磁悬浮轴承是集电磁学、电力电子技术、控制理论工程、信号处理、机械学、转子动力学于一体的典型机电一体化产品,摆脱了传统机械轴承接触式的支撑方式,利用磁场实现了定、转子之间的完全分离,易于实现转子的高速化运行,同时具有无摩擦、无磨损、无润滑等优点,在高速、超高速、真空及超洁净等工业领域具有广阔的应用前景。本文以主动磁轴承为研究对象,目标是实现转子的精确悬浮控制。为此,需对研究对象的气隙合成磁场、机电结构、悬浮力模型建立、开关功放、数字控制系统等关键技术进行理论与试验方面的深入研究,具体内容如下:在深入分析气隙合成磁场的基础上,推导出实用化的考虑了转子偏心、外界负载影响下的主动磁轴承悬浮力模型,深入研究了模型中各组成参数的相互关系及其对悬浮控制的影响。数学模型的建立是实现主动磁轴承转子悬浮精准控制的基础,本文深入探讨了主动磁轴承的工作原理,然后通过磁路分析,建立了主动磁轴承的磁场力数理模型;深入分析了磁饱和等外界条件对电磁力的影响,限定出磁轴承电磁力的线性化范围,并讨论了线性化之后的电磁力在全气隙范围内的精度问题;在此基础上,建立了差动驱动控制条件下的单自由度主动磁轴承线性化模型。单个磁轴承只能实现其端部两个自由度的悬浮控制,但转子为一刚性轴,因此为实现转子在运行状态下的完全悬浮,需要多个磁轴承相互配合;本文从转子运动学出发,建立了完整的五自由度主动磁轴承运动模型,并在此基础上提出了五自由度磁轴承的机电结构设计方法,给出了许用磁动势、绕组设计以及最大承载力的计算方法,利用有限元分析方法,验证了本文所建的五自由度磁轴承运动模型的正确性。功率放大器是实现主动磁轴承驱动控制系统中的关键部件,可直接影响控制算法的实现效果;本文通过对效率、频率、电流响应速度、电磁力响应速度以及输出电流波纹等进行深入分析,设计出电流控制型开关功率放大器;并在深入分析了两电平PWM开关功率放大器工作性能的基础上,提出并设计了三电平PWM开关功率放大器作为磁轴承线圈的驱动元件,提高了主动磁轴承驱动控制系统的响应速度。最后,本文提出并设计了以DSP为控制核心的数字控制系统,研制出主动磁轴承实验样机,并搭建了相应的硬件实验平台,对所研制的五自由度主动磁轴承进行了悬浮控制实验,实现了五自由度转子的稳定悬浮,验证了本文所建模型及所提出的控制方法的正确性,也进而验证了所搭建实验平台的有效性。