交流混合磁轴承电主轴系统建模与控制

摘要

磁轴承是利用电磁力将转子悬浮于空间的一种新型轴承,由于其具有无机械接触、无磨损、无需润滑、寿命长、能耗低、噪声小等一系列传统轴承无法比拟的优点而倍受瞩目。目前,在磁轴承研究领域主要以主动的直流控制式磁轴承为研究对象,而直流功放相对于逆变器成本较高。本课题在国家自然科学基金(50575099)的支持下,研究一种新型结构的采用逆变器供电的交流混合磁轴承。本论文在已设计交流混合磁轴承结构基础上,研究由交流混合磁轴承支承的电主轴系统建模与控制,具体研究内容如下:
　　 首先,介绍了由交流混合磁轴承支承的电主轴的构成,对各个组成部分及其相互之间的关系做了详细的分析；采用等效磁路法对交流混合磁轴承的磁路进行了分析,推导出悬浮力计算公式；建立了五自由度交直流混合磁轴承电主轴的状态方程。
　　 其次,采用最优控制理论中线性二次型指标设计了五自由度交流混合磁轴承集中和分散参数状态反馈控制器,通过用MATLAB语言仿真分析,表明实际工作中可以用分散控制策略取代集中控制策略,用分散的PID控制能满足交流磁轴承性能的要求,为研制多自由度磁轴承控制器提供了有力的理论依据。
　　 最后,采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为交流二自由度混合磁轴承数字控制器的CPU,设计了数字控制器的硬件电路,用C语言和汇编语言混合编写了磁轴承数字控制器的软件。对所设计的交流混合磁轴承数字控制系统进行调试和优化,介绍了控制器控制参数的整定方法和调试步骤,最后给出了交流磁悬浮轴承转子的起浮曲线,静态悬浮曲线和扰动曲线。
　　 理论研究与实验结果表明:本论文建立的交流混合磁轴承系统模型准确,选用的控制算法正确,所设计的数字控制器性能良好。