1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計文獻綜述</b></p><p><b>　　電氣工程及其自動化</b></p><p>　　主動型磁懸浮軸承系統(tǒng)模擬控制器的設(shè)計</p><p><b>　　一、摘要</b></p><p>　　主動型磁懸浮軸承(Active Magne

2、tic Bearing)是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機構(gòu)接觸的一種新型高性能軸承，與傳統(tǒng)軸承的最大區(qū)別是可以根據(jù)系統(tǒng)實際工況的要求對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)實施主動控制[1]。相對于永磁材料產(chǎn)生的恒定磁場力，其電磁力大小容易控制，所以被稱之為主動型磁懸浮軸承。磁軸承具有無接觸、無摩擦、高速度、高精度、能耗低、壽命長、無需潤滑、無油污染等一系列優(yōu)良品質(zhì)，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境?？蓮V泛應用在機械加工、渦輪機械

3、、航空航天、真空技術(shù)、轉(zhuǎn)子動力學等高科技領(lǐng)域，被公認為極有前途的新型軸承。</p><p>　　二、磁懸浮軸承的特點和分類</p><p>　　磁懸浮軸承，也稱為“磁軸承”、“電磁軸承”、“磁力軸承”等，按照磁力的提供方式，可分為如下三大類:有源磁懸浮軸承，無源磁懸浮軸承，混合磁懸浮軸承。磁懸浮軸承也稱電磁軸承或磁力軸承，是利用電磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，使轉(zhuǎn)子與定子之間實現(xiàn)無機械摩擦支承

4、的一種新型高性能進口軸承，是典型的機電一體化產(chǎn)品。磁懸浮軸承明顯的特點在于沒有機械接觸，其支承力可控，因此具有其它傳統(tǒng)軸承無法比擬的許多優(yōu)越性能</p><p>　　1 容許轉(zhuǎn)子達到很高的轉(zhuǎn)速；</p><p>　　2 轉(zhuǎn)子與定子之間可實現(xiàn)無摩擦的相對運動，維護成本低，軸承功耗小，使用壽命長；</p><p>　　3 軸承無需潤滑，對環(huán)境污染小，可應用于真空超凈，腐

5、蝕性介質(zhì)以及極端溫度和壓力等特殊工作環(huán)境；</p><p>　　4 可以從控制系統(tǒng)直接獲得運行信息，便于實現(xiàn)運行狀態(tài)的監(jiān)測。</p><p>　　磁懸浮軸承的種類很多，按照懸浮磁場的不同，可分為以下三類：</p><p>　　(1) 電磁軸承，又稱有源磁軸承或主動磁懸浮軸承，以受控的電磁力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。這種磁軸承具有阻尼和剛度可調(diào)、承載力大等優(yōu)點。</p&g

6、t;<p>　　(2) 無源磁軸承，以永磁力或超導磁力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子部分自由度的懸浮。這種軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗小等優(yōu)點，但它的承載力小，剛度不可調(diào)。</p><p>　　(3) 混合磁軸承，其結(jié)構(gòu)中既有電磁鐵，又有永磁體或超導體。其結(jié)構(gòu)復雜程度、成本、性能在有源磁軸承和無源磁軸承之間。</p><p>　　三、磁懸浮軸承的數(shù)學模型</p><p>

7、　　單自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)工作原理如下：在偏置電流的作用下，轉(zhuǎn)子處于平衡位置，設(shè)某一時刻出現(xiàn)擾動，軸承偏離平衡位置(設(shè)向上偏離)，如圖2.4所示，偏移位移為。為使軸承能回到平衡位置，必須加一個控制電流 使電磁鐵Ⅰ的磁力減少，電磁鐵Ⅱ的磁力增加，使轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下回到平衡位置。具體工作過程如下：位移傳感器檢測到該偏離信號后經(jīng)過位移信號轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)化成相應電壓值并送到控制器。控制器將該信號與給定輸入信號相比較，得到的位移偏差信號通過控制

8、器中的具體控制算法計算出控制量，然后將該控制量送給功率放大器。由功率放大器驅(qū)動電磁鐵實現(xiàn)對磁軸承的控制。</p><p>　　磁軸承系統(tǒng)由控制器、轉(zhuǎn)子、電磁鐵、位移傳感器和功率放大器組成。對于這樣復雜的機、電、磁綜合系統(tǒng)，要精確地描述它的數(shù)學模型是很困難的。通常的做法是在轉(zhuǎn)子的平衡點附近線性化，也就是常用的單自由度電磁軸承系統(tǒng)的分析方法。</p><p>　　圖1 單自由度主動型磁懸浮系統(tǒng)

9、示意圖</p><p>　　對于多自由度的主動型磁軸承系統(tǒng)，電磁軸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慮轉(zhuǎn)子各個自由度之間的耦合，而獨立地對每一個自由度進行分別控制，各個自由度的數(shù)學模型相同，都可以用前面推導的單自由度磁軸承的數(shù)學模型來描述；集中控制方式是將轉(zhuǎn)子各個自由度綜合在一起考慮，將磁軸承分為軸向子系統(tǒng)和徑向子系統(tǒng)，有利于解決各個自由度之間的耦合動力學問題，現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間法可作為

10、其控制的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　事實上一個三維空間的轉(zhuǎn)子一共包含6個剛體自由度，其中繞轉(zhuǎn)軸Z的轉(zhuǎn)動Ω由電機來控制，而其余5個自由度必須由磁軸承控制器來控制，其中有2個徑向 (X、Y兩個方向)和1個軸向 (Z方向)，即軸向1個自由度和徑向4個自由度，由此構(gòu)成一個完整的電磁軸承系統(tǒng)。徑向四自由度磁軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.7所示，其中O為轉(zhuǎn)子的質(zhì)心，建立OXYZ坐標。</p><p>

11、;　　圖2 徑向四自由度磁軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><b>　　四、硬件設(shè)計</b></p><p>　　主動型磁懸浮軸承系統(tǒng)主要由電磁鐵、轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器、功率放大器等模塊組成，其中轉(zhuǎn)子是磁軸承系統(tǒng)的被控對象，傳感器是系統(tǒng)的檢測部件，功率放大器和電磁鐵是系統(tǒng)的執(zhí)行部件[8]。數(shù)控磁軸承系統(tǒng)與?？卮泡S承系統(tǒng)的差別主要取決于控制器，即控制器是采用數(shù)字控制

12、器還是模擬控制器，而與磁軸承系統(tǒng)的其它組成部分無關(guān)。本章主要分析傳感器、控制器、功率放大器等磁軸承系統(tǒng)的核心組成部分，為?？卮泡S承系統(tǒng)與數(shù)控磁軸承系統(tǒng)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。</p><p><b>　　傳感器</b></p><p>　　在主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中，間隙檢測傳感器主要是檢測磁懸浮軸承偏離平衡位置的間隙長度，測量的位移量相對較小。而在測量小位移方面使用最多的是差動

13、變壓器，因為差動變壓器測量精度高，分辨率為0.2m，間隙長度與差動變壓器輸出幅度的關(guān)系簡單，線性度好，并且輸出電壓的相位能反映轉(zhuǎn)軸位移的方向。實踐證明在主動型磁懸浮軸承中采用差動變壓器測量轉(zhuǎn)軸與軸套的間隙可使測量電路的結(jié)構(gòu)較為簡單，從而也較容易實現(xiàn)。</p><p><b>　　功率放大器</b></p><p>　　功率放大器是主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的核心部件之一，其作

14、用是向電磁鐵提供勵磁電流，以產(chǎn)生所需的電磁力。功率放大器的設(shè)計要求是在工作效率高的前提下盡可能提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度，且具有很好的數(shù)字跟隨。磁懸浮軸承性能的好壞與功率放大器是息息相關(guān)的。首先，功率放大器作為電磁軸承系統(tǒng)的一部分其傳遞函數(shù)對系統(tǒng)的狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)和階數(shù)有影響；第二，功率放大器作為系統(tǒng)控制的執(zhí)行環(huán)節(jié)，能量消耗最大，如何降低功率放大器的能耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率是功率放大器設(shè)計的最主要目的之一；第三，電磁軸承自身所具有的特殊性使功率放大器

15、設(shè)計不同于一般的功率放大器，這使功率放大器設(shè)計增加了難度和多樣性。</p><p><b>　　模擬控制器</b></p><p>　　控制器的設(shè)計是磁軸承系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)，磁軸承的剛度、阻尼、穩(wěn)定性及精度主要由控制器的性能決定。通常，控制器可分為模擬控制器和數(shù)字控制器。目前采用傳統(tǒng)的模擬控制器，僅在一定程度上滿足了電磁軸承系統(tǒng)的性能要求，但是參數(shù)調(diào)整不方便、硬件結(jié)

16、構(gòu)不易改變、無法實現(xiàn)高級復雜的控制算法。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)及現(xiàn)代控制理論及技術(shù)的飛速發(fā)展，使得數(shù)字控制器的實現(xiàn)變得簡單，性能更為優(yōu)越，為磁軸承提供了更為靈活的控制方式。</p><p>　　在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制，PID控制由于它自身的優(yōu)點在工業(yè)生產(chǎn)過程中仍得到了廣泛的應用。模擬PID控制器主要由三個典型的環(huán)節(jié)組成，即比例環(huán)節(jié)(P)、積分環(huán)節(jié)(I)和微分環(huán)節(jié)(D)。三個環(huán)節(jié)有多

17、種組合方式，其中常用的組合方式有以下三種：串聯(lián)型、并聯(lián)型及串并聯(lián)型。</p><p><b>　　五、總結(jié)</b></p><p>　　磁軸承具有無接觸、無摩擦、高速度、高精度、能耗低、壽命長、無需潤滑、無油污染等一系列優(yōu)良品質(zhì)，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境。可廣泛應用在機械加工、渦輪機械、航空航天、真空技術(shù)、轉(zhuǎn)子動力學等高科技領(lǐng)域，被公認為極有前途的新型軸承

18、。隨著其不斷發(fā)展，相信在以后的生產(chǎn)生活中將會得到更多的應用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 施韋策 G，布魯勒 H，特拉克斯勒A著．主動磁軸承基礎(chǔ)、性能及應用［Ｍ］.虞烈，袁祟軍譯．北京：新時代出版社，1997．</p><p>　　[2]M.Pichot,J.Kais,R.Hayes,J.Beno,

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20、] 張茂青,錢振雄,王根榮.磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)原理與氣隙檢測電路的設(shè)計[J].電子機械工程,1994(2)</p><p>　　[5] 張茂青,張柏生,汪萍,等.磁懸浮軸承間隙檢測專用傳感器的研究[J].傳感器技術(shù), 2002(5)</p><p>　　[6] Yang Jing, He Qing Xiao, Wang Kai. Efects of AMB Power Amplifier S

21、tructure Upon the System Performance. 8th International Symposium on Magnetic Bearing.Mito, Japan. August 28-28,2002</p><p>　　[7] 章建民,佟超,鄒祖瑯.差動變壓器專用芯片NE5520的原理與應用[J].電測與儀表,1997（5）</p><p>　　[8] 蘇