數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸的內(nèi)模解耦控制

2.69萬字
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摘要：隨著數(shù)控技術(shù)及切削刀具的飛躍發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(jī)床三大高新技術(shù)之一（高速電主軸、數(shù)控系統(tǒng)、送給驅(qū)動）的高速電主軸中機(jī)械軸承的壽命問題仍然是個難題，使用壽命和轉(zhuǎn)速成了非常突出的矛盾的兩個方面。20世紀(jì)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(jī)，轉(zhuǎn)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(shù)，電主軸可以在5000~80 000r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行上萬小時。但這種主動磁軸承AMB存在電機(jī)軸向長度加長，電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)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(jī)的使用范圍和廣泛應(yīng)用。磁懸浮電機(jī)出現(xiàn)給磁軸承支承技術(shù)帶來革命性的改變，它將控制軸向運(yùn)動的磁軸承，改為集軸向——徑向于一體的磁軸承，在產(chǎn)生軸向方向的推力的同時，又能產(chǎn)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(zhuǎn)速的限制，具有廣闊的有應(yīng)用前景。
本課題將磁懸浮電機(jī)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床高速電主軸中，形成集磁懸浮異步電機(jī)與磁軸承功能于一體的數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，通過對數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸的運(yùn)行機(jī)理分析，建立其數(shù)學(xué)模型，采用內(nèi)模解耦控制策略，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸內(nèi)模解耦控制的研究，并建立matlab仿真模型，進(jìn)行仿真研究。并且設(shè)計磁懸浮異步電機(jī)控制系統(tǒng)，為控制策略的驗證和進(jìn)一步研究提供了可靠的實驗平臺。

關(guān)鍵詞：電主軸 磁懸浮異步電機(jī) 改進(jìn)型內(nèi)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(jī)床高速電主軸的現(xiàn)狀與發(fā)展 1
  1.1.1 國內(nèi)外高速電主軸技術(shù)的研究現(xiàn)狀 1
  1.1.2 高速電主軸技術(shù)的發(fā)展 2
1.2 磁懸浮電機(jī)的研究背景與發(fā)展概況 3
  1.2.1 磁懸浮電機(jī)的研究背景 3
  1.2.2 磁懸浮電機(jī)的發(fā)展概況 3
1.3 內(nèi)?？刂频母攀雠c發(fā)展 6
  1.3.1 內(nèi)?？刂聘攀?nbsp;6
  1.3.2 內(nèi)模控制的發(fā)展 6
1.4 本文的主要工作及內(nèi)容安排 7
第二章 磁懸浮異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及性能分析 9
2.1磁懸浮異步電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理 9
  2.1.1 兩種電磁力的介紹 9
  2.1.2 磁懸浮異步電機(jī)懸浮機(jī)理 10
2.2磁懸浮異步電機(jī)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(jī)的數(shù)學(xué)模型 15
  2.3.1 旋轉(zhuǎn)部分?jǐn)?shù)學(xué)模型 16
  2.3.2徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型 17
  2.3.3 運(yùn)動方程模型 17
第三章 基于改進(jìn)型內(nèi)?？刂频拇艖腋‘惒诫姍C(jī)控制 19
3.1內(nèi)?？刂频幕A(chǔ)理論 19
  3.1.1內(nèi)?？刂破鹘Y(jié)構(gòu) 19
  3.1.2 內(nèi)?？刂频闹饕再|(zhì) 21
  3.1.3 改進(jìn)型內(nèi)模控制器結(jié)構(gòu) 21
3.2 改進(jìn)型內(nèi)?？刂圃诖艖腋‘惒诫姍C(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 23
  3.2.1 電流內(nèi)模控制器 23
  3.2.2 懸浮力獨(dú)立控制 25
  3.2.3 徑向位移內(nèi)?？刂破?nbsp;26
3.3 系統(tǒng)仿真研究 27
第四章 磁懸浮異步電機(jī)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(shè)計 34
  4.2.1 主電路 34
  4.2.2 驅(qū)動電路 37
  4.2.3 系統(tǒng)保護(hù)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(gòu)成 42
4.3 軟件設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)子角度及轉(zhuǎn)速計算子程序 48
  4.3.6 PWM脈沖產(chǎn)生子程序 51
4.4 實驗結(jié)果與分析 51
第五章 總結(jié)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(xiàn) 56