交流混合磁軸承支承高速電主軸系統(tǒng)及優(yōu)化研究

張宇鑫

摘 要：磁軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實(shí)現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承， 在高速機(jī)床電主軸系統(tǒng)中具有潛在應(yīng)用價值。論文研究了一種新型的交流混合磁軸承，與傳統(tǒng)的直流磁軸承相比，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、便于驅(qū)動與控制等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型結(jié)構(gòu)的五自由度交流混合磁軸承支承的電主軸系統(tǒng)，建立了狀態(tài)方程，并采用逆系統(tǒng)方法對電主軸系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)解耦控制研究，構(gòu)建了五自由度交流混合磁軸承支承電主軸的數(shù)字控制系統(tǒng)，并對電主軸的五自由度懸浮支承技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)理論和典型試驗(yàn)研究。本論文研究的用于高速機(jī)床電主軸懸浮支承的五自由度交流磁軸承系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)合理，構(gòu)建的數(shù)字控制系統(tǒng)合理。

關(guān)鍵詞：交流混合磁軸承 電主軸 參數(shù)設(shè)計(jì) 數(shù)字控制

仿真研究

一、引言

1.1 選題背景

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，廣泛用于航空航天、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機(jī)械正朝著高速度、高精度、智能化的方向發(fā)展，對支承轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件軸承有著嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的滾動和滑動軸承難以滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，磁懸浮軸承就應(yīng)運(yùn)而生了。

磁懸浮軸承也稱磁軸承或磁力軸承，是利用磁場力將磁軸承無機(jī)械摩擦、無潤滑的、懸浮在空間的一種新型高性能軸承，具有傳統(tǒng)軸承所沒有的轉(zhuǎn)速高、能耗低、無機(jī)械磨損、噪聲小，無潤滑介質(zhì)、壽命長、控制靈活、無污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，使得磁懸浮軸承在航空航天、能源、交通、生命科學(xué)、真空技術(shù)、渦輪機(jī)械及機(jī)床等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.2 研究目的及意義

目前，國內(nèi)外對磁軸承的研究以直流主動磁軸承為主，對交流磁軸承的研究很少，因此，交流混合磁軸承研究對磁軸承技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有很重要的意義。

1.3 研究的基本內(nèi)容

（1）磁懸浮軸承電主軸結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（2）磁懸浮電主軸數(shù)學(xué)模型建立及非線性逆解耦控制研究

（3）磁懸浮電主軸數(shù)字控制系統(tǒng)硬件和軟件研究。

1.4 磁軸承支承技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.4.1 國內(nèi)外研究狀況

由于太空中的特殊工作環(huán)境，軸承潤滑困難，維修周期長，要求精度高并且低功耗，對新型無接觸軸承的需求比較迫切，因此磁懸浮軸承在空間技術(shù)中最先開展應(yīng)用。隨著磁懸浮軸承在航空航天領(lǐng)域中取得應(yīng)用，工業(yè)領(lǐng)域中的許多場合，如高速機(jī)床、分子泵、透平機(jī)、石油和化工等，也開始對這一高性能軸承的應(yīng)用開展研究。國內(nèi)磁軸承的研究起步較晚，從20世紀(jì)70年代末開始對主動磁軸承進(jìn)行研究。目前在國內(nèi)許多科研院校，如清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上海大學(xué)、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)、西安交通大學(xué)和江蘇大學(xué)等都在開展磁懸浮軸承方面的研究。雖然國內(nèi)很多科研院校將磁軸承作為重點(diǎn)項(xiàng)目來研發(fā)，取得一定的成果，但距離工業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。

1.4.2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢

目前，磁軸承技術(shù)在許多行業(yè)中都得了廣泛應(yīng)用。其中交流磁軸承的應(yīng)用發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面。

（1）在航天中的應(yīng)用。飛輪儲能作為一種新型儲能技術(shù)，是以動能的形式把能量儲存起來，從而完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲能過程。用交流磁軸承取代傳統(tǒng)機(jī)械軸承用到飛輪中，可提高飛輪的存儲率。

（2） 在醫(yī)療中的應(yīng)用。將交流磁軸承應(yīng)用到人工血壓泵中，不僅使人工血壓泵的結(jié)構(gòu)變得簡單，還使人工血壓泵的穩(wěn)定性得到了提高。

（3） 在工業(yè)中的應(yīng)用。將交流磁軸承應(yīng)用到陀螺中，既提高了陀螺的穩(wěn)定性，又使陀螺在空中的運(yùn)轉(zhuǎn)時間更長，推動了陀螺行業(yè)的發(fā)展。

二、論文內(nèi)容

2.1 電主軸數(shù)學(xué)模型及解耦控制研究

2.1.1 五自由度交流混合磁軸承支承電主軸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文研究的五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)主要由壓裝在鋼筒內(nèi)套中的高速電機(jī)、2個交流二自由度混合磁軸承和1個軸向直流單自由度主動磁軸承主體部件構(gòu)成。

交流二自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子和軸向直流單自由度主動磁軸承轉(zhuǎn)子均采用圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統(tǒng)共用轉(zhuǎn)軸上；交流二自由度混合磁軸承定子和軸向直流單自由度主動磁軸承定子也均采用圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成。鋼筒由鋼筒外套和鋼筒內(nèi)套構(gòu)成，鋼筒外套和鋼筒內(nèi)套之間具有用于系統(tǒng)水冷散熱的螺旋溝道。徑向輔助軸承采用單滾珠軸承，徑向-軸向輔助軸承采用調(diào)心滾珠軸承。系統(tǒng)中的所有位移傳感器均采用電渦流位移傳感器，所有的電流傳感器均采用霍爾電流傳感器。

2.1.2 五自由度交流混合磁軸承狀態(tài)方程的建立

磁軸承電主軸轉(zhuǎn)子模型一共包含六個剛體自由度：三個平動x、y和z，以及三個繞這些軸的轉(zhuǎn)動。繞轉(zhuǎn)軸Z的轉(zhuǎn)動Ω并非由軸承系統(tǒng)控制而是由電機(jī)來控制，因而這一自由度的控制由驅(qū)動電機(jī)控制器來承擔(dān)。

磁軸承控制器的任務(wù)是控制余下的五個自由度：質(zhì)心在X、Y、Z方向上的三個平動運(yùn)動以及繞徑向方向X、Y的兩個轉(zhuǎn)動θx及θy。最普通的控制目標(biāo)是維持上述運(yùn)動“很小”。這里“很小”是指由理想位置的偏離相對于轉(zhuǎn)子的尺寸和氣隙而言的。以下我們均假設(shè)這種偏移為小偏移，且假設(shè)轉(zhuǎn)軸為剛性對稱軸。

2.2 逆系統(tǒng)線性化解耦控制

五自由度交流混合磁軸承狀態(tài)方程是一個五輸入、五輸出10階非線性系統(tǒng)，經(jīng)一系列驗(yàn)算可知，系統(tǒng)可逆。從而系統(tǒng)成為無藕合的線性系統(tǒng)，得到的五自由度交流混合磁軸承電主軸的狀態(tài)反饋解耦線性化結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示，即將逆系統(tǒng)式與五自由度交流混合磁軸承原系統(tǒng)復(fù)合成五個偽線性子系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的線性化解耦。

2.3 系統(tǒng)綜合與仿真

運(yùn)用線性閉環(huán)控制器對解耦后的偽線性系統(tǒng)進(jìn)行綜合與仿真。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明這種解耦控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)五自由度交流混合磁軸承轉(zhuǎn)子五自由度之間的動態(tài)解耦，轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定懸浮，而且具有良好的動、靜態(tài)性能。

2.5 交流磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的原理可知，系統(tǒng)的硬件由磁軸承、控制器、三相功率驅(qū)動電路、位移傳感器、接口電路等幾部分構(gòu)成。

2.5.1 控制芯片選擇

五自由度交流混合磁軸承系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器作為核心控制器，該處理器是目前國際市場上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片之一。該芯片大大提高了磁懸浮軸承控制器的處理能力，同時其對C語言的高編譯效率，使得軟件開發(fā)周期大大縮短。

2.5.2 電主軸控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

電主軸控制系統(tǒng)的硬件組成主要包括PC、XDS510仿真器、數(shù)字信號處理器TMS320F2812 EVM板、三相功率驅(qū)動電路、開關(guān)功率放大器、磁軸承樣機(jī)、電渦流位移傳感器、霍爾電流傳感器及位移接口電路。如圖4所示。

2.6 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.6.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)交流混合磁軸承系統(tǒng)的原理和轉(zhuǎn)子懸浮的要求，系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)主要完成以下功能：

a.PWM信號產(chǎn)生；

b. 位移和電流信號的采集與處理；

c. 2/3變換；

d. 數(shù)字控制器算法實(shí)現(xiàn)；

e. 故障處理。

與人機(jī)界面的串行通信軟件程序采用模塊化編程，由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。中斷服務(wù)程序由主中斷服務(wù)子程序、接收中斷服務(wù)子程序和發(fā)送中斷服務(wù)子程序組成。接收中斷服務(wù)子程序和發(fā)送中斷服務(wù)子程序主要完成PC機(jī)與DSP之間的通訊，利用DSP的SCI接口和VB語言編寫的PC機(jī)操作界面可以很好的實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和DSP的數(shù)據(jù)傳送。本系統(tǒng)大部分程序采用C語言編寫，調(diào)用頻繁的部分用匯編語言編寫。

三、總結(jié)

磁軸承改變了傳統(tǒng)的支承方式，與傳統(tǒng)軸承有著很多的不同之處，并具備了無摩擦磨損、無需潤滑、轉(zhuǎn)速高、精度高、壽命長、無污染等許多不可替代的突出優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于高速機(jī)床電主軸的支承中，為高速電主軸技術(shù)水平的提高創(chuàng)造了有利條件。本文分別對支承五自由度電主軸的三相交流主動磁軸承進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括磁軸承的結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型以及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計(jì)了五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)，建立了狀態(tài)方程，并構(gòu)建了五自由度交流混合磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng)，為下一步該電主軸系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張維煜，朱熀秋，鞠金濤，陳濤.磁懸浮軸承研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].軸承，2016（12）：56-63.

[2] 朱熀秋，沈玉祥，鄔清海，陳佳駒.交流混合磁軸承建模與控制系統(tǒng)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（18）：100-105.

[3] 任娟平，何薇薇.基于DSP的磁軸承控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī)，2009，42（08）：47-49.

[4] 高寧宇，陳懷項(xiàng).交流磁軸承支承電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（03）：98-100.

[5] 張維煜. 交流混合磁軸承變剛度系數(shù)分析與控制系統(tǒng)研究[A]. 中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會.中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會B卷[C].中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會：中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會，2011：6.

[6] 楊益飛. 五自由度交流混合磁軸承α階逆系統(tǒng)解耦控制[A]. 中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會.中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會C卷[C].中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會：中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會，2011：5.