数控机床高速磁悬浮电主轴自适应逆解耦控制及数字化技术

高速电主轴是机械加工中心和数控机床的关键部件，项目针对轴承和磁轴承支承的高速电主轴的缺陷，提出基于磁悬浮异步电机的新型机床高速磁悬浮电主轴，研究其高速运行状态的稳定性和动力学特性，建立数学模型；针对其多变量、非线性、强耦合的特点，提出采用基于最小二乘支持向量机的自适应逆解耦控制理论和方法，研究磁悬浮电主轴高速运行的非线性自适应逆控制和动态解耦控制实时算法，攻克新型高速磁悬浮电主轴的稳定悬浮控制的技术难关；设计多片大规模可编程逻辑器件与高速微处理器TMS320F28335 DSP结合的高速数字控制系统，分解、规划系统的控制算法，突破高速实时控制的技术瓶颈。通过理论计算、仿真和实验研究，优化磁悬浮电主轴的参数和控制器参数，实现数控机床高速磁悬浮电主轴高速与超高速运行。项目内容将理论与相关技术紧密结合，是数控机床高速磁悬浮电主轴进入工程应用的关键内容，对解决电气传动控制的诸多问题均有重大意义。

本项目以数控机床磁悬浮电主轴高速数字化控制为目标，主要研究了数控机床高速磁悬浮电主轴结构优化设计、二自由磁悬浮异步电机数学模型构建、模型可逆性及支持向量机自适应逆实现、三自由度混合磁轴承建模与控制、高速数字化系统设计等。重点研究设计了数控机床高速磁悬浮电主轴的机械结构；基于Ansoft/Maxwell 2D软件，分析了磁悬浮异步电机的磁饱和深度、控制电流与悬浮力之间的关系；基于虚位移法推导、建立了磁悬浮异步电机完整系统数学模型；研究了悬浮力和旋转力的可逆性与最小二乘支持向量机自适应逆构造的理论与方法，解决了磁悬浮异步电机稳定悬浮控制的技术难题；设计了实时性高、鲁棒性强的闭环控制系统；研究了混合磁轴承的结构、模型与可逆性，构建了基于自适应逆的闭环控制方法；设计了大规模数字逻辑器件CPLD与DSP组成的高速复合数字控制系统，研究了角度细分与变换、系统保护等功能在CPLD中的实现技术。本项目为应用研究项目，理论与实际联系紧密，学科交叉性强，在理论与方法上均有所创新。申请专利25项，授权13项，在国内外核心刊物和国际会议上共发表（录用）论文35篇，SCI、EI 检索（待检索）18篇，设计典型实验样机1台和数字控制系统1套，培养博士、硕士研究生共21名。