（机械电子工程专业论文）力反馈磁悬浮控制系统的传感器性能研究.pdf

r e s e a r c ho np e r f o r m a n c e so fs e n s o r a p p l i e d f o rf o r c e f e e d b a c km a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m f e n gh u i m i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f s o n g f a n g z h e n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 6 ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：冯么阢 日期：。1 2 ，6 、 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 b 公开 口保密( 年，解密后应遵守此规定) 粼谒航聊签凇专缸期：埘 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题概述1 1 1 1 课题的研究背景1 1 1 2 选题目的及意义4 1 2 多维力传感器研究状况5 1 3 课题研究的主要内容7 1 4 本章小结7 第二章二维力传感器的结构设计9 2 1 引言。9 2 2 初步确定二维力传感器的结构9 2 2 1 敏感元件的选择9 2 2 2 敏感元件的布局及连接方式的确定1 0 2 2 3 传感器结构参数的初步设定1 1 2 2 4 二维力传感器材料的选择1 2 2 2 5 二维力传感器的强度校核1 2 2 3 本章小结1 3 第三章二维力传感器机械结构的静态特性分析1 5 3 1 引言15 3 2 二维力传感器灵敏度的计算1 5 3 3 各结构参数对二维力传感器灵敏度的影响1 7 3 4 本章小结1 9 第四章二维力传感器机电耦合系统的动力学分析。2 1 4 1 引言2 1 4 2 模态分析、谐响应分析与瞬态分析的理论2 1 4 3 二维力传感器机械结构的模态分析2 3 4 4 正弦激励作用下二维力传感器机电耦合系统的稳态响应分析2 4 4 4 1 二维力传感器机械结构的稳态动力学建模2 4 4 4 2 测量电路稳态动力学建模2 5 力反馈磁悬浮控制系统的传感器性能研究 4 4 3 二维力传感器机械结构与测量电路耦合系统的稳态动力学建模2 7 4 4 4 二维力传感器机械结构与测量电路耦合系统的仿真与分析2 8 4 5 各种激励作用下二维力传感器机电耦合系统瞬态动力学分析3 2 4 5 1 二维力传感器机械结构的瞬态动力学建模3 2 4 5 2 测量电路的瞬态动力学建模。3 4 4 5 3 二维力传感器机械结构与测量电路耦合系统的瞬态动力学建模3 4 4 5 4 阶跃激励作用下二维力传感器机电耦合系统的仿真与分析3 4 4 5 5 脉冲激励作用下二维力传感器机电耦合系统的仿真与分析3 7 4 6 本章小结3 8 第五章二维力传感器动态性能的实验研究。4 1 5 1 瞬态特性测试4 1 5 2 实验结果及分析4 2 5 3 本章小结4 5 第六章结论与展望4 7 6 1 结论4 7 6 2 创新点4 8 6 3 展望4 8 参考文献4 9 致谢5 3 附录：攻读硕士学位期间的成果与奖励5 5 济南大学硕士学位论文 摘要 在力反馈转子磁悬浮控制系统中，传感器检测转子的力信号是对轴承进行主动控制 的依据，力传感器是力反馈转子磁悬浮控制系统中的反馈环节，是联系输入与输出的纽 带，因而是整个系统研究的重点和难点之一。力反馈转子磁悬浮控制系统的控制精度受 其所用力传感器的限制。只有设计出频响范围宽、误差小、稳定性高的力传感器，才能 保证力反馈转子磁悬浮控制系统具有高速、高精度、高稳定性的性能，因此力传感器是 力反馈转子磁悬浮控制系统正常工作并发挥其特点的前提条件之一。 目前所研究力传感器主要有测力轴承、应用于机器人中的应变式力传感器和压电式 力传感器，但是它们均不适用于力反馈转子磁悬浮控制系统，因此必须设计出一种适用 于力反馈转子磁悬浮控制系统的二维力传感器。该二维力传感器应用于力反馈转子磁悬 浮控制系统中，要兼具支承和测量的作用。它不仅能够解决基于位移控制磁悬浮系统中 的不足，而且能简化磁悬浮控制系统的结构，对以后磁悬浮控制系统的发展有重要的意 义。 在总结国内外力传感器研究现状的基础上，对力反馈转子磁悬浮控制系统的传感器 进行了设计和性能研究。首先，分析了力反馈转子磁悬浮控制系统对二维力传感器性能 的要求，确定了研究对象：其次，分析和优化力敏元件的结构与空间布置，完成了高灵 敏度、高刚度、高线性度和强解耦的二维力传感器的设计和研制。再次，阐述了动态条 件下传感器的力电变换关系，分析了多向力间的耦合关系及交叉灵敏度的影响，提出了 高频多向的测量原理和方法；最后，建立了机电耦合系统的动力学模型，研究了机电耦 合系统的动态性能，形成了完整的转子支承多向动态测量方法。本文完成的主要工作如 下： ( 1 ) 从力反馈转子磁悬浮控制系统的性能要求出发，阐述了选择压电式力传感器作 为二维力传感器敏感元件的意义，确定了敏感元件的圆周对称布局及差动连线方式，并 综合考虑转子试验台的特点，给出了二维力传感器的各个部件的设计要点，设计了传感 器的传力构件、预紧构件和壳体等部件及二维力传感器的整体结构，并解决了传感器承 载能力和力测量之间的矛盾，为实现力反馈磁悬浮控制提供重要保证。同时根据主要受 力部件的特点，利用a n s y s 建模对传感器进行了必要的强度校核，确定7 - - 维力传感 器的结构参数。 ( 2 ) 分析y - - 维力传感器的原理，利用a n s y s 和影响系数法，推导出二维力传感 力反馈磁悬浮控制系统的传感器性能研究 器的灵敏度计算公式。研究了结构参数对传感器灵敏度e 膨响，通过对仿真结果的分析， 得到结构参数变化对传感器灵敏度的影响规律，并解决了交叉灵敏度对传感器测量精度 的影响问题，发展了高频多向的测量原理和方法。 ( 3 ) 由于要兼顾传感器承载能力和力测量两方面的性能，不失真测量条件较难满足。 为此，建立了机械结构的动力学模型以及机械结构和测量电路耦合系统的动力学模型， 研究了传感器机械结构的幅频特性和机电耦合系统的幅频特性，对系统动态测量误差进 行了深入的分析，分析结果表明机电耦合导致测量精度的降低。根据工作频段的误差分 析结果，采用幅频特性修正的方法，给出了修正函数，对机电耦合系统进行了修正，结 果表明，修正之后，幅频特性误差小于l ，耦合系统具有较好的动态性能，满足了不 失真测量条件。 ( 4 ) 建立了二维力传感器机械结构和测量电路耦合系统的瞬态动力学模型。对机械 结构和耦合系统的阶跃激励响应和脉冲激励响应分别进行了仿真计算，得到机械结构和 耦合系统的瞬态响应曲线。分析了机械结构和测量电路的耦合对系统动态性能的影响， 结果表明所设计的传感器测量系统的动态性能满足力反馈转子磁悬浮控制系统的要求。 ( 5 ) 对二维力传感器机械结构的脉冲激励响应进行了实验研究：利用差动方法对实 验数据进行处理，得到了二维力传感器机械结构的脉冲激励响应和交叉脉冲激励响应， 与理论值作对比，结果表明采用的特殊结构设计可以有效的降低交叉误差；由于机电系 统存在耦合，二维力传感器动态性能变差，误差增大，为此进行了电路参数的调整，对 动态特性进行了修正，修正后二维力传感器机械结构的相对平方积分绝对误差、峰值误 差和交叉误差均大幅度降低，修正起到了降低测量电路和机械结构耦合带来的误差。 本研究的特色在于：在结构上，设计出一种适用于力反馈转子磁悬浮控制系统的新 型力传感器，解决了传感器承载能力和力测量之间的矛盾，为实现力反馈磁悬浮控制提 供了依据，保证了二维力传感器的一阶固有频嘞一远高于二倍工作频率肪，解决了交叉 灵敏度对传感器精度的影响问题；建立了二维力传感器机电耦合系统模型并研究了机电 耦合系统的动力学特性，形成了完整的转子支承多向动态测量方法：为了获得高精度的 测量，把机电两部分作为一个整体，并对机电耦合系统做了整体修正。 关键词：二维力传感器；力控制；转子；磁悬浮；准悬浮；伪悬浮；机电耦合系统； 静态特性；动力学性能 i v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o t o rf o r c es i g n a l sd e t e c t e db yt h es e n s o ra r et h eb a s i so ft h eb e a r i n gb e i n ga c t i v e c o n t r o li nf o r c ef e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m af o r c es e n s o rw h i c h c o n n e c t si n p u t sw i t ho u t p u t si st h ef e e d b a c kl i n ko ft h ef o r c ef e e d b a c kr o t o rm a g n e t i c l e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，s oi ti sa ni m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp o i n to ft h ew h o l es y s t e mr e s e a r c h t h ec o n t r o lp r e c i s i o no ff o r c ef e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sr e s t r i c t e d b yt h ef o r c es e n s o ru s e d o n l yd e s i g n i n gt h ef o r c es e n s o rw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sw i d e f r e q u e n c yr e s p o n s e ，s m a l le r r o ra n dh i g hs t a b i l i t y , f o r c ef e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o n c o n t r o ls y s t e mw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g h - s p e e d ，h i g h - a c c u r a c ya n dh i g h - s t a b i l i t y c a nb ee n s u r e d t h ef o r c es e n s o ri so n eo fp r e m i s ec o n d i t i o n sw h i c hc a nr u nn o r m a l l ya n d p l a yi t sc h a r a c t e r i s t i c si nf o r c ef e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m c u r r e n t l y , a l ls e n s o r sr e s e a r c h e di n c l u d em e a s u r i n gf o r c eb e a r i n g ，s t r a i nf o r c es e n s o ra n d p i e z o e l e c t r i cf o r c et r a n s d u c e ra p p l i e df o rt h er o b o t ，b u tt h e ya r ea l ln o ta p p l i c a b l ef o rf o r c e f e e d b a c km a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m s o ，a2 - d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o ra p p l i e df o r f o r c ef e e d b a c kr o t o r m a g n e t i c l e v i t a t i o nc o n t r o l s y s t e m s h o u l d b e d e s i g n e d t h e 2 - d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o rp l a y sar o l eo fs u p p o r ta n dm e a s u r e m e n ts i m u l t a n e o u s l yi nf o r c e f e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m i tn o to n l yc a no v e rc o m et h ei n s u f f i c i e n t o fm a g n e t i cl e v i t a t i o ns y s t e mb a s e do nd i s p l a c e m e n tc o n t r o l ，b u ta l s oc a ns i m p l i f yt h e s t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e mw h i c hi si m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h em a g n e t i c l e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hs t a t u so ft h ef o r c es e n s o rb o t ha th o m ea n d a b o a r d ，t h ef o r c es e n s o ra p p l i e df o rf o r c ef e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e da n di t sp e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d f i r s t l y , a n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t o ff o r c e f e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mt ot h ep r o p e r t yo f2 - d i m e n s i o n a lf o r c e s e n s o r , t h er e s e a r c ho b j e c ti sd e t e r m i n e d t h e n ，s t r u c t u r ea n ds p a t i a la r r a n g e m e n to ff o r c e s e n s i t i v ec o m p o n e n t sa r ea n a l y z e da n do p t i m i z e d ，a n dt h ed e s i g no f2 - d i m e n s i o n a lf o r c e s e n s o rw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hs e n s i t i v i t y , h i g hr i g i d i t y , w e l ll i n e a r i t ya n ds t r o n g d e c o u p l i n gi sa c h i e v e d t h i r d l y , u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hf r e q u e n c y , t h ef o r c ee l e c t r i c t r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n s h i po ft h es e n s o ri sg i v e n t h ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i pa m o n g v 力反馈磁悬浮控制系统的传感器性能研究 m u l t i - d i r e c t i o nf o r c ea n dt h ei n f l u e n c eo ft h ec r o s ss e n s i t i v i t yi sa n a l y z e da n dh i g hf r e q u e n c y a n dm u l t i - d i r e c t i o n so fp r i n c i p l ea n dm e t h o da r ep u tf o r w a r d f i n a l l y , t h em o d e lo ft h e e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e da n di t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d w h i c hc a nf o r mt h ec o m p l e t e dr o t o r - s u p p o r tm u l t i d i r e c t i o nd y n a m i cm e a s u r e m e n tm e t h o d t h em a i n w o r k s a e c o m p t i s l a c d a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em e a n i n g so f2 - d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o rc h o o s i n gt h ep i e z o e l e c t r i cs e n s o r sa s s e n s i t i v ee l e m e n ta r ed i s c u s s e df r o mt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ff o r c ef e e d b a c kr o t o r m a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m t h ec i r c u m f e r e n c es y m m e t r i c a ll a y o u ta n dd i f f e r e n t i a l c o n n e c t i n gm o d eo ft h es e n s i t i v ec o m p o n e n t sa r em a d es u r e c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h er o t o rt e s t ，t h em a i nd e s i g np o i n t so f2 一d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o rc o m p o n e n t sa r es h o w n o u t ，t h ec o m p o n e n t ss u c ha sp o w e rt r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t s ，p r e - t i g h t e n i n gc o m p o n e n t s ， s h e l la n dt h ew h o l es e n s o rs t r u c t u r ea r ed e s i g n e d t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns e n s o rc a r r y i n g c a p a c i t ya n df o r c em e a s u r e m e n ti so v e rc o m ew h i c hp r o v i d e sa ni m p o r t a n tg u a r a n t e et o r e a l i z ef o r c ef e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r 0 1 m e a n w h i l e ，o nt h eb a s i so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a i ns t r e s s e dc o m p o n e n t s ，t h es e n s o ri sc a r r i e do u tn e c e s s a r ys t r e n g t hc h e c k b ya n s y sm o d e l i n ga n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so f2 - d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o ra r em a d es u r e ( 2 ) t h et h e o r yo ft h e2 - d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o ri sa n a l y z e da n dt h ef o r m u l at oc a l c u l a t e t h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o ri sd e r i v e df i n a l l yb yu s i n ga n s y sa n di n f l u e n c ec o e f f i c i e n t m e t h o d t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r st ot h es e n s o rs e n s i t i v i t yi ss t u d i e da n di t s i n f l u e n c el a wc a nb er e c e i v e db yt h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s t h ei n f l u e n c ep r o b l e mo f t h ec r o s ss e n s i t i v i t yt ot h es e n s o rm e a s u r e m e n t a c c u r a c yi so v e rc o m ea n dm u l t i d i r e c t i o n so f p r i n c i p l ea n dm e t h o da r ep u tf o r w a r d ( 3 ) b e c a u s eo ft a k i n gi n t oa c c o u n tt h ep e r f o r m a n c e sb e t w e e ns e n s o rc a r r y i n gc a p a c i t y a n df o r c em e a s u r e m e n t c o n c u r r e n t l y , i ti sd i f f i c u l tt om e e tn o - d i s t o r t i o nm e a s u r i n gc o n d i t i o n s t h ed y n a m i cm o d e l so ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n d m e a s u r i n g c i r c u i tc o u p l i n gs y s t e ma r ee s t a b l i s h e da n dt h e i ra m p l i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca r e s t u d i e d ，m e a n w h i l e ，t h ed y n a m i c sm e a s u r e m e n te r r o r so fs y s t e ma r ea n a l y z e dd e e p l yw h i c h s h o wt h a tt h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gl e a dt ot h er e d u c t i o no fm e a s u r e m e n ta c c u r a c y a c c o r d i n gt ot h ee r r o ra n a l y s i so ft h ew o r k i n gf r e q u e n c ya n da d o p t i n ga m p l i t u d e - f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i cc o r r e c t i o nm e t h o d ，t h ec o r r e c t i o nf u n c t i o ni sg i v e na n dt h ee l e c t r o m e c h a n i c a l v i 济南大学硕士学位论文 c o u p l i n gs y s t e mi sa m e n d e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta m p l i t u d e - f r e q u e n c ye r r o ro ft h ec o u p l i n g s y s t e mm o d i f i e di sl e s st h a n1 a n dt h ec o u p l i n gs y s t e mh a sg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s w h i c hc a r lm e e tn o - d i s t o r t i o nm e a s u r i n gc o n d i t i o n s ( 4 ) t h ed y n a m i c a lm o d e lo ft h e2 - d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o rm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n di t s m e a s u r i n gc i r c u i t sc o u p l i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sa r ec a r r i e do u t r e s p e c t i v e l yt ot h es t e pi n c e n t i v er e s p o n s e sa n dp u l s ei n c e n t i v er e s p o n s e so fm e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n dc o u p l i n gs y s t e ma n dt h e i rt r a n s i e n tr e s p o n s ec u r v e sa r eo b t a i n e d t h ei n f l u e n c e s o ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n di t sm e a s u r i n gc i r c u i t sc o u p l i n gt ot h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f s y s t e ma r ea n a l y z e dw h i c hs h o wt h a tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fd e s i g n e dm e a s u r i n g c i r c u i t sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ef o r c ef e e d b a c kr o t o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o l s y s t e m ( 5 ) p r o c e e d i n ge x p e r i m e n t a l r e s e a r c ht o p u l s ei n c e n t i v er e s p o n s e so fm e c h a n i c a l s t r u c t u r e ：d e a l i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ab yd i f f e r e n t i a lm e t h o d ，p u l s ei n c e n t i v er e s p o n s e s a n dc r o s sp u l s ei n c e n t i v er e s p o n s e so f2 一d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o rs t r u c t u r ea r ea b s t a i n e da n d c o m p a r i n ge x p e r i m e n t a lv a l u e sw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e s ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es p e c i a l s t r u c t u r ed e s i g nc a r le f f e c t i v e l yr e d u c et h ec r o s se r r o r ；b e c a u s eo fe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m e x i s t i n gc o u p l i n g ，t h ep e r f o r m a n c e so fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e ma r ep o o r e ra n di t s e r r o ri sl a r g e r ，s oa d j u s t i n gc i r c u i tp a r a m e t e r sa n dm o d i f y i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，r e l a t i v e s q u a r ei n t e g r a la b s o l u t ee r r o r , p e a ke r r o ra n dc r o s se r r o ro fm e c h a n i c a ls t r u c t u r em o d i f i e d r e d u c eg r e a t l ya n da m e n d m e n tr e d u c e st h ee r r o ro ft h em e a s u r e m e n tc i r c u i ta n dm e c h a n i c a l s t r u c t u r ec o u p l i n g t h i sr e s e a r c hf e a t u r e s ：o nt h es t r u c t u r e ，an e ws e n s o ra p p l i e df o rm a g n e t i cl e v i t a t i o nf o r c e f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d i tc a no v e rc o m et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ef o r c e m e a s u r e m e n ta n ds e n s o rc a r r y i n gc a p a c i t ya n dp r o v i d et h eb a s i st or e a l i z et h ef o r c ef e e d b a c k m a g l e vc o n t r o lw h i c hc a r le n s u r et h ef i r s tn a t u r a lf r e q u e n c y no f s e n s o rf a rh i g h e rt h a n2t i m e s w o r k i n gf r e q u e n c y f i ：a n dt h ei n f l u e n c eo f c r o s ss e n s i t i v i t yt ot h es e n s o rp r e c i s i o n i so v e rc o m e ； t h em o d e lo ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e m i se s t a b l i s h e da n di t s d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c si ss t u d i e dw h i c hc a nf o r mt h ec o m p l e t e dr o t o r - s u p p o r tm u l t i - d i r e c t i o nd y n a m i c m e a s u r e m e n tt h e o r y ；i no r d e rt oo b t a i nh i g ha c c u r a c ym e a s u r i n g ，w ep u tt h em e c h a n i c a lp a r t a n dt h ee l e c t r i c a lp a r ta saw h o l ea n dt h ec o u p l i n gs y s t e mi sm o d i f i e di n t e g r a l l y v 力反馈磁悬浮控制系统的传感器性能研究 k e yw o r d s ：2 - d i m e n s i o n a lf o r c es e n s o r ；f o r c ec o n t r o l ；r o t o r ；m a g n e t i cl e v i t a t i o n ；q u a s i s u s p e n s i o n ；p s e u d os u s p e n s i o n ；e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e m ；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ； d y n a m i cp e r f o r m a n c e s 济南大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 目前，在转子磁悬浮控制系统中主要通过控制转子偏离其平衡位置的位移量，实现 转子无接触状态下的稳定悬浮，这种控制系统称之为基于位移控制的磁悬浮系统 1 】，其 控制系统工作原理如图1 1 所示。它的主要原理是通过传感器检测出转子偏离参考点的 位移后，控制器将检测到的位移量变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转 换成控制电流，控制电流在执行电磁铁中产生磁力从而驱动转子返回到原来的平衡位 置，维持其稳定悬浮位置不变。 目前基于位移控制的磁悬浮系统在各类高速旋转机械中得到越来越广泛的应用。它 具有无直接接触摩擦、无需润滑和密封以及可以主动控制等优点，由于没有机械摩擦和 磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了轴承的使用寿命；动力损耗小，更适用于高 速运转场合；由于不需要润滑系统，所以无污染，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【2 1 。 然而，随着转子朝着高速度、高精度、自动化和智能化的方向发展，传统基于位移 控制的磁悬浮系统的性能已经不能满足高速转子的需求，因