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磁轴承具有无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点,在高速机床电主轴系统中具有潜在应用前景。磁轴承从根本上改变了传统的支承方式,为高速电主轴系统技术水平的提高创造了有利条件。由于目前国内外对磁轴承的研究多为主动的直流控制式磁轴承,而直流功放相对于逆变器成本较高。根据无轴承电机的原理,本课题组研究设计了新型的交流二自由度混合磁轴承和集径向、轴向控制于一体的交直流三自由度混合磁轴承,均采用交流功率逆变器提供径向控制电流。本论文工作是在国家自然科学基金项目“交流混合磁轴承支承高速机床电主轴系统研究”(50575099)和国家高新技术研究发展计划(863计划)项目“基于无轴承永磁同步电机的机器人伺服驱动系统”(2007AA04Z213)的联合资助下开展的。论文在研究五自由度交流混合磁轴承支承高速电主轴的整体结构的基础上,设计并优化了交流二自由度混合磁轴承和交直流三自由度混合磁轴承的机械结构和磁路结构;构建了五自由度交流混合磁轴承支承高速电主轴的数字控制系统;对高速机床电主轴的五自由度悬浮支承技术进行了基础理论和典型试验研究,具体研究内容如下:1.介绍了交流混合磁轴承系统的工作原理;在分析了几种典型磁轴承的结构和工作原理的基础上,阐述了交流混合磁轴承参数设计方法和步骤;设计了2种五自由度交流混合磁轴承支承的高速电主轴的机械结构。2.分别对用于高速电主轴悬浮支承的交流二自由度混合磁轴承和交直流三自由度混合磁轴承进行了结构设计和优化,采用等效磁路法对2种磁轴承的磁路进行了推算,导出了悬浮力计算公式及数学模型。依据数学模型,分别提出了交流二自由度混合磁轴承和交直流三自由度混合磁轴承的控制策略,给出了相关设计参数。采用仿真软件MATLAB对各自悬浮力的非线性和交叉耦合性特性进行了仿真分析;采用有限元分析软件ANSOFT对轴承的机械结构和磁路结构进行了计算分析,验证了结构设计的合理性和可行性。3.采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为五自由度交流混合磁轴承系统的数字控制器,设计了五自由度交流混合磁轴承的数字控制系统,研制了位移接口电路、DSP开发板、功率驱动电路等硬件电路;设计了相关软件,给出了相关的程序流程图。4.以交流二自由度混合磁轴承为研究对象,对五自由度交流混合磁轴承支承高速电主轴系统进行了典型试验研究,给出了试验调试的方法和步骤,开发设计了基于可视化窗口的VB调试界面;分别进行了起浮试验、稳定悬浮试验、抗干扰试验等;给出了相关的位移波形图和电流波形图,并对试验结果进行了分析,给出了试验结论,验证了理论的正确性。理论研究与实验结果表明:本论文设计的用于高速机床电主轴悬浮支承的五自由度交流混合磁轴承系统,结构设计合理、参数设计正确,构建的数字控制系统控制性能良好。