气磁轴承支承高速电主轴的协同控制

竺志大,唐率,寇海江,柴青,曾励

(扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127)

高速电主轴的轴承配置主要有滚动轴承、液体(气体)静压轴承和磁悬浮轴承：滚动轴承高速电主轴的成本低，但转速也相对较低，噪声大且精度、寿命、可靠性都有局限；液体静压轴承高速电主轴的刚度高，存在液体摩擦，驱动功率损失比滚动轴承大，主轴在高速工况下的温升和热变形控制比较困难[1〗； 气体静压轴承高速电主轴回转精度和承载刚度高，存在高速涡动和气锤振动等现象[2-3]；磁悬浮轴承高速电主轴极限转速高，无摩擦，可进行刚度和阻尼主动控制，但刚度小，承载力及精度相对较低[4-5]。

基于气体静压轴承精度高，可提供较大承载能力以及磁悬浮轴承具有良好可控性的特性[6-7]，提出一种新型的高速精密气磁悬浮混合轴承，气体轴承起主要承载作用，磁悬浮轴承辅助承载并实时控制系统的刚度和阻尼，从而实现气磁轴承高速电主轴回转精度和承载刚度高且稳定可控的综合性能。

气磁轴承的控制系统较为复杂，PID控制灵活性较高，但参数可移植性差，工作量大，流程复杂，系统稳定性等也存在不足[8-12]。协同控制理论是现代数学与协同学交叉融合的新理论，采用状态空间法，通过定义流形和控制综合设计控制器，适用于多维、高度耦合的非线性系统[13-14]，在永磁同步电动机上实现了电动机系统的线性化并有效降低了系统阶数[15-16]，在磁悬浮轴承上有效地实现了各个自由度位移的精确控制，并可以保证转子质心位移的准确性，响应速度快且无超调[17-19]：因此，尝试将协同控制理论应用于气磁轴承的控制，使电主轴的稳定性更好，精度更高，并通过仿真与试验验证其可行性。……