數(shù)控機床高速磁懸浮電主軸的內模解耦控制

2.69萬字
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摘要：隨著數(shù)控技術及切削刀具的飛躍發(fā)展，數(shù)控機床正在不斷向高速、超高速、高精、高效、高智能化的方向發(fā)展，但迄今為止，作為數(shù)控機床三大高新技術之一（高速電主軸、數(shù)控系統(tǒng)、送給驅動）的高速電主軸中機械軸承的壽命問題仍然是個難題，使用壽命和轉速成了非常突出的矛盾的兩個方面。20世紀出現(xiàn)了磁懸浮軸承（簡稱磁軸承），用磁懸浮軸承支承的電機，轉子要完全實現(xiàn)懸浮需要在其五自由度上施加控制力，即需要2個徑向磁軸承和1個軸向推力磁軸承，是主動控制磁懸浮軸承。采用這種磁懸浮軸承支承技術，電主軸可以在5000~80 000r/min的轉速下運行上萬小時。但這種主動磁軸承AMB存在電機軸向長度加長，電機的臨界轉速和輸出功率受到限制，磁軸承需要一定數(shù)量的鐵芯和勵磁線圈、體積大、成本高，大大影響了磁軸承支承的高速電機的使用范圍和廣泛應用。磁懸浮電機出現(xiàn)給磁軸承支承技術帶來革命性的改變，它將控制軸向運動的磁軸承，改為集軸向——徑向于一體的磁軸承，在產生軸向方向的推力的同時，又能產生徑向懸浮力，軸向—徑向磁軸承大大減少了體積，提高了軸向利用率，既可實現(xiàn)微型化，又可突破較大功率和超高轉速的限制，具有廣闊的有應用前景。
本課題將磁懸浮電機應用于數(shù)控機床高速電主軸中，形成集磁懸浮異步電機與磁軸承功能于一體的數(shù)控機床高速磁懸浮電主軸，通過對數(shù)控機床高速磁懸浮電主軸的運行機理分析，建立其數(shù)學模型，采用內模解耦控制策略，進行數(shù)控機床高速磁懸浮電主軸內模解耦控制的研究，并建立matlab仿真模型，進行仿真研究。并且設計磁懸浮異步電機控制系統(tǒng)，為控制策略的驗證和進一步研究提供了可靠的實驗平臺。

關鍵詞：電主軸 磁懸浮異步電機 改進型內模解耦控制 matlab仿真 TMS320F2812 DSP 數(shù)字控制系統(tǒng)


The internal model decoupling control of high speed
CNC machine tools spindle
Abstract： With the rapid development of digital technology and the cutting tool，the CNC machine tools is becoming more and more High-speed、ultra high-speed、high-precision、high efficiency and high intelligence．But so far，the machine bearing’s life issues of the high speed spindle which is one of the CNC machine’s three high-tech (high speed spindle，CNC system，giving the driver) is still a problem and it’s life and speed became very prominent contradictions．In the 20th century，the magnetic bearings (referred to as magnetic bearings) appeared．If the motor which is supported by magnetic bearings wants to fully realize the need for rotor suspension，it requires to be imposed control on its rotor in five degrees of freedom．In other words，the motor needs two radial magnetic bearings and an axial thrust magnetic bearing which is belong to active control of magnetic bearing．Using this magnetic levitation bearing technology，the spindle can run thousands of hours at 5000~80000r/min speed．But the axial length of active magnetic bearing AMB motor is too longer and the critical speed and power output of the motor is limited．At the same time，the magnetic bearing requires a certain amount of core and excitation coil and the volume is big，the cost is high，so it greatly affected the use range and wide application of the motor which is supported by magnetic bearings．The appearance of magnetic levitation motors bring revolutionary changes to magnetic bearing technology．It changes the magnetic bearing which controls the axial movement to the axial-radial movement．The new magnetic bearing not only produces the axial direction of thrust，but also produces radial force．The axial -radial magnetic bearings greatly reduce the volume and improve the axial utilization．And they can achieve miniaturization，break the high speed limit and ultra power．In conclusion，the magnetic levitation motors have broad application prospect．
This topic used magnetic levitation motor in CNC machine tool spindle，forming the high speed CNC machine tools spindle which integrates the functions of bearing-less induction motor with magnetic bearing．By analyzing the operation mechanism of the high speed CNC machine tools spindle，building its mathematical model，using the internal model decoupling control strategy，making the research of the high speed CNC machine tools spindle’s nonlinear decoupling control and establishing the MATLAB simulation model to study the simulation of it．In the end，the control system of bearingless induction motor is designed，it can validate the proposed control strategy and provide reliable experimental platform for further study.

Key words：Electric spindle Bearingless induction motor Modified internal model decoupling control Matlab simulation TMS320F2812 DSP Digital Control System

目 錄
第一章 緒論 1
1.1 數(shù)控機床高速電主軸的現(xiàn)狀與發(fā)展 1
  1.1.1 國內外高速電主軸技術的研究現(xiàn)狀 1
  1.1.2 高速電主軸技術的發(fā)展 2
1.2 磁懸浮電機的研究背景與發(fā)展概況 3
  1.2.1 磁懸浮電機的研究背景 3
  1.2.2 磁懸浮電機的發(fā)展概況 3
1.3 內?？刂频母攀雠c發(fā)展 6
  1.3.1 內?？刂聘攀?nbsp;6
  1.3.2 內?？刂频陌l(fā)展 6
1.4 本文的主要工作及內容安排 7
第二章 磁懸浮異步電機的數(shù)學模型及性能分析 9
2.1磁懸浮異步電機的運行機理 9
  2.1.1 兩種電磁力的介紹 9
  2.1.2 磁懸浮異步電機懸浮機理 10
2.2磁懸浮異步電機懸浮力分析 12
  2.2.1洛倫茲力 12
  2.2.2麥克斯韋力 13
2.3磁懸浮異步電機的數(shù)學模型 15
  2.3.1 旋轉部分數(shù)學模型 16
  2.3.2徑向懸浮力數(shù)學模型 17
  2.3.3 運動方程模型 17
第三章 基于改進型內?？刂频拇艖腋‘惒诫姍C控制 19
3.1內?？刂频幕A理論 19
  3.1.1內模控制器結構 19
  3.1.2 內?？刂频闹饕再| 21
  3.1.3 改進型內?？刂破鹘Y構 21
3.2 改進型內模控制在磁懸浮異步電機控制系統(tǒng)中的應用 23
  3.2.1 電流內?？刂破?nbsp;23
  3.2.2 懸浮力獨立控制 25
  3.2.3 徑向位移內?？刂破?nbsp;26
3.3 系統(tǒng)仿真研究 27
第四章 磁懸浮異步電機數(shù)字控制系統(tǒng)研究 32
4.1 TMS320F2812 DSP簡介 33
4.2 硬件電路設計 34
  4.2.1 主電路 34
  4.2.2 驅動電路 37
  4.2.3 系統(tǒng)保護電路 37
  4.2.4 檢測電路 39
  4.2.5 輔助電源 42
  4.2.6 硬件平臺構成 42
4.3 軟件設計 43
  4.3.1 控制系統(tǒng)軟件資源分配 43
  4.3.2 主程序和初始化子程序 44
  4.3.3 中斷子程序 45
  4.3.4 SVPWM算法子程序 48
  4.3.5電機轉子角度及轉速計算子程序 48
  4.3.6 PWM脈沖產生子程序 51
4.4 實驗結果與分析 51
第五章 總結與展望 53
5.1 論文的主要工作 53
5.2 展望 53
致謝 55
參考文獻 56