逆变器驱动型磁悬浮精密电主轴关键基础理论及运行控制研究

Targeting the benefits of precision electric spindles supported by inverter driven magnetic bearings, such as low energy consumption, low cost, high speed, high precision and intelligence, key foundation theories and operation control strategies will be researched. Based on researching and designing novel mechanical structures, magnetic circuit configurations, operation and control systems, and analyzing key characteristics of the electromagnetic field, temperature field and rotor modes, multiple-parameter collaborative optimization will be applied to design a magnetic suspension electric spindle. A mathematical model of the electric spindle will be established. A multivariable and nonlinear real-time dynamic decoupling control technique will be studied by using the theory of Active Disturbance Rejection Controller (ADRC). Magnetic bearings non-sensor self-sensing modeling and realization methods will be studied by using soft sensors of Continuous Hidden Markov Model (CHMM). By studying the dynamic characteristics of the rotor, the laws of rotor vibration creation and formation will be established, and the theory and method of fuzzy adaptive compensation for vibration suppression will be studied. To break through the bottleneck of high speed real-time and reliable technology, the high speed digital system and the realization technology of high speed function based on large scale logic device will be analyzed and designed..The "zero transmission" precision electric spindle has many advantages such as compact structure, high speed and precision, adjustable dynamic characteristics and long service life. This research is of great significance to improve the international competitiveness of high grade CNC machine tools, and will promote China's manufacturing industry in 2025 to enter the ranks of manufacturing power.

项目针对逆变器驱动型磁悬浮精密电主轴低能耗、低成本、高速度、高精度、智能化等要求，研究其关键基础理论及运行控制策略。通过研究设计逆变器驱动型磁轴承支承电主轴新型机械和磁路结构、运行和控制方式，分析电主轴电磁场、温度场和转子模态等关键特性，多参数协同优化设计磁悬浮电主轴；建立电主轴精确模型，提出采用自抗扰控制理论，研究磁悬浮电主轴多变量非线性实时动态解耦控制方法；提出采用连续隐马尔可夫模型软测量理论，研究磁轴承无位移传感器自检测预测模型和实现方法；分析转子动力学特性，揭示振动产生和形成规律，研究抑制振动的模糊自适应补偿理论和方法；突破高速实时可靠的技术瓶颈，分析设计高速数字系统和基于大规模逻辑器件高速功能化的实现技术。.这种“零传动”精密电主轴具有结构紧凑、速度精度高、动态特性可调和寿命长等特点。这项研究对提高高档数控机床国际竞争力，推动我国制造业2025年迈入制造强国行列具有重大意义。

针对逆变器驱动型磁悬浮精密电主轴低能耗、低成本、高速度、高精度和智能化等要求，项目对其关键基础理论及运行控制策略进行了研究。研究了逆变器驱动型磁轴承支承的高速电主轴新型机械和磁路结构以及系统的运行和控制方式，采用有限元分析和Matlab软件对径向六极的三自由度径向-轴向混合磁轴承和二自由度混合磁轴承的磁路、非线性和耦合性及产生最大悬浮力等特性进行了分析和优化设计。设计了4种五自由度径向六极磁轴承支承的高速机床电主轴实验样机，并研制了最高转速为80000r/min的五自由度径向六极磁轴承支承的高速机床电主轴样机。采用等效磁路法和麦克斯韦张量法建立了磁轴承数学模型，基于电主轴系统状态方程的建立，并结合自抗扰非线性解耦控制系统理论，研究确定自抗扰控制器中跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态反馈三个模块的输入输出变量及实现的功能，根据系统状态变量跟踪参考输入的误差信号及扰动估计量的补偿分量，推导出非线性状态误差反馈控制律，实现逆变器驱动型磁轴承位移之间非线性动态解耦控制。采用连续隐马尔可夫模型建立了磁轴承位移与线圈中电流的非线性预测模型，构建了电流-位移样本，通过K均值分割算法优化了连续隐马尔可夫模型参数，研究实现了磁轴承位移自检测理论。基于高速电主轴系统转子机械动力学方程的建立，研究了不同情况下抑制转子振动的模糊自适应前馈补偿控制方法；根据线圈电流、电磁力、转子动态性能等要求研究了磁轴承系统的位移信号检测、基于IPM的功率逆变换器和开关功放技术和DSP数字控制器硬件，构建了电主轴闭环数字实验系统，开发了DSP数字控制系统的软件，并进行了实验测试和分析。项目理论与实际联系紧密，学科交叉性强，在理论与方法上均有重大创新。在国内外核心期刊上发表论文38篇，其中SCI和Ei检索33篇。申请和授权发明专利25件，其中授权国家发明7件，PCT国际专利2件。培养博士研究生2名，硕士研究生10名。