电磁轴承的控制策略研究

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1、电磁轴承的控制策略研究日前，永憊備賈泡合磁轴承的研究主干新的结构，而主动磁轴承的控制方法同样适干永證偏百混合磁轴承.电磁轴承支承的轴承系统本身是不稳定的，必須通过对具进行反馈控制才能实现转子稳定的悬浮，控制器就是按照一定的控制算法对传馬器检测到的位賈信号进行适当的运算，通过迅速而恰当的电流变化改变电磁轴承上的电雄力大小从而使转子垂新回到基准位置。控制器设讹的首要目标是保证转子稳定的悬浮，其次还需要满足的是系统刚度、阻尼、不平衡响应及系统的稳定性等性能的要求W因此，控制器是農个控制系统的核心.电磁轴承是一个机电一体化的复杂系统，得到精度较好的系统模型是一件困难的爭情.險悬浮铀

2、承系统性能好坏取决于电控系统利机械结构设计两部分.电磁铁、转子等构成的机械系统的机械结构、參数的设计不够合理，将会使被控机械对象的数学模型难以得到准娴的建立，从而给电控系统带来很大的麻烦.形响控制效果，扶至根本无法有效控制.只有在结构和参数合理，建立的模型准确，才有可能设计出性能优良的电控系统.目前的电磁轴承系统犬多釆用鲁榨性较强的控制算法W例如，基于古典控制理论的比例一枳分一微分(PID)、比例一微分(PD)控制，基于现代控制理论的模糊控制、自适应控制、滑模控制和“参数控制尊。每种算法各有特点，都冇成功应用的例子•5.1电磁轴承的控制原理駁恳浮轴承的控制器是储轴承的核心技

3、术.柠制器的功能为对位移信号进行采样.经过相应的柠制易法进厅计算，然后通过D/A或者PWM输出为功率放大器以控制定子线圈中的电流，从而控制电磁轴承W图5・1是电磁轴承控制系统硬件结构框图。功敝电PIIJ识救据转控制2S图5」电唸轴承控制岚统琰件结构枢图当轴向稳定悬浮时，磁轴承转子在永久磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置，也称这个位置为参考位置。曲于结构的对称性，永久磁铁产生的磴通在转子上面的气隙Z

4、处和转子下面的气隙z2处是相等的.此时左右吸力相導。如果任此平衡位置时转子受到一个向下的外扰力，转子就会偏离参考位if向下运动，造成永久磁铁产生的左右气隙的確通变化（假设径

5、向比平衡位K）,即上面的气隙论大，使永磁体产生的磁通碱少，右面的气隙减少，便永瞪体产生的磯通增加。在未产生控制磁通Z前，由于下面磁通大于上面磁通，故F2>F

6、e由于外扰力使转子向下运动，此时传感器检测出转子備离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号转变成控制倍号，功率放大跺又将此控制信号变换成控制电流6这个电流涼经电盛恢线圈绕组便铁芯内产生一电磁就通，在转子下面的Z2处由励磁磁通利永磁磁通的流向相同，与永磁破通脊加，使气隙Z2处总的磁通増加；励掘逼通在上面气隙处，由于与永磁磁通的流向相反，故在气隙Zi处的总磁通碱少.径向和轴向混合磁轴承在3个自由度上的工作原理是一样的。如

7、!ft转子受到一个向左的外扰力，町以用类似的方法进行分析，得到相反的结论，因此，不论转子受到向右或向左的外扰动，带位置负反馈的永磯假置轴向磁轴承系统，其转子通过控制器控制励磁绕组中的电流，调节左右气隙磁通的大小，始终能保持转子在平衡位置・5・2磁悬浮轴承系统的数学摸型模型研究不仅是控制器设计的基础，也有助于认识到系统部件中存在的峡陷，从而找到改荐这些部件性能的途径・因此，任国内外班悬浮轴承技术的研究中，模型研究也一直占扳着重要的位«

8、5

9、,<5.2.1单自由度转子的数学模型本节讨论单自由度转子在主动磁悬浮轴承中的运动，并建立单自由度的力学模型I52）.单自由度磁悬浮系统结构

10、如图5.2所示，为简便起见，现只讨论转子在X方向的运动，转子在Y方向上的运动完全可以按照在X方向上的运动来处理•fi图5.2单自由度磁悬浮轴承系统为了让X方向和Y方向的磁场互不影响，所以殲极如图5.2设置，这样不同控制方向的相邻磁极间漏磁聂小.假设毎极电磁铁和转子表面之间的气隙C郝相同，磁感应强度也相同，且没有漏磁，每个磁极上线圈匝数为N/2,那么该谨感应强度B为：鈴(5.1)每极电磁铁对转子的吸力公式为：(5.2)其中，0=(5.3)可以得出每极电磁铁对转子的吸力，二阴NTJxl.2.),40厂才(5.4)通常，在轴承磁铁中有两个作用相反的磁铁在工作.这种布局使得正向力和

11、负向力都能产生。X轴左方电磁铁形成的磁路对转子形成的合力如图5.2为「/:l=2cosa-/；=4C2(5.5)式中：a为磴极作用力方向与合力方向夹知，此处为22.5°。设平衡位置处气隙为转子沿X轴方向的位移为x,則电磁铁和转了之间的气隙：C=q-xcosa(56)令K・咛N(5.7)则(KI；(5.8)同理X轴右方电磁铁形成的磁路对转子形成的合力为；fKI]几•不益y(59)这种差动励磁方式，一个磁铁以偏買电流人与控制电流「之和励磁，而另一个则以偏戡电流/。与控制电流〈之差励磁，因此转子在X方向上的受力为t下磁恢