主动型磁悬浮轴承系统模拟控制器的设计【文献综述】

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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(ActiveMagneticBearing)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

2、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。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

3、；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

4、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。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：在偏置电流的作用下，转子处于平衡位置，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。为使轴承能回到平衡位置，必须加一个控制电流使电磁铁Ⅰ的磁力减少，电磁铁Ⅱ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

5、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制。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Ⅰ电磁线圈Ⅱχχoχo+χχo-χ位移传感器i1=I0+iCi2=I0-iCNNF2F1Uo2Ux2Ue2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

6、。图1单自由度主动型磁悬浮系统示意图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Ω由电机来控制，而其余5个自

7、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所示，其中O为转子的质心，建立OXYZ坐标。XZYO传感器传感器径向轴承B径向轴承A定子线圈ab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

8、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