由于主动磁悬浮电主轴具有超高速、高精度和可控性等特点,因而广泛应用于现代各类超高速精密数控机床之中。而主动磁悬浮轴承是主动磁悬浮电主轴系统的核心部件,其支承特性不仅与主轴转子的动态性能有着复杂的机械与电磁耦合关系,而且与主动磁悬浮轴承的电磁控制算法和控制参数息息相关。因此,如何将主轴转子的动态特性用某种控制算法通过控制参数协调起来,以保证磁悬浮电主轴的加工精度要求,成为主动磁悬浮电主轴亟需解决的难题。故本文以FGAMB公司生产的磁悬浮电主轴为研究对象,在建立主轴转子动力学模型的基础上,针对主动磁悬浮电主轴的回转精度要求,围绕主动磁悬浮轴承不完全微分PID控制算法的特性及控制参数的选取等方面,进行了深入研究,取得了以下阶段性研究成果:第一,建立了主动磁悬浮电主轴磁悬浮轴承电磁支承力的线性化模型。在忽略铁芯磁化和漏磁等非线性因素影响的前提下,通过对主轴转子在磁悬浮轴承中的受力分析,建立了磁悬浮轴承的电磁支承力与轴承气隙偏移量及控制电流的表达式;然后,基于主动磁悬浮电主轴的回转精度要求高、主轴运动过程中轴承的气隙偏移量和控制电流变化量均非常微小(微米级)的条件下,将主动磁悬浮轴承的电磁支承力利用泰勒公式展开,并忽略高阶无穷小,以实现线性化处理;最后,通过分析主动磁悬浮轴承电磁支承力的线性化公式,得到了主动磁悬浮电主轴系统的各径向自由度耦合并不强烈、可以独立控制的结论。第二,基于主动磁悬浮电主轴的工程应用要求,对比研究了各种控制算法的优缺点和应用场合。以主动磁悬浮电主轴的动力学模型和主动磁悬浮轴承电磁支承力的线性化模型为依据,并考虑传感器的降噪要求,引入低通滤波环节,进而利用MATLAB软件对比分析了滤波环节对PID控制性能的影响,得到了不完全微分PID控制稳定性更好、鲁棒性更强的结论,故设计了不完全微分PID控制器并确定各个控制参数的取值范围。第三,基于不完全微分PID控制算法,改变主动磁悬浮电主轴系统的机械和电磁控制参数,应用ANSYS Workbench软件对不完全微分PID控制下系统的动态特性进行了验证分析。以主动磁悬浮电主轴的动力学模型为基础,结合不完全微分PID控制下系统的机械与电磁参数取值范围,系统分析了主动磁悬浮电主轴系统在电磁刚度和阻尼变化下,其固有频率和临界转速在不同控制参数下的变化规律;进而应用ANSYS Workbench软件对其进行模态和谐响应分析,通过仿真分析所获得的主轴振型、频率、临界转速及主轴的振幅,与理论计算值进行对比,仿真结果验证了上述理论分析的正确性。