磁懸浮支承系統(tǒng)中數(shù)控技術及功率放大器的應用研究.pdf

1、本文主要研究磁懸浮支承系統(tǒng)功率放大器，包括其原理、特點、設計方法及應用技術，特別是專門應用于高檔數(shù)控機床的運動機構，如高速高精度機床電主軸(旋轉支承)及高速高精度平臺(機床導軌)(平動支承)中的功率放大器。 對于一個主動磁懸浮支承(軸承)系統(tǒng)而言，其中的核心理論和技術是主動磁懸浮理論及其支承技術，就其硬件部分來講，主要由四大方面組成：位置傳感與檢測、信號控制與調節(jié)、電源與功率放大以及軸承與轉子。本文在對當前磁懸浮支承(軸承)系統(tǒng)

2、中的控制器技術及理論進行討論的前提下，重點針對功率放大部分存在的問題和不足進行分析研究，并在此基礎上提出相應的解決思路，同時，完成了切實可行的設計方案，包括采用線性器件構建的磁懸浮支承平臺系統(tǒng)用的模擬功率放大器、采用開關器件構建的磁懸浮支承電主軸系統(tǒng)用的開關功率放大器；并對可能由于磁懸浮支承部件材料的B-H磁化曲線引起的電磁力非線性影響進行了分析討論，提出了一種以克服這種非線性影響為目的的智能化功率放大器的構想，并討論了其實現(xiàn)的可行性。

3、論文主要以國家863計劃項目“高檔數(shù)控機床中的磁懸浮支承技術”(課題編號：200lAA423310)為依托，以其研究內容為本文的主要工作背景，以相關的理論分析及其實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)進行撰寫，其中部分問題的提出則與國家自然科學基金項目“磁軸承智能化的機理及關鍵技術研究”(項目資助號：50475181)有一定的相關性。 在磁懸浮支承系統(tǒng)中，穩(wěn)定的懸浮(支承)力是依靠調整支承體(通常為電磁鐵，在旋轉機械中則稱為軸承)激磁線圈中的電流來達到

4、的，其中功率放大器的性能與支承系統(tǒng)的控制精度和技術指標密切相關。被支承體(在旋轉機械中通常稱為轉子)與支承體之間的間隙是隨著被支承體的高速運動而時刻發(fā)生著變化，需要實時地根據(jù)被支承體的位置情況對激磁線圈中的電流進行調整，達到穩(wěn)定懸浮及可靠工作的目的。因此，主動磁懸浮支承系統(tǒng)中的控制器研究一度成為研究者關注的焦點之一。隨著研究工作向實際應用方面的轉變，功率放大器及其性能的優(yōu)劣正在逐步成為應用者不得不關注的核心技術之一，也是決定磁懸浮支承系

5、統(tǒng)性能的一個關鍵部件。目前在磁懸浮支承系統(tǒng)中流行的功率放大器主要有兩大類：線性功放和開關功放。但由于兩者的各自特點，在應用中應當說是各有利弊。另外，功率放大器輸出通常采用差動式結構，以克服電磁力與線圈中電流之間的非線性影響。但磁性材料B-H曲線的非線性因素，在功率放大器做差動式輸出時，也有可能會引起電磁鐵吸力的不對稱現(xiàn)象，給實際應用帶來不利的影響，如控制電流的動態(tài)范圍是否會減小等，因此，本文擬對磁性材料的B-H曲線的非線性影響做一定的分

6、析和研究，以期找出解決的方法來盡可能滿足主動磁懸浮支承技術在數(shù)控機床中應用的要求。本文首先分析研究了磁懸浮支承系統(tǒng)的基本工作原理，并在此基礎上，分析和討論了磁懸浮支承系統(tǒng)對功率放大器的要求，提出了適合不同類型磁懸浮支承系統(tǒng)的功率放大器設計方案。 本文還分析、研究和實施了可用于旋轉支承(電主軸)及平移支承(導軌或平臺)的線性功率放大器。同時，分析、研究并實施了可用于旋轉支承的開關功率放大器。其后，針對實驗中發(fā)現(xiàn)的問題，總結和分析后

7、，提出了一種智能型非線性增益開關功率放大器(簡稱非線性功放)的構想，以期專門針對磁性材料的非線性問題，從而解決磁懸浮系統(tǒng)中難于解決的關鍵問題-非線性影響問題。 非線性功放的主要特征是在特殊設計的程序控制下能夠實現(xiàn)“根據(jù)磁性材料的非線性特性自動調整功放的增益”的作用，從而消除系統(tǒng)中這方面的非線性的影響。 本文的主要工作及貢獻在于：以863計劃項目的研究內容為目標，完成適用于相關樣機的磁懸浮支承系統(tǒng)的功率放大器的分析、研究、