1、毕业设计文献综述 电气工程及其自动化 主动型磁悬浮轴承系统模拟控制器的设计 一、摘要 主动型磁悬浮轴承 (Active Magnetic Bearing)是利用磁力作用将转子悬浮于空间，使转子与定子之间没有机构接触的一种新型高性能轴承， 与传统轴承的最大区别是可以根据系统实际工况的要求对转子系统的工作状态实施主动控制 1。相对于永磁材料产生的恒定磁场力，其电磁力大小容易控制，所以被称之为主动型磁悬浮轴承。 磁轴承具有无接触、无摩擦、高速度、高精度、能耗低、寿命长、无需润滑、无油污染等一系列优良品质，特别适用于高 速、真空、超净等特殊环境。可广泛应用在机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子
2、动力学等高科技领域，被公认为极有前途的新型轴承。 二、磁悬浮轴承的特点和分类 磁悬浮轴承，也称为 “磁轴承 ”、 “电磁轴承 ”、 “磁力轴承 ”等，按照磁力的提供方式，可分为如下三大类 :有源磁悬浮轴承，无源磁悬浮轴承，混合磁悬浮轴承。磁悬浮轴承也称电磁轴承或磁力轴承，是利用电磁力作用将转子悬浮于空间，使转子与定子之间实现无机械摩擦支承的一种新型高性能 进 口轴承 ，是典型的机电一体化产品。磁悬浮轴承明显的特点在于没有机械接触，其支承力可控，因此具有其它传统轴承无法比拟的许多优越性能 1 容许转子达到很高的转速； 2 转子与定子之间可实现无摩擦的相对运动，维护成本低，轴承功耗小，使用寿命长；
3、 3 轴承无需润滑，对环境污染小，可应用于真空超净，腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊工作环境； 4 可以从控制系统直接获得运行信息，便于实现运行状态的监测。 磁悬浮轴承的种类很多，按照悬浮磁场的不同，可分为以下三类： (1) 电磁轴承，又称有源磁轴承或主动磁悬浮轴承，以受 控的电磁力实现转子的悬浮。这种磁轴承具有阻尼和刚度可调、承载力大等优点。 (2) 无源磁轴承，以永磁力或超导磁力实现转子部分自由度的悬浮。这种轴承具有结构简单、成本低、功耗小等优点，但它的承载力小，刚度不可调。 (3) 混合磁轴承，其结构中既有电磁铁，又有永磁体或超导体。其结构复杂程度、成本、性能在有源磁轴承和无源磁轴承之
4、间。 三、磁悬浮轴承的数学模型 单自由度磁悬浮轴承系统工作原理如下：在偏置电流 0I 的作用下，转子处于平衡位置ox ，设某一时刻出现扰动，轴承偏离平衡位置 (设向上偏离 )，如图 2.4 所示，偏移位移为 x 。为使轴承能回到平衡位置，必须加一个控制电流 ci 使电磁铁的磁力减少，电磁铁的磁力增加，使转子在电磁力的作用下回到平衡位置。具体工作过程如下：位移传感器检测到该偏离信号后经过位移信号转换电路，转化成相应电压值并送到控制器。控制器将该信号与给定输入信号相比较，得到的位移偏差信号通过控制器中的具体控制算法计算出控制量，然后将该 控制量送给功率放大器。由功率放大器驱动电磁铁实现对磁轴承的控
5、制。 磁轴承系统由控制器、转子、电磁铁、位移传感器和功率放大器组成。对于这样复杂的机、电、磁综合系统，要精确地描述它的数学模型是很困难的。通常的做法是在转子的平衡点附近线性化，也就是常用的单自由度电磁轴承系统的分析方法。 图 1 单自由度主动型磁悬浮系统示意图 控制器 Uc Uo2 功率放大电路 功率放大电路 Ur 位 置 信息量 检测电路 电磁线圈 电磁线圈 o o + o - 位移传感器 i1=I0+iC i2=I0-iC N N F2 F1 Uo2 Ux2 Ue2 对于多自由度的主动型磁轴承系统，电磁轴承可采用分散控制方式或集中控制方式。分散控制方式是指不考虑转子各个自由度之间的耦合，而
6、独立地对每一个自由度进行分别控制，各个自由度的数学模 型相同，都可以用前面推导的单自由度磁轴承的数学模型来描述；集中控制方式是将转子各个自由度综合在一起考虑，将磁轴承分为轴向子系统和径向子系统，有利于解决各个自由度之间的耦合动力学问题，现代控制理论的状态空间法可作为其控制的理论基础。 事实上一个三维空间的转子一共包含 6个刚体自由度，其中绕转轴 Z的转动 由电机来控制，而其余 5个自由度必须由磁轴承控制器来控制，其中有 2个径向 (X、 Y两个方向 )和 1个轴向 (Z方向 )，即轴向 1个自由度和径向 4个自由度，由此构成一个完整的电磁轴承系统。径向四自由度磁轴承系统的结构示意 图 如图 2
7、.7所示，其中 O为转子的质心，建立 OXYZ坐标 。 图 2 径向四自由度磁轴承系统的结构示意图 四、 硬件设计 主动型磁悬浮轴承系统主要由电磁铁、转子、传感器、控制器、功率放大器等模块组成，其中转子是磁轴承系统的被控对象，传感器是系统的检测部件，功率放大器和电磁铁是系统的执行部件 8。数控磁轴承系统与模控磁轴承系统的差别主要取决于控制器，即控制器是采用数字控制器还是模拟控制器，而与磁轴承系统的其它组成部分无关。本章主要分析传感器、控制器、功率放大器等磁轴承系统的核心组成部分，为 模 控磁轴承系统与数控磁轴 承系统的设计奠定基础。 1. 传感器 在主动磁悬浮轴承系统中，间隙检测传感器主要是检
8、测磁悬浮轴承偏离平衡位置的间隙X Z Y O 传感器 传感器 径向轴承 B 径向轴承 A ybf yaf xbfxafbl al 定子线圈 a b 长度，测量的位移量相对较小。而在测量小位移方面使用最多的是差动变压器，因为差动变压器测量精度高，分辨率为 0.2 m，间隙长度与差动变压器输出幅度的关系简单，线性度好，并且输出电压的相位能反映转轴位移的方向。实践证明在主动型磁悬浮轴承中采用差动变压器测量转轴与轴套的间隙可使测量电路的结构较为简单，从而也较容易实现。 2. 功率放大器 功率放大器是主动磁悬浮轴承系统的 核心部件之一，其作用是向电磁铁提供励磁电流，以产生所需的电磁力。功率放大器的设计要
9、求是在工作效率高的前提下尽可能提高系统的执行速度，且具有很好的数字跟随。磁悬浮轴承性能的好坏与功率放大器是息息相关的。 首先，功率放大器作为电磁轴承系统的一部分其传递函数对系统的状态方程结构和阶数有影响；第二，功率放大器作为系统控制的执行环节，能量消耗最大，如何降低功率放大器的能耗，提高能量转换效率是功率放大器设计的最主要目的之一；第三，电磁轴承自身所具有的特殊性使功率放大器设计不同于一般的功率放大器，这使功率放大器设计增加了难 度和多样性。 3. 模拟控制器 控制器的设计是磁轴承系统的核心关键技术，磁轴承的刚度、阻尼、稳定性及精度主要由控制器的性能决定。通常，控制器可分为模拟控制器和数字控制
10、器。目前采用传统的模拟控制器，仅在一定程度上满足了电磁轴承系统的性能要求，但是参数调整不方便、硬件结构不易改变、无法实现高级复杂的控制算法。随着电子技术、计算机技术及现代控制理论及技术的飞速发展，使得数字控制器的实现变得简单，性能更为优越，为磁轴承提供了更为灵活的控制方式。 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制， PID 控制由于它自身的 优点在工业生产过程中仍得到了广泛的应用。模拟 PID 控制器主要由三个典型的环节组成，即比例环节 (P)、积分环节 (I)和微分环节 (D)。三个环节有多种组合方式，其中常用的组合方式有以下三种：串联型、并联型及串并联型 。 五、总结 磁
11、轴承具有无接触、无摩擦、高速度、高精度、能耗低、寿命长、无需润滑、无油污染等一系列优良品质，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境。可广泛应用在机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学等高科技领域，被公认为极有前途的新型轴承。随着其不断发展，相信在以后的生产生活中将会得 到更多的应用。 参考文献 1 施韦策 G，布鲁勒 H，特拉克斯勒 A 着主动磁轴承基础、性能及应用 .虞烈，袁祟军译北京：新时代出版社， 1997 2M.Pichot,J.Kais,R.Hayes,J.Beno,A.Ouroua,andB.Rech“ Inside-out configuration active ma
12、gnetic bearing actuators,” in 5th Int.Symp. Magn. Suspension Technol.,Dec. 1-3, 1999. 3 虞烈 .可控磁悬浮转子系统 . 北京：科学出版社 ,2003. 4 张茂青 ,钱振雄 ,王根荣 .磁悬浮轴承的结构原理与气隙检测电路的设计 J.电子机械工程 ,1994(2) 5 张茂青 ,张柏生 ,汪萍 ,等 .磁悬浮轴承间隙检测专用传感器的研究 J.传感器技术 , 2002(5) 6 Yang Jing, He Qing Xiao, Wang Kai. Efects of AMB Power Amplifier Structure Upon the System Performance. 8th International Symposium on Magnetic Bearing.Mito, Japan. August 28-28,2002 7 章建民 ,佟超 ,邹祖琅 .差动变压器专用芯片 NE5520 的原理与应用 J.电测与仪表 ,1997（ 5） 8 苏义鑫 ,周祖德 ,胡业发磁悬浮轴承功率放大器的研究 J武汉理工大学学报 信息与管理工程版 ,2003,25(6)
