混合式永磁型完全磁悬浮电主轴实施步骤与参数设计

江苏省淮安技师学院 徐晶晶

1 混合式永磁型完全磁悬浮电主轴结构及参数设计

（1）围绕低能耗、低成本、集成化高速精密电主轴性能要求，分析混合式永磁型完全磁悬浮电主轴的基本结构和运行机理，设计径向承载力400N与轴向承载力251N的混合式永磁型完全磁悬浮的电主轴的机械结构和磁路结构，基本机械参数和电磁参数。

（2）采用基于转子旋转的参数设计理念，通过分析转子旋转所引起的磁力线分布发生旋转偏移、定子与转子之间的气隙磁通密度发生畸变及悬浮力减小等因素，在避免磁路饱和及满足性能设计要求的基础上，修改依靠静态工作点设计的参数，使参数设计更加精确且接近转子实际运行情况。

（3）根据混合式永磁型完全磁悬浮电主轴的各种热源及其发热量，建立基于热-结构耦合的有限元分析模型。

（4）采用有限元ANSYS软件，分析混合式永磁型完全磁悬浮电主轴转子静态悬浮和转动情况下电磁场的非线性、漏磁、磁耦合、边缘效应和涡流等因素，分析磁场的分布规律和变化规律。

（5）采用Matlab软件及有限元ANSYS分析软件，对混合式永磁型完全磁悬浮电主轴电流-力-位移关系的空间分布规律和悬浮转子的模态进行分析，结合混合式永磁型完全磁悬浮电主轴电磁场、温度场及其热变形分析结果，基于虚拟样机技术，进一步对混合式永磁型完全磁悬浮电主轴进行多参数协同仿真和优化设计。

2 混合式永磁型完全磁悬浮电主轴系统数学模型和自抗扰非线性解耦控制研究

（1）混合式永磁型完全磁悬浮电主轴的径向偏置磁通按矩形规律变化，基于其结构特点和悬浮力产生机理，考虑转子偏心，基于磁路分析，然后采用积分法建立混合式永磁型完全磁悬浮电主轴悬浮力完整的数学模型。

（2）基于上述建立的基本模型，分析悬浮力特性，采用样机动、静态试验和NSYS有限元分析，研究基本模型随磁饱和、转子偏心位移、电流、转速及温升的变化关系，获取修正模型的约束条件和数据样本。

（3）根据机理建模、实验数据和仿真分析，建立样本数据库，采用多项式拟合的方法，获取相关工作状态下精确的悬浮力数学模型。

（4）对悬浮转子进行力学分析，在建立运动方程和转矩平衡方程的基础上，推导系统状态方程。以悬浮转子五自由度位移作为输出变量，以径向和轴向悬浮绕组电流作为输入变量，构建混合式永磁型完全磁悬浮电主轴系统状态方程。

（5）研究分析自抗扰控制理论对电主轴解耦控制实现方法，将不同自由度之间的耦合作用作为外扰力处理，设计扩张状态观测器（ESO）对耦合作用实时估计及补偿。

（6）分析电主轴特性及其所含总和不确定扰动的频域作用范围，设计扩张状态观测器（ESO）基本结构（确定使ESO满足稳定性条件的参数、ESO扰动观测带宽），采用极点配置法对ESO参数进行整定，针对对象输出信号所含噪声情况，对ESO输出信号进行修正。

（7）根据系统状态变量跟踪参考输入的状态误差及扰动估计量的补偿分量，推导非线性状态误差反馈控制律，使完全磁悬浮电主轴解耦成5输入和5输出的无耦合系统，实现混合式永磁型完全磁悬浮电主轴位移之间非线性动态解耦控制。

3 混合式永磁型完全磁悬浮电主轴无位移传感器软测量预测模型研究

提出利用连续隐马尔可夫模型所具有的对状态转移和时间序列的双重映射特性，强大的时序模式分类能力以及善于分析非平稳、重复再现性不佳信号的特性，建立混合式永磁型完全磁悬浮电主轴位移与悬浮绕组电流之间的非线性预测模型，具体过程如下：

（1）根据混合式永磁型完全磁悬浮电主轴非线性模型仿真计算，以及具有位移传感器检测时电流和位移的典型测量数据，建立混合式永磁型完全磁悬浮电主轴悬浮绕组电流与位移信号之间关系的样本数据库。

（2）根据动、静态样本数据，选择和提取特征值，构造学习样本，并将样本分为训练集和测试集，选用自回归-连续隐马尔可夫模型在训练集中建立CHMM模型库。

（3）采用K均值分割算法（Segmental K-Means,SKM）训练优化连续隐马尔可夫模型参数。

（4）输入测试集样本，用Viterbi算法计算每个连续隐马尔可夫模型CHMM子模型的输出概率，概率值最大者所对应的CHMM即判别为一个有效模型，利用该CHMM预测估计转子位移，实现混合式永磁型完全磁悬浮电主轴无位移传感器自检测控制。

4 混合式永磁型完全磁悬浮电主轴转子振动抑制控制研究

（1）分析转子质量不平衡、转子弯曲变形及位移传感器检测误差等因素产生转子振动机理；建立主轴系统统一动力学模型，分析参数变化时，对转子振动产生的影响，初步揭示转子振动产生和形成的规律。

（2）建立基于虚拟仪器软件Labview的转子振动信号实时检测系统，并采用小波能谱熵法对转子振动信号进行特性分析，得出不同原因产生振动信号的特性。利用正交小波基将信号分解至一系列二进划分的尺度空间，得到信号的离散频域分量，计算每个频域分量的能谱所占总能谱的比重，根据不同因素产生转子振动信号有不同能谱比重，结合理论分析结果，形成转子振动产生特性和规律。

（3）构建抑制转子振动的模糊自适应控制策略。首先根据转子振动特性初步确定糊自适应滤波器的初始规则，根据初始规则构造单值模糊化、高斯型隶属度函数、乘积推理法和重心法解模糊判决的模糊逻辑系统，并采用基于最小二乘算法对模糊自适应滤波器的参数进行自适应调整。然后针对不同因素产生的转子振动的特性进行研究，分析输入位移与输出位移误差之间的系统响应特性，建立位移误差通道传递函数。模糊逻辑系统根据位移误差信号和参考信号推理出需要补偿的误差信号，得到的补偿信号通过位移误差通道传递函数向系统中补偿抑制转子振动的控制信号。

（4）建立电主轴柔性转子机械动力学方程，求取各阶临界转速，研究在临界转速附近时转子模糊自适应振动抑制效果，调整模糊规则。

（5）研究从基于连续隐马尔可夫模型软测量方法中提取转子振动信号的方法，并结合模糊自适应振动抑制控制，进一步优化调整模糊规则和自适应律参数，实现基于软测量的转子高速精密控制。

5 混合式永磁型完全磁悬浮电主轴高速数字化控制系统实验研究及控制系统参数优化

（1）鉴于混合式永磁型完全磁悬浮电主轴控制系统对处理器的实时速度要求极高，设计集样机本体、DSP控制单元、多片复杂可编程逻辑器件FPGA、功率变换器、传感器检测单元、保护单元和相关辅助电路等为一体的高速可靠的系统硬件实验平台。

（2）为提高数字控制系统速度和可靠性，采用超高速集成电路硬件描述语言VHDL，开发无传感器软测量程序和转子振动抑制等程序模块，由专用FPGA完成。针对控制中逻辑关系复杂，占用处理器较多输入输出接口，而且在控制系统中还需实现信号的锁存和延时功能，占用过多的系统时间的不足，分析细化控制系统中的算法及逻辑关系，采用FPGA实现部分逻辑功能。

（3）按模块化设计方法，采用C语言和汇编语言综合开发混合式永磁型完全磁悬浮电主轴控制软件，研制界面友好、调试灵活的开放式数字控制系统软件平台。用设计的功率2kW，最高转速80 000r/min，径向承载力400N，轴向承载力250N的混合式永磁型完全磁悬浮电主轴试验样机进行空载试验。

（4）以MKQ8312-RL500新型凸轮轴磨床为对象，对混合式永磁型完全磁悬浮电主轴进行典型负载实验，研究起动、制动及高速停车试验，研究负载时的振动控制实验，负载对电机转子悬浮性能的影响，进一步优化控制算法和有关参数。

6 研究方法流程

本项目围绕混合式永磁型完全磁悬浮电主轴关键科学问题开展理论和试验研究，根据项目研究内容制定了详细技术路线，研究技术路线在混合式永磁型完全磁悬浮电主轴结构及参数设计、数学模型和自抗扰非线性解耦控制、无位移传感器软测量预测模型研究、转子振动抑制控制研究和高速数字化控制系统实验研究及控制。

7 实验手段与方法

（1）在完成轴向单自由度混合磁轴承和径向四自由度混合式永磁型无轴承电机静态电磁场及转子旋转时的动态电磁场、温度场、转子模态及电流-力-位移特性分析的基础上，采用虚拟样机技术，完成混合式永磁型完全磁悬浮电主轴实验样机的多参数优化设计，形成混合式永磁型完全磁悬浮电主轴样机结构、参数设计流程和优化方法。

（2）对混合式永磁型完全磁悬浮电主轴进行静态悬浮实验和测试，调整各悬浮控制绕组中的电流、转子偏心位移等，测量和计算出基本的样本数据和模型中相关参数。

（3）采用电涡流位移传感器检测位移，基于传统分散控制策略对样机进行空载和典型负载动态实验，通过对转子径向和轴向施加外力（不同方向和不同大小），分别测量和记录五个自由度的悬浮力与电流、转速及径向受力的关系曲线。

（4）根据静态和动态实验数据，采用Matlab和ANSYS软件进行分析和拟合，得到不同运行情况下修正模型的约束条件和数据样本，建立样本数据库，作为获取悬浮力精确模型和采用连续隐马尔可夫模型软测量建立位移预测模型的训练样本库。

（5）采用Matlab及dSPACE仿真平台，对混合式永磁型完全磁悬浮电主轴自抗扰解耦控制系统、连续隐马尔可夫位移预测模型和模糊自适应振动抑制控制算法进行仿真、验证和参数优化设计。