發(fā)布時(shí)間：2020-08-31 10:38

　　 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(diǎn)、設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用技術(shù)，特別是專門應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如高速高精度機(jī)床電主軸(旋轉(zhuǎn)支承)及高速高精度平臺(tái)(機(jī)床導(dǎo)軌)(平動(dòng)支承)中的功率放大器。 對(duì)于一個(gè)主動(dòng)磁懸浮支承(軸承)系統(tǒng)而言，其中的核心理論和技術(shù)是主動(dòng)磁懸浮理論及其支承技術(shù)，就其硬件部分來講，主要由四大方面組成：位置傳感與檢測(cè)、信號(hào)控制與調(diào)節(jié)、電源與功率放大以及軸承與轉(zhuǎn)子。本文在對(duì)當(dāng)前磁懸浮支承(軸承)系統(tǒng)中的控制器技術(shù)及理論進(jìn)行討論的前提下，重點(diǎn)針對(duì)功率放大部分存在的問題和不足進(jìn)行分析研究，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的解決思路，同時(shí)，完成了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，包括采用線性器件構(gòu)建的磁懸浮支承平臺(tái)系統(tǒng)用的模擬功率放大器、采用開關(guān)器件構(gòu)建的磁懸浮支承電主軸系統(tǒng)用的開關(guān)功率放大器；并對(duì)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(jìn)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(gòu)想，并討論了其實(shí)現(xiàn)的可行性。論文主要以國家863計(jì)劃項(xiàng)目“高檔數(shù)控機(jī)床中的磁懸浮支承技術(shù)”(課題編號(hào)：2001AA423310)為依托，以其研究?jī)?nèi)容為本文的主要工作背景，以相關(guān)的理論分析及其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行撰寫，其中部分問題的提出則與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“磁軸承智能化的機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究”(項(xiàng)目資助號(hào)：50475181)有一定的相關(guān)性。 在磁懸浮支承系統(tǒng)中，穩(wěn)定的懸浮(支承)力是依靠調(diào)整支承體(通常為電磁鐵，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中則稱為軸承)激磁線圈中的電流來達(dá)到的，其中功率放大器的性能與支承系統(tǒng)的控制精度和技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)。被支承體(在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中通常稱為轉(zhuǎn)子)與支承體之間的間隙是隨著被支承體的高速運(yùn)動(dòng)而時(shí)刻發(fā)生著變化，需要實(shí)時(shí)地根據(jù)被支承體的位置情況對(duì)激磁線圈中的電流進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到穩(wěn)定懸浮及可靠工作的目的。因此，主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)中的控制器研究一度成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。隨著研究工作向?qū)嶋H應(yīng)用方面的轉(zhuǎn)變，功率放大器及其性能的優(yōu)劣正在逐步成為應(yīng)用者不得不關(guān)注的核心技術(shù)之一，也是決定磁懸浮支承系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)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(guān)功放。但由于兩者的各自特點(diǎn)，在應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)說是各有利弊。另外，功率放大器輸出通常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，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(dòng)式輸出時(shí)，也有可能會(huì)引起電磁鐵吸力的不對(duì)稱現(xiàn)象，給實(shí)際應(yīng)用帶來不利的影響，如控制電流的動(dòng)態(tài)范圍是否會(huì)減小等，因此，本文擬對(duì)磁性材料的B—H曲線的非線性影響做一定的分析和研究，以期找出解決的方法來盡可能滿足主動(dòng)磁懸浮支承技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)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(chǔ)上，分析和討論了磁懸浮支承系統(tǒng)對(duì)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(shè)計(jì)方案。 本文還分析、研究和實(shí)施了可用于旋轉(zhuǎn)支承(電主軸)及平移支承(導(dǎo)軌或平臺(tái))的線性功率放大器。同時(shí)，分析、研究并實(shí)施了可用于旋轉(zhuǎn)支承的開關(guān)功率放大器。其后，針對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，總結(jié)和分析后，提出了一種智能型非線性增益開關(guān)功率放大器(簡(jiǎn)稱非線性功放)的構(gòu)想，以期專門針對(duì)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(guān)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(shè)計(jì)的程序控制下能夠?qū)崿F(xiàn)“根據(jù)磁性材料的非線性特性自動(dòng)調(diào)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(xiàn)在于：以863計(jì)劃項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容為目標(biāo)，完成適用于相關(guān)樣機(jī)的磁懸浮支承系統(tǒng)的功率放大器的分析、研究、設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，并建立了相關(guān)的分析和設(shè)計(jì)理論和方法；提出了一種新穎的非線性功放的設(shè)計(jì)思想，期望這種功率放大器具有一定智能化，可對(duì)磁懸浮支承系統(tǒng)中由于鐵磁材料引起的非線性問題進(jìn)行有效補(bǔ)償，其構(gòu)思對(duì)實(shí)現(xiàn)其他類似系統(tǒng)的智能化有一定的借鑒和參考作用。
【學(xué)位單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2006
【中圖分類】：TH133.3;TG659
【部分圖文】：

物力進(jìn)行主動(dòng)磁懸浮支承技術(shù)研究，不少國家已具備相當(dāng)?shù)难兄婆c應(yīng)用能力，從而揭開了磁懸浮軸承在航天器上應(yīng)用的序幕[9]、[’0】。目前，磁懸浮支承技術(shù)己在高速軌道交通、衛(wèi)星的高速導(dǎo)航陀螺(圖1一la)、空氣分離設(shè)備及特種電機(jī)(如高速離心機(jī))中得到了應(yīng)用，此后，磁懸浮軸承很快被應(yīng)用到國防、航天等各個(gè)尖端技術(shù)領(lǐng)域【’“〕、;1993年，蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的R.schoeb首次實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的無軸承技術(shù)【川;2000年，蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的S.Slibe:研制出無軸承單相電機(jī)，再一次在無軸承電機(jī)研究歷史上前進(jìn)了一步，降低了控制系統(tǒng)的費(fèi)用【’2]’;2006年第10屆國際磁

圣1.3機(jī)床用磁懸浮支承系統(tǒng)的介紹磁懸浮支承系統(tǒng)因其具體形式的不同而存有異同。對(duì)于機(jī)床用磁懸浮支承電主軸(圖1一2為其示意圖)，磁懸浮支承系統(tǒng)主要由徑向磁力軸承(2個(gè))、軸向磁力軸承(1個(gè))以及相應(yīng)的控制器、傳感器和功率放大器組成。其徑向磁力軸承主要承擔(dān)高頻旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)載荷(包括由轉(zhuǎn)子殘余不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)負(fù)載和由加工刀具產(chǎn)生的高頻周期性恒定力載荷)。對(duì)于磁懸浮支承機(jī)床導(dǎo)軌(平臺(tái))(圖1一3為其示意圖)，磁懸浮支承系統(tǒng)則由4對(duì)垂直可控電磁鐵和2對(duì)水平電磁鐵分別組成平臺(tái)的垂直和水平支承結(jié)構(gòu)，加之其控制器、傳感器、功率放大器組成完整的支承系統(tǒng)。垂直安裝的電磁鐵主要承擔(dān)平臺(tái)的自身重量(靜載荷)和由于移動(dòng)、刀具加工振動(dòng)以及外界干擾產(chǎn)生的多頻段組合載荷(動(dòng)載荷)[91.[‘0]。磁懸浮支承電主軸和機(jī)床導(dǎo)軌(平臺(tái))的控制框圖分別示于圖1一2和圖1一3中。觀察2圖不難得出:除去機(jī)械部分的不盡相同外，其中的電子控制部分是基本相同的。都由傳感器、控制器和功率放大器組成。忽略其載荷作用力的類型和方向，并對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量造成的陀螺效應(yīng)不予考慮，那么，無論是磁懸浮支承電主軸中的磁力軸承還是磁懸浮支承平臺(tái)中的電磁鐵，其基本工作原理均可由1個(gè)(單)自由度上磁懸浮支承系統(tǒng)來說明(見圖卜4)。徑向傳感器徑向磁力軸承軸向磁力軸承徑向磁力軸承徑向傳感器 tttttttttttttt

圖1一3磁懸浮支承平臺(tái)單自由度磁懸浮支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及控制原理框圖分別見圖1一4a和圖l一4b。設(shè)磁懸浮支承的對(duì)象(被懸浮體)處于上下2個(gè)受控電磁鐵之間，平衡時(shí)電磁鐵中的電流為I。(稱為偏磁電流)，兩邊的氣隙相等且為吼。當(dāng)由于某種原因?qū)е卤粦腋◇w發(fā)生位移y，經(jīng)傳感器反饋后在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生控制電流(增量)為AI，且在上下兩個(gè)電磁鐵中的方向相反，其產(chǎn)生的恢復(fù)力合力的方向如圖中所示。在磁懸浮支承系統(tǒng)理想工作狀態(tài)下，(機(jī)床導(dǎo)軌)系統(tǒng)框圖功放[\、、、、電磁鐵單自由度磁懸浮支承系統(tǒng)模型一口一口一一L貝鈕一一一a iiiii...1。 ___‘‘ 111(b)單自由度磁懸浮支承系統(tǒng)工作原理圖1一4單自由度磁懸浮支承系統(tǒng)當(dāng)上電磁鐵線圈中的電流增加，所產(chǎn)生的吸力增加時(shí)

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 黃振躍;朱q

本文編號(hào)：2808685