居领先水平；而22kW的5自由度磁悬浮铣床电主轴转速已达到27kr/min，如此大功率的电主轴在国内还未见报道。两台样机于2004年11月4日至9日举行的上海第六届国际工业博览会上成功展览，得到参观者的关注和好评。并以平台静态悬浮精度(振动幅度)≤1μm，动态精度(振动幅度)≤10μm。总承载力105.5kg，单位面积承载力≥0.3N/mm~2等技术指标于2006年8月9日在北京通过863专家组验收。同时，本文介绍的磁悬浮支承系统专用IC芯片的研制也为该领域的研究和发展揭开了新的一页，它将对磁悬浮技术的研究和应用、为磁悬浮支承系统的智能化和系列化提供积极的手段。
张建生[6]2006年在《磁悬浮支承系统中数控技术及功率放大器的应用研究》文中研究指明本文主要研究磁悬浮支承系统功率放大器，包括其原理、特点、设计方法及应用技术，特别是专门应用于高档数控机床的运动机构，如高速高精度机床电主轴(旋转支承)及高速高精度平台(机床导轨)(平动支承)中的功率放大器。对于一个主动磁悬浮支承(轴承)系统而言，其中的核心理论和技术是主动磁悬浮理论及其支承技术，就其硬件部分来讲，主要由四大方面组成：位置传感与检测、信号控制与调节、电源与功率放大以及轴承与转子。本文在对当前磁悬浮支承(轴承)系统中的控制器技术及理论进行讨论的前提下，重点针对功率放大部分存在的问题和不足进行分析研究，并在此基础上提出相应的解决思路，同时，完成了切实可行的设计方案，包括采用线性器件构建的磁悬浮支承平台系统用的模拟功率放大器、采用开关器件构建的磁悬浮支承电主轴系统用的开关功率放大器；并对可能由于磁悬浮支承部件材料的B—H磁化曲线引起的电磁力非线性影响进行了分析讨论，提出了一种以克服这种非线性影响为目的的智能化功率放大器的构想，并讨论了其实现的可行性。论文主要以国家863计划项目“高档数控机床中的磁悬浮支承技术”(课题编号：2001AA423310)为依托，以其研究内容为本文的主要工作背景，以相关的理论分析及其实验数据为依据进行撰写，其中部分问题的提出则与国家自然科学基金项目“磁轴承智能化的机理及关键技术研究”(项目资助号：50475181)有一定的相关性。在磁悬浮支承系统中，稳定的悬浮(支承)力是依靠调整支承体(通常为电磁铁，在旋转机械中则称为轴承)激磁线圈中的电流来达到的，其中功率放大器的性能与支承系统的控制精度和技术指标密切相关。被支承体(在旋转机械中通常称为转子)与支承体之间的间隙是随着被支承体的高速运动而时刻发生着变化，需要实时地根据被支承体的位置情况对激磁线圈中的电流进行调整，达到稳定悬浮及可靠工作的目的。因此，主动磁悬浮支承系统中的控制器研究一度成为研究者关注的焦点之一。随着研究工作向实际应用方面的转变，功率放大器及其性能的优劣正在逐步成为应用者不得不关注的核心技术之一，也是决定磁悬浮支承系统性能的一个关键部件。目前在磁悬浮支承系统中流行的功率放大器主要有两大类：线性功放和开关功放。但由于两者的各自特点，在应用中应当说是各有利弊。另外，功率放大器输出通常采用差动式结构，以克服电磁力与线圈中电流之间的非线性影响。但磁性材料B—H曲线的非线性因素，在功率放大器做差动式输出时，也有可能会引起电磁铁吸力的不对称现象，给实际应用带来不利的影响，如控制电流的动态范围是否会减小等，因此，本文拟对磁性材料的B—H曲线的非线性影响做一定的分析和研究，以期找出解决的方法来尽可能满足主动磁悬浮支承技术在数控机床中应用的要求。本文首先分析研究了磁悬浮支承系统的基本工作原理，并在此基础上，分析和讨论了磁悬浮支承系统对功率放大器的要求，提出了适合不同类型磁悬浮支承系统的功率放大器设计方案。本文还分析、研究和实施了可用于旋转支承(电主轴)及平移支承(导轨或平台)的线性功率放大器。同时，分析、研究并实施了可用于旋转支承的开关功率放大器。其后，针对实验中发现的问题，总结和分析后，提出了一种智能型非线性增益开关功率放大器(简称非线性功放)的构想，以期专门针对磁性材料的非线性问题，从而解决磁悬浮系统中难于解决的关键问题——非线性影响问题。非线性功放的主要特征是在特殊设计的程序控制下能够实现“根据磁性材料的非线性特性自动调整功放的增益”的作用，从而消除系统中这方面的非线性的影响。本文的主要工作及贡献在于：以863计划项目的研究内容为目标，完成适用于相关样机的磁悬浮支承系统的功率放大器的分析、研究、设计和调试工作，并建立了相关的分析和设计理论和方法；提出了一种新颖的非线性功放的设计思想，期望这种功率放大器具有一定智能化，可对磁悬浮支承系统中由于铁磁材料引起的非线性问题进行有效补偿，其构思对实现其他类似系统的智能化有一定的借鉴和参考作用。
高景洲[7]2014年在《超精密气磁轴承主轴系统静动力学特性及主轴控制研究》文中研究说明气体轴承和磁悬浮轴承是目前回转精度最高的轴承,在军事、航天、计算机等领域得到了广泛的应用。静压气体轴承具有摩擦极小、无渗漏、无污染等优点,但不易于控制,加工难度高。磁轴承具有无磨损、可控性好等优点。本文首先阐述了气体轴承和磁轴承的发展概况,并详细阐述了两种轴承的分类和特点。由于静压气体轴承和磁轴承各自所表现出来的优点可以相互弥补彼此的不足,静压气体轴承与磁悬浮轴承的联合使用可以提高轴系的回转精度。本文研究了一种超精密气磁轴承主轴系统,并对系统各轴承的形式及参数进行了分析。系统由两个静压气体轴承和两个主动磁轴承作为径向轴承,由一个止推磁轴承作为轴向轴承,这些轴承组成了主轴系统的支撑结构。本文经过对超精密气磁轴承主轴系统结构的研究,推导出系统五自由度动力学模型,分析了主轴高速转动时的陀螺偶合效应。通过雷诺方程的推导,根据所设计的轴承参数,采用有限元分析方法研究了静压气体轴承和磁轴承的静态特性,分析了静压气体轴承在静态条件下,刚度、偏心率、承载力之间的关系。对磁轴承电磁力进行了数学建模和仿真分析。采用转动坐标系和静态网格相结合的方法研究了主轴系统中的静压气体轴承的动态特性,分析了动态阻尼和刚度的变化规律。气磁轴承静态特性和动态特性计算分析结果为改进气磁轴承的结构和提高其性能提供了理论依据。本文应用MATLAB语言对主轴的控制系统进行了仿真分析,设计了主轴的PID控制器,并使用Simulink对PID控制性能进行仿真,仿真结果证明了PID控制主轴系统的可行性与稳定性。
李珲[8]2000年在《数控磁轴承—转子系统的研究》文中提出磁轴承是利用磁力将转子稳定悬浮于空间的一种新型高性能轴承，由于转子与定子之间不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，几乎没有机械磨损、寿命长、能耗低、噪音小、无需润滑、在很多应用领域内与传统轴承相比具有明显的优越性。 本文介绍了本实验室研制的数控AMB实验台数学模型以及数字控制器的硬件和软件的工作原理，它采用了上下位机主从式工作方式，可在线修改控制器参数。本文提出利用转速实现在线最优控制思想。由于AMB系统转子动力特性和功放的非线性是转速的函数，而且在实际中转速是可以在线测量的，因此可以将数字控制器参数以转速分段优化，从而使系统始终工作在最佳状态。采用优化方法与AMB系统仿真相结合的方法得到控制器不同转速段的优化参数，并用实验初步验证了这些参数的有效性。本文用所提出的电磁轴承-柔性转子系统分析方法，对实验室的磁轴承实验系统进行了较为深入的分析。计算分析表明：采用两级相位超前的控制器可以增加系统的稳定性并大大降低不平衡响应的幅值；由于传感器与磁轴承的异位的存在，尤其是对柔性转子，传感器所测的信号不能真实地反映磁轴承的情况，影响了系统的可控性及可观测性，因而影响了控制效果，对系统的性能影响较大，甚至影响系统的稳定性。
张峻[9]2003年在《主动磁轴承控制研究》文中研究指明主动磁轴承由于具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命长等优点而越来越受到科研工作者的重视。磁轴承的性能好坏主要取决于控制系统。因此，开展对磁轴承控制的研究具有重要意义。本文主要研究磁轴承的控制规律及控制软件。 本文建立了径向四自由度磁轴承系统的数学模型，设计了集中PID控制器和分散PID控制器并进行了数字仿真。结果表明，对于刚性转子磁轴承，分散控制可以满足系统性能的要求。根据线性二次型控制理论设计了状态反馈控制器，仿真结果表明该控制器效果良好。 本文用汇编语言编写了分散PID控制的程序，并应用在TMS320F240 DSP的磁轴承控制系统上，实现了四自由度刚性转子的稳定悬浮和高速旋转，转子轴线的径向跳动小于20μm。
乔晓利[10]2016年在《磁悬浮电主轴系统动态分析及振动控制技术综述》文中研究指明高速电主轴性能的好坏直接决定着高档机床的发展,而切削系统的动态特性及振动控制效果又与电主轴的性能密不可分,它们互相影响、协同决定着机械加工过程中的切削效率、工件的表面质量以及刀具的使用寿命。为此,对磁悬浮电主轴、磁悬浮轴承-柔性转子系统建模理论和动力学特性及柔性磁悬浮电主轴转子振动主动控制技术的现状进行了评述,指出了目前柔性磁悬浮电主轴切削领域中所存在的问题,并对磁悬浮电主轴研究的发展趋势及应用前景进行了预测。
参考文献：
[1]. 二自由度交流混合磁轴承结构与控制研究[D]. 黄峰. 江苏大学. 2007
[2]. 主动型磁悬浮轴承的设计与控制技术研究[D]. 周艳荣. 苏州大学. 2006
[3]. 磁悬浮轴承控制器的研究与实现[D]. 谢黎. 南京航空航天大学. 2002
[4]. 高速电主轴振动控制技术研究[D]. 吕慎刚. 东南大学. 2006
[5]. 用于数控机床的磁悬浮支承系统及其控制技术[D]. 吴国庆. 上海大学. 2006
[6]. 磁悬浮支承系统中数控技术及功率放大器的应用研究[D]. 张建生. 上海大学. 2006
[7]. 超精密气磁轴承主轴系统静动力学特性及主轴控制研究[D]. 高景洲. 东北林业大学. 2014
[8]. 数控磁轴承—转子系统的研究[D]. 李珲. 北京工业大学. 2000
[9]. 主动磁轴承控制研究[D]. 张峻. 南京航空航天大学. 2003
[10]. 磁悬浮电主轴系统动态分析及振动控制技术综述[J]. 乔晓利. 河北科技大学学报. 2016
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