目前高速电主轴支承主要有气体轴承和主动磁轴承。静压气体轴承具有承载能力高、高速度、速度范围广、摩擦损耗低以及温升低等优点,主动磁轴承具有高精度、损耗低、无需润滑以及轴承系统具有可控性等优点。但各自又存在着缺点:如静压气体轴承刚度小,高速运转时稳定性差,容易失稳;主动磁轴承承载能力低,体积较大。基于气体静压轴承可提供较大承载能力和主动磁轴承具有良好的可控性性,提出了一种新型的超精密气磁悬浮混合轴承,将两者结合成一体,简化了传统气磁轴承的复杂模型,并且其性能比两者单独应用有了显著地提升。但两者结合之后控制系统较为复杂,传统的PID控制已经无法满足要求,本文拟采用协同控制算法。协同控制适用于高度耦合、非线性系统,抗干扰能力强,系统完整性好,响应速度快。本文将协同控制应用到气磁轴承系统上并与传统PID控制对比分析。首先,设计主轴系统模型,主要设计了径向气磁轴承,包括工作原理、材料选择以及结构参数设计,并建立径向气磁轴承数学模型,包括质量流量方程、气膜力分布方程、承载能力方程、电磁力方程及驱动电压方程。然后采用ANSYSCFX和Maxwell对气磁轴承进行静态分析,计算出偏心率及电流与气磁轴承承载力及主轴变形量之间的关系。又对气磁轴承受力分析,指出气磁悬浮力与电流大小、轴承间隙及节流孔直径等参数密切相关。然后,根据第二章主轴系统为模型,建立了主轴转子系统单自由度和径向四自由度动力学模型并对其求解,研究气体力单独承载、电磁力单独承载及气体力和电磁力共同承载下的主轴质心振动模型,仿真结果表明,在气体力和电磁力共同承载的情况下,主轴质心的振幅小,回转精度高,轴承系统比较稳定;又根据转子动力学方程模型,建立转子系统模型框图、气磁轴承系统模型框图以及转子系统状态空间方程,为后续气磁轴承仿真实验奠定基础。接着,将协同控制理论应用到气磁轴承系统上,先阐述了协同控制中的基本原理,包括协同控制的数学描述及协同控制器设计流程,而后建立了气磁轴承转子系统宏函数,根据宏函数构建气磁轴承转子系统控制模型,然后利用MATLAB/Simulink对气磁轴承转子系统进行仿真,并对比了 PID控制与协同控制下的转子位移响应特性、转子质心位移响应特性、转速响应特性、负载响应特性以及质心轨迹分析。仿真结果表明:不论气磁轴承系统是否存在干扰,PID控制下的响应速度、稳定性及跟随特性均不如协同控制。与PID控制相比,协同控制能够平稳、无超调的到达给定值且响应速度快,系统的抗干扰能力强,高速运转下的稳定好,具有良好的稳态特性和动态特性。最后,在协同控制的理论和仿真基础上,完成控制系统的硬件与软件设计,进行气磁轴承转子控制系统实验,完成实验平台的测试并记录数据。对比分析了协同控制与PID控制下转子在启动悬浮、稳定运转以及受到干扰时响应曲线。实验结果表明:协同控制下气磁轴承系统具有更高的回转精度和控制精度,更好的鲁棒性以及静态和动态性能。