1、本 科 毕 业 设 计主动型磁悬浮轴承系统模拟控制器的设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，具有无摩擦、无磨损、无污染、低能耗、低噪声以及寿命长等优点，因而在航空航天、真空技术、精密机床、机械工业以及机器人等高科技领域具有广泛的应用前景。首先，本文介绍了主动磁悬浮轴承的结构和工作原理，并提出了磁悬浮轴承的现存问题，分析了磁悬浮轴承控制系统的优缺点及国内外的现状，得出了今后磁悬浮轴承控制系统的发展方向，即向低成本，高可靠性，数字控制闭环控制，
2、高刚度，主动电动磁悬浮轴承控制系统方向发展。其次，本文推导出了具有普遍意义的单自由度传递函数模型，并在此基础上，建立了磁悬浮轴承径向四自由度转子的数学模型，为进一步设计控制器，分析系统特性，实现系统仿真和转子稳定悬浮提供了理论依据。本文还介绍了磁轴承系统关键部件的组成和设计，建立了单自由度磁悬浮轴承模拟控制器系统的实验平台，并进行了实验分析研究，完成了单自由度数控磁轴承系统的实验调试，实现了转子的稳定悬浮。本文还设计了以差动变压器式间隙传感器、驱动电路、模拟 PID 控制器等模块为核心的主动型磁悬浮轴承模拟控制系统，并完成了实验调试，数据采集，数据处理，分析研究等工作。关键词：磁悬浮轴承；模拟
3、控制器；实验分析IIAbstractMagnetic bearing (MB) is one of the typical mechanic at products and a new type of high performance bearing which suspends the rotor in a contact-free manner. Since it has has many advantages, such as no mechanical contact, no friction, lower power consumption, lasting service life
4、 and without environmental pollution, it has been paid more and more attention in energy resource, aerospace, communication, mechanical industry, robot and medical equipment.Firstly,based on the structure and principles of active magnetic bearing, the problems and development trend are introduced. A
5、nalyze the strong point and weakness point and present conditions home and abroad of the control system of the magnetic suspension bearing, and points out the developing direction about it in the future. They are low costs, high reliablity, numerical, closed-lop control, high rigidity and active ele
6、ctrodynamic magnetic bearing control.Secondly,this universal significance derived transfer function model of single degree of freedom and base on the analog control system radial magnetic bearing established mathematical model of four degrees of freedom rotor ,In order to design the controller and a
7、nalysis of system characteristics, the rotor to achieve stable levitation system simulation and provides a theoretical basis. This article also describes the key components of the magnetic bearing system composition and design, establishment of a single degree of freedom magnetic bearing control sys
8、tem simulation experiment platform, completed a single degree of freedom experimental magnetic bearing system NC debugging, to achieve a stable suspension of the rotor.The article also design a differential transformer gap sensor, driver circuits, analog PID controller as the core modules such as Ac
9、tive Magnetic Bearing Control System Simulation, And completed the experimental testing, data collection, data processing, analysis and research.Key Words：magnetic bearing ；analog controller；experimental analysisIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 主动型磁悬浮轴承的概述 .11.2 主动型磁悬浮轴承的分类 .11.3 主动型磁悬浮轴承的发展现状及趋势 .11.4 论文内容的提出
10、.2第 2 章 主动磁轴承系统的工作原理及数学模型 .42.1 引言 .42.2 主动型磁悬浮轴承的结构分析和工作原理 .42.3 单自由度磁悬浮轴承的数学模型 .62.4 四自由度主动型磁悬浮轴承的结构 .92.5 径向四自由度主动型磁悬浮轴承的分析 .102.6 小结 .13第 3 章 磁悬浮轴承系统各部件的设计 .143.1 概述 .143.2 间隙检测传感器 .143.3 模拟控制器设计 .163.4 功率放大器 .173.5 小结 .19第 4 章 磁悬浮轴承系统模拟控制器的设计与实验分析研究 .204.1 引言 .204.2 模拟 PID 控制器 .204.3 模拟 PID 控制器
11、硬件设计 .214.4 实验数据的采集与分析 .234.4.1 数据采集卡 PC-7483 简介与使用 .244.4.2 实验分析研究 .25总结 .30致谢 .31参考文献 .321第 1 章 绪论1.1 主动型磁悬浮轴承的概述主动型磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。磁悬浮轴承是集机械学、力学、控制工程学、电磁学、电子学和计算机科学于一体的最具代表性的机电一体化产品。与传统的滚动轴承和滑动
12、轴承相比，磁悬浮进口轴承明显的特点在于没有机械接触，不需要传力介质且其支承力可控，因此它具有传统轴承无法比拟的优越性能:降低了工作能耗和噪声，延长了使用寿命;动力损失小，便于应用在高速运转场合;不需要润滑和密封系统，排除了污染，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。正是因为磁悬浮轴承具有这些独特的优点，所以受到国内外学术界和工业领域的广泛关注，磁悬浮轴承也因此成为无锡进口轴承行业中的研究热点。1.2 主动型磁悬浮轴承的分类磁悬浮轴承，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
13、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 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
14、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间。1.3 主动型磁悬浮轴承的发展现状及趋势利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久，但实现起来并不容易。早在 1842年，Earnshow 就证明：单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有 6 个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。然而，真正意义上的磁
15、悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始的。1937 年，德国 Kenper 申请了第一个磁悬浮技术专利，他认为要使铁磁体实现稳定的磁2悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可控电磁铁才能实现，这一思想成为之后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。同一时期，美国 Virginia大学的 Beams 和 Holmes 也对磁悬浮原理进行了研究，他们采用电磁悬浮技术悬浮小球，并通过钢球高速旋转时承受的离心力来测定试验材料的强度，测量过程中钢球所达到的最高转速为 1.8 r/min 在这一转速下，钢球由于离心力的作用而爆裂，他们由此来推算材料的710极限强度。
16、这可能是世界上最早采用磁悬浮技术旋转的应用实例。伴随着现代控制理论和电子技术的研究跃上了一个新的台阶。英国日本德国都相继展开了对磁悬浮列车的研究。磁悬浮轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。据有关资料记载：1969 年，法国军部科研实验室（LRBA）开始对磁悬浮轴承的研究；1972 年，将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上，从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。从此，磁悬浮轴承很快被应用到国防、航天等各个领域。美国在 1983 年 11 月搭载于航天飞机上的欧洲空间试验仓力采用了磁悬浮轴承真空汞；日本将磁悬浮轴承列为 80 年代新的加工技术之一，1984 年，S2M 公司于日
17、本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司，在日本生产、销售涡轮分子汞和机床电磁主轴等。我国对磁悬浮轴承的研究始于 60 年代，但由于社会条件和技术水平的限制，我国在这方面的研究比国外先进国家落后近 20 年。从 80 年代起有数家单位开始这方面的样机开发，但到目前为止，开发的多数产品还处于实验室阶段，而且在轴承刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定差距，这是我国的科技人员锁面临的一个新的课题。虽然对磁悬浮轴承的研究还存在很多问题，但对其理论分析已经形成了较完善的体系。从总体上看，国内外对磁悬浮轴承的研究具有以下几个发展趋势：（1）理论分析方面:理论问题的研究将更具有针对性，并在重视控制系
18、统研究的同时，着重研究系统转子动力学分析，从而更有效地改进控制方法：采用模糊控制神经网络等智能控制方法，实现对复杂转子动力学特性的控制。（2）应用方面：成本过高在一定程度上限制了磁悬浮轴承的推广应用，因而实用性的研究将加强，它的产品话和标准话的步伐也将加快，新产品将越来越多的采用数子控制，应用范围也将逐渐从军工转向民用。（3）应用于电力工程方面的设想：面向电力工程，磁悬浮轴承的应用也具有广阔的前景。根据磁悬浮轴承的原理，研究大功率的磁悬浮轴承和飞轮储能系统以减少调峰时机组启停次数；进行以磁悬浮磁悬浮轴承系统为基础的振动和故障分析中；通过调整磁悬浮轴承的刚度来改变汽轮机转子结构设计的思想，从而改
19、善转子的动态特性，避免共振，提高机组元转的可靠性等，这些都将为解决电力工程的技术难题提供崭新的思路。1.4 论文内容的提出磁轴承又称主动磁悬浮轴承，是一种转子与定子之间没有机械接触的新型高性能轴承。它由机械部件、电控系统、传感器和辅助轴承等构成。利用电磁力作用将转子悬浮于空间，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声少、寿命长、无润滑介质等优点。选择磁轴承作为分子泵转子的支承，可以从根本上解决传统轴承润滑带来的润滑油脂的油蒸汽返流对真空室的污染等问题，使磁轴承真空分子泵成为集成电路制造设备首选的超高真空获得设备。磁轴承是继油润滑、气润滑之后轴承行业又一次革命性变化，为传统产业增加了高科技产品。
20、3这种精密的机电一体化产品，除了在真空分子泵中应用外，还在军工、航天航空、石油石化、能源等领域有着广阔的前景。在国外，Yonnet 最早提出永磁体磁轴承。在永磁体磁场数值计算方面，其在一定假设基础上建立了适用于轴向磁化和径向磁化磁轴承的通用模型。而后Dellinger 在 Yonnet 的假设基础上，结合等效磁荷法，将环形磁体假设成两个圆柱形，建立了轴向磁化径向磁轴承的数学模型。另外还有一些研究，比如：永磁环作为弹簧和轴承的应用，分析得出永磁体可以产生自身重量 100 倍大小的力；通过堆叠形式增加永磁轴承刚度的形式；实现高刚度永磁轴承的设计方法，与传统的 Yonnet 堆叠形式进行了计算对比等
21、。在国内，有根据两个点电荷之间作用力关系，以径向磁化径向磁轴承为例，建立了径向磁轴承的数值积分模型；结合等效磁荷法，根据两个点电荷之间作用力关系，以轴向磁化径向磁轴承为例，建立了径向磁轴承的数值积分模型；用有限元法进行了永磁轴承的转子-磁体在高速运转状态下的应力和变形分析，求得其极限转速（60000r/min） ，为永磁轴承系统设计提供了有价值的设计依据。轴向磁化类型的径向永磁轴承结构，设计该类型永磁轴承支承转子系统，并以此为中心进行了相关的理论公式推导、仿真分析研究和实验验证，最后进行了初步的永磁悬浮轴承-转子系统动力学特性分析等研究。为了提高电主轴的转速，人们对机械轴承及其润滑问题进行了大
22、量的研究：角度接触的铁质轴承、陶瓷滚珠轴承、脂润滑、油雾润滑等。迄今为止，高速电主轴中机械轴承的寿命问题仍然是个难题。为了使电主轴在高转速下延长寿命，开展了气浮轴承电主轴、静压轴承电主轴和磁悬浮轴承电主轴方面的研究，其中磁悬浮轴承电主轴由于具有高转速、长寿命等突出优点引起科技工作者的关注。随着控制技术、材料科学、电力电子技术等的飞速发展，为研究和实际应用磁悬浮轴承技术提供了可行的条件，使得磁悬浮轴承电主轴成为当今高科技研究方向之一。4第 2 章 主动磁轴承系统的工作原理及数学模型2.1 引言主动磁悬浮轴承AMB(Active Magnetic Bearing)利用可控电磁力将转轴悬浮起来。它集
23、电磁学、电子技术、转子动力学、控制理论以及计算机科学于一体，是典型的机电一体化产品，具有无接触、高速度、高精度、不需润滑和密封等一系列优点，因此在以控制和机械工业应用为背景的领域得到了广泛重视，已经进入实用化阶段。控制系统是磁力轴承系统中很重要的一环。控制系统的好坏直接影响到整个系统的性能，包括稳定性、动刚度和抗干扰能力等。所以控制系统的设计也是整个磁轴承系统设计中的重点和难点。目前采用的模拟控制器虽然在一定程度上满足了磁轴承系统的性能，但存在着参数调整不方便、硬件结构不易改变以及难以实现先进的控制算法（如非线性控制、模糊控制）等缺点。从提高磁轴承性能、可靠性、增加控制器柔性和减小体积等角度出
24、发，应考虑采用数字控制。2.2 主动型磁悬浮轴承的结构分析和工作原理磁轴承从原理上一般可分为以下两种，一种是主动磁悬浮轴承（AMB） ；另一种是被动磁悬浮轴承（passive magnetic bearing） ，简称PMB。由于前者具有较好的性能，它在工业上得到了越来越广泛的应用。这里我们介绍的是主动型磁轴承。磁悬浮轴承系统主要由被悬浮物体、传感器、控制器和执行器四大部分组成。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。下图是一个简单的磁轴承系统，电磁铁绕组上的电流为I，它对被悬浮物体产生的吸力和被悬浮物体本身的重力mg相平衡，被悬浮物体处于悬浮的平衡位置，这个位置也称为参考位置。假设在参考位置
25、上，被悬浮物体收到一个向下的扰动，它就会偏离其参考位置向下运动，此时传感器检测出被悬浮物体偏离其参考位置的位移，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器使流过电磁绕组上的电流变大，因此，电磁铁的吸力也变大了，从而驱使被悬浮物体返回到原来的平衡位置。如果被悬浮物体受到一个向上的扰动并向上运动，此时控制器和功率放大器使流过电磁场铁绕组上的电流变小，因此，电磁铁的吸力也变小了，被悬浮物体也能返回到原来的平衡位置。因此，不论被悬浮物体受到向上或向下的扰动。5图 2.1 主动型磁悬浮轴承的系统示意图图 2.2 主动磁悬浮的结构示意图磁悬浮轴承闭环控制系统框图如图 2.3。图 2.3 磁悬浮轴承控制
26、系统框图功放电路 轴承(电磁铁和转子)间隙检测传感器控制器位移量传感器径向轴承传感器 径向轴承 定子线圈变频器传感器信号变送电路 Ct13正弦波转换器振荡器OSC内部稳压源辅助运放同步解调6K6K10K10K10KR210K10KA3A4A2A110KVR同步信号121/2VRa2iU1i1/2N21/2N21/2N11/2N12V1I21转轴iVo功率放大电路转 轴12传感器传感器传感器 传感器功率放大电路传感器信号变送电路控制器轴套功率放大大器 xikms2输出给定位移传感器控制器_图 2-6 主动磁轴承与转子的结构框图磁轴承传感器磁轴承传感器XbXdXaXccabd cdSxZX10LB
27、MLLzX;a aTLLLb bx fxZTzf 1LaZ(s)X(s)R（s）图2-5 单自由度磁轴承闭环系统位置传感器增益受控对象功放控制器Kb 2()ixKGsmKa()csN图 2-4 单自由度磁轴承结构mI2=I0-icI1=I0+icX0-xF1F2X0+x 2()ixKGsm22003,i xuNiusi22200012()()4ccsIiIifmxFxx 201()4cusNIix2202()csIiFx图 2-3 单自由度磁悬浮系统电磁铁转子62.3 单自由度磁悬浮轴承的数学模型为了研究问题的方便，首先讨论单自由度主动磁轴承转子的工作原理，再建立单自由度系统的力学模型。图 2
28、.4 是一个单自由度主动型磁悬浮轴承的工作原理图。图 2.4 单自由度主动型磁悬浮系统示意图单自由度磁悬浮轴承系统工作原理如下：在偏置电流 的作用下，转子处于平衡位置0I，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 。ox x为使轴承能回到平衡位置，必须加一个控制电流 使电磁铁的磁力减少，电磁铁的磁力ci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
29、率放大器。由功率放大器驱动电磁铁实现对磁轴承的控制。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。在图2.4中 为电磁轴承的间隙半径， 为转子在X方向上偏离平衡位置的位移，N为电oxx磁线圈匝数， ， 分别为两个电磁铁线圈的激磁电流( 包括偏置电流 和控制电流 )，1i2 0Ici， 分别为两个电磁铁所产生的电磁力。首先讨论用线圈电流 和间隙 表示的吸引力1F2 x表达式磁路的磁阻由下列关系表示(2-1)xrxdslslR00控制器UcUo2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oo +o - 位移传感器i1=I0+iCi2=I0-iCNNF2F1Uo2Ux2Ue2
