基于五自由度磁悬浮异步电机数控机库高速电主轴的研究

摘要

随着高速加工技术的广泛应用和迅速发展,对高转速、高精度数控机床电主轴的需求与日俱增,因此迫切需要开发出更加优质的高速电主轴。众所周知,影响电主轴高转速的主要因素就是主轴的支承技术,磁悬浮轴承的问世解决了这一问题。目前实现5个自由度稳定悬浮的电主轴一般是由2个径向磁轴承+1个轴向磁轴承+电机构成或是由1个混合磁轴承+1个径向磁轴承+电机构成,这类结构的电主轴虽然实现了5个自由度的悬浮,但其轴向长度过长,影响着电主轴的临界转速,阻尼刚度等性能,为了解决上述问题,本文采用三自由度混合磁轴承+二自由度磁悬浮异步电机的结构来实现主轴5个自由度的稳定悬浮,此结构的电主轴,不仅大大减小了系统的轴向长度,而且还继承了磁轴承与异步电机的所有优点,其结构简单、气隙均匀、牢固可靠、便于弱磁调速,更加有利于实现电主轴系统的超高速运行。基于此,本文设计了五自由度磁悬浮电主轴的实验样机以及数字控制系统,主要研究工作如下:
　　 首先,介绍了五自由度磁悬浮电主轴由永磁偏置三自由度混合磁轴承和二自由度磁悬浮异步电机两部分构成,详细分析了这两部分的结构及运行机理,并建立了各自的数学模型,为控制系统的设计奠定了理论基础。
　　 其次,设计了五自由度磁悬浮电主轴的实验样机,使用电磁场分析软件Ansoft／Maxwell分析了样机的磁场和悬浮力,针对悬浮力的非线性和耦合性进行了分析,验证了所设计样机结构和参数的合理性,随后在Matlab／Simulink环境下构建了控制系统的仿真模型,并进行了相关的仿真研究。
　　 最后,基于TI公司的TMS320F2812芯片设计了五自由度磁悬浮电主轴的数字控制系统,为开展五自由度磁悬浮电主轴系统的实验研究打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 机床电主轴的发展与现状

1.1.1 机床电主轴的发展与应用

1.1.2 机床电主轴的支承技术

1.2 磁悬浮电主轴的研究现状与发展

1.2.1 磁悬浮电主轴的组成及特点

1.2.2 磁悬浮电主轴的研究现状与发展趋势

1.3 磁悬浮电机的发展概况

1.4 课题的研究意义与内容

1.4.1 课题的研究意义

1.4.2 主要研究内容

第二章 五自由度磁悬浮电主轴的运行机理与数学模型建立

2.1 五自由度磁悬浮电主轴的组成及运行机理

2.1.1 五自由度磁悬浮电主轴的组成

2.1.2 五自由度磁悬浮电主轴的运行机理

2.2 永磁偏置三自由度混合磁轴承的数学模型

2.2.1 建立数学模型前的若干假设

2.2.2 永磁体等效磁路及气隙处合成磁通计算

2.2.3 轴向、径向悬浮力的计算公式及数学模型

2.3 二自由度磁悬浮异步电机的数学模型

2.3.1 二自由度磁悬浮异步电机悬浮力表达式

2.3.2 二自由度磁悬浮异步电机的数学模型

2.4 本章小结

第三章 五自由度磁悬浮电主轴的设计及有限元分析

3.1 五自由度磁悬浮电主轴的基本结构

3.2 永磁偏置三自由度混合磁轴承的设计及有限元分析

3.2.1 永磁偏置三自由度混合磁轴承电磁参数的设计

3.2.2 永磁偏置三自由度混合磁轴承结构参数设计

3.2.3 永磁偏置三自由度混合磁轴承的有限元分析

3.3 二自由度磁悬浮异步电机的设计及有限元分析

3.3.1 二自由度磁悬浮异步电机的的实现及网格剖分

3.3.2 二自由度磁悬浮异步电机的静磁场分析

3.3.3 二自由度磁悬浮异步电机的优化

3.3.4 二自由度磁悬浮异步电机的瞬态场分析

3.4 小结

第四章 五自由度磁悬浮电主轴的控制系统仿真研究

4.1 永磁偏置三自由度混合磁轴承的控制系统仿真研究

4.1.1 永磁偏置三自由度混合磁轴承的控制系统

4.1.2 永磁偏置三自由度混合磁轴承的仿真

4.2 基于SVM-DTC二自由度磁悬浮异步电机的控制系统仿真研究

4.2.1 二自由度磁悬浮异步电机SVM-DTC控制系统

4.2.2 目标电压矢量的合成及调制

4.2.3 二自由度磁悬浮异步电机SVM-DTC控制的仿真

4.3 小结

第五章 五自由度磁悬浮电主轴数字控制系统设计

5.1 永磁偏置三自由度混合磁轴承的硬件电路设计

5.1.1 H桥主电路设计

5.1.2 驱动电路设计

5.1.3 位移接口电路设计

5.2 二自由度磁悬浮异步电机的硬件电路设计

5.2.1 主电路设计

5.2.2 位移检测电路

5.2.3 电压检测电路

5.2.4 电流检测电路设计

5.3 五自由度磁悬浮电主轴的软件设计

5.3.1 系统主程序的实现

5.3.2 中断程序的实现

5.3.3 主要功能子程序的实现

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作与结论

6.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目

硕士期间发表的论文