混合式永磁型完全磁懸浮電主軸實施步驟與參數設計

江蘇省淮安技師學院 徐晶晶

1 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸結構及參數設計

（1）圍繞低能耗、低成本、集成化高速精密電主軸性能要求，分析混合式永磁型完全磁懸浮電主軸的基本結構和運行機理，設計徑向承載力400N與軸向承載力251N的混合式永磁型完全磁懸浮的電主軸的機械結構和磁路結構，基本機械參數和電磁參數。

（2）采用基于轉子旋轉的參數設計理念，通過分析轉子旋轉所引起的磁力線分布發生旋轉偏移、定子與轉子之間的氣隙磁通密度發生畸變及懸浮力減小等因素，在避免磁路飽和及滿足性能設計要求的基礎上，修改依靠靜態工作點設計的參數，使參數設計更加精確且接近轉子實際運行情況。

（3）根據混合式永磁型完全磁懸浮電主軸的各種熱源及其發熱量，建立基于熱-結構耦合的有限元分析模型。

（4）采用有限元ANSYS軟件，分析混合式永磁型完全磁懸浮電主軸轉子靜態懸浮和轉動情況下電磁場的非線性、漏磁、磁耦合、邊緣效應和渦流等因素，分析磁場的分布規律和變化規律。

（5）采用Matlab軟件及有限元ANSYS分析軟件，對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸電流-力-位移關系的空間分布規律和懸浮轉子的模態進行分析，結合混合式永磁型完全磁懸浮電主軸電磁場、溫度場及其熱變形分析結果，基于虛擬樣機技術，進一步對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸進行多參數協同仿真和優化設計。

2 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸系統數學模型和自抗擾非線性解耦控制研究

（1）混合式永磁型完全磁懸浮電主軸的徑向偏置磁通按矩形規律變化，基于其結構特點和懸浮力產生機理，考慮轉子偏心，基于磁路分析，然后采用積分法建立混合式永磁型完全磁懸浮電主軸懸浮力完整的數學模型。

（2）基于上述建立的基本模型，分析懸浮力特性，采用樣機動、靜態試驗和NSYS有限元分析，研究基本模型隨磁飽和、轉子偏心位移、電流、轉速及溫升的變化關系，獲取修正模型的約束條件和數據樣本。

（3）根據機理建模、實驗數據和仿真分析，建立樣本數據庫，采用多項式擬合的方法，獲取相關工作狀態下精確的懸浮力數學模型。

（4）對懸浮轉子進行力學分析，在建立運動方程和轉矩平衡方程的基礎上，推導系統狀態方程。以懸浮轉子五自由度位移作為輸出變量，以徑向和軸向懸浮繞組電流作為輸入變量，構建混合式永磁型完全磁懸浮電主軸系統狀態方程。

（5）研究分析自抗擾控制理論對電主軸解耦控制實現方法，將不同自由度之間的耦合作用作為外擾力處理，設計擴張狀態觀測器（ESO）對耦合作用實時估計及補償。

（6）分析電主軸特性及其所含總和不確定擾動的頻域作用范圍，設計擴張狀態觀測器（ESO）基本結構（確定使ESO滿足穩定性條件的參數、ESO擾動觀測帶寬），采用極點配置法對ESO參數進行整定，針對對象輸出信號所含噪聲情況，對ESO輸出信號進行修正。

（7）根據系統狀態變量跟蹤參考輸入的狀態誤差及擾動估計量的補償分量，推導非線性狀態誤差反饋控制律，使完全磁懸浮電主軸解耦成5輸入和5輸出的無耦合系統，實現混合式永磁型完全磁懸浮電主軸位移之間非線性動態解耦控制。

3 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸無位移傳感器軟測量預測模型研究

提出利用連續隱馬爾可夫模型所具有的對狀態轉移和時間序列的雙重映射特性，強大的時序模式分類能力以及善于分析非平穩、重復再現性不佳信號的特性，建立混合式永磁型完全磁懸浮電主軸位移與懸浮繞組電流之間的非線性預測模型，具體過程如下：

（1）根據混合式永磁型完全磁懸浮電主軸非線性模型仿真計算，以及具有位移傳感器檢測時電流和位移的典型測量數據，建立混合式永磁型完全磁懸浮電主軸懸浮繞組電流與位移信號之間關系的樣本數據庫。

（2）根據動、靜態樣本數據，選擇和提取特征值，構造學習樣本，并將樣本分為訓練集和測試集，選用自回歸-連續隱馬爾可夫模型在訓練集中建立CHMM模型庫。

（3）采用K均值分割算法（Segmental K-Means,SKM）訓練優化連續隱馬爾可夫模型參數。

（4）輸入測試集樣本，用Viterbi算法計算每個連續隱馬爾可夫模型CHMM子模型的輸出概率，概率值最大者所對應的CHMM即判別為一個有效模型，利用該CHMM預測估計轉子位移，實現混合式永磁型完全磁懸浮電主軸無位移傳感器自檢測控制。

4 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸轉子振動抑制控制研究

（1）分析轉子質量不平衡、轉子彎曲變形及位移傳感器檢測誤差等因素產生轉子振動機理；建立主軸系統統一動力學模型，分析參數變化時，對轉子振動產生的影響，初步揭示轉子振動產生和形成的規律。

（2）建立基于虛擬儀器軟件Labview的轉子振動信號實時檢測系統，并采用小波能譜熵法對轉子振動信號進行特性分析，得出不同原因產生振動信號的特性。利用正交小波基將信號分解至一系列二進劃分的尺度空間，得到信號的離散頻域分量，計算每個頻域分量的能譜所占總能譜的比重，根據不同因素產生轉子振動信號有不同能譜比重，結合理論分析結果，形成轉子振動產生特性和規律。

（3）構建抑制轉子振動的模糊自適應控制策略。首先根據轉子振動特性初步確定糊自適應濾波器的初始規則，根據初始規則構造單值模糊化、高斯型隸屬度函數、乘積推理法和重心法解模糊判決的模糊邏輯系統，并采用基于最小二乘算法對模糊自適應濾波器的參數進行自適應調整。然后針對不同因素產生的轉子振動的特性進行研究，分析輸入位移與輸出位移誤差之間的系統響應特性，建立位移誤差通道傳遞函數。模糊邏輯系統根據位移誤差信號和參考信號推理出需要補償的誤差信號，得到的補償信號通過位移誤差通道傳遞函數向系統中補償抑制轉子振動的控制信號。

（4）建立電主軸柔性轉子機械動力學方程，求取各階臨界轉速，研究在臨界轉速附近時轉子模糊自適應振動抑制效果，調整模糊規則。

（5）研究從基于連續隱馬爾可夫模型軟測量方法中提取轉子振動信號的方法，并結合模糊自適應振動抑制控制，進一步優化調整模糊規則和自適應律參數，實現基于軟測量的轉子高速精密控制。

5 混合式永磁型完全磁懸浮電主軸高速數字化控制系統實驗研究及控制系統參數優化

（1）鑒于混合式永磁型完全磁懸浮電主軸控制系統對處理器的實時速度要求極高，設計集樣機本體、DSP控制單元、多片復雜可編程邏輯器件FPGA、功率變換器、傳感器檢測單元、保護單元和相關輔助電路等為一體的高速可靠的系統硬件實驗平臺。

（2）為提高數字控制系統速度和可靠性，采用超高速集成電路硬件描述語言VHDL，開發無傳感器軟測量程序和轉子振動抑制等程序模塊，由專用FPGA完成。針對控制中邏輯關系復雜，占用處理器較多輸入輸出接口，而且在控制系統中還需實現信號的鎖存和延時功能，占用過多的系統時間的不足，分析細化控制系統中的算法及邏輯關系，采用FPGA實現部分邏輯功能。

（3）按模塊化設計方法，采用C語言和匯編語言綜合開發混合式永磁型完全磁懸浮電主軸控制軟件，研制界面友好、調試靈活的開放式數字控制系統軟件平臺。用設計的功率2kW，最高轉速80 000r/min，徑向承載力400N，軸向承載力250N的混合式永磁型完全磁懸浮電主軸試驗樣機進行空載試驗。

（4）以MKQ8312-RL500新型凸輪軸磨床為對象，對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸進行典型負載實驗，研究起動、制動及高速停車試驗，研究負載時的振動控制實驗，負載對電機轉子懸浮性能的影響，進一步優化控制算法和有關參數。

6 研究方法流程

本項目圍繞混合式永磁型完全磁懸浮電主軸關鍵科學問題開展理論和試驗研究，根據項目研究內容制定了詳細技術路線，研究技術路線在混合式永磁型完全磁懸浮電主軸結構及參數設計、數學模型和自抗擾非線性解耦控制、無位移傳感器軟測量預測模型研究、轉子振動抑制控制研究和高速數字化控制系統實驗研究及控制。

7 實驗手段與方法

（1）在完成軸向單自由度混合磁軸承和徑向四自由度混合式永磁型無軸承電機靜態電磁場及轉子旋轉時的動態電磁場、溫度場、轉子模態及電流-力-位移特性分析的基礎上，采用虛擬樣機技術，完成混合式永磁型完全磁懸浮電主軸實驗樣機的多參數優化設計，形成混合式永磁型完全磁懸浮電主軸樣機結構、參數設計流程和優化方法。

（2）對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸進行靜態懸浮實驗和測試，調整各懸浮控制繞組中的電流、轉子偏心位移等，測量和計算出基本的樣本數據和模型中相關參數。

（3）采用電渦流位移傳感器檢測位移，基于傳統分散控制策略對樣機進行空載和典型負載動態實驗，通過對轉子徑向和軸向施加外力（不同方向和不同大小），分別測量和記錄五個自由度的懸浮力與電流、轉速及徑向受力的關系曲線。

（4）根據靜態和動態實驗數據，采用Matlab和ANSYS軟件進行分析和擬合，得到不同運行情況下修正模型的約束條件和數據樣本，建立樣本數據庫，作為獲取懸浮力精確模型和采用連續隱馬爾可夫模型軟測量建立位移預測模型的訓練樣本庫。

（5）采用Matlab及dSPACE仿真平臺，對混合式永磁型完全磁懸浮電主軸自抗擾解耦控制系統、連續隱馬爾可夫位移預測模型和模糊自適應振動抑制控制算法進行仿真、驗證和參數優化設計。