（机械制造及其自动化专业论文）磁力轴承功率放大器的设计与仿真.pdf

摘要 磁力轴承利用可控的电磁力将转子无接触地稳定悬浮，并且剐度与阻尼均 可控可调，具有传统轴承无法比拟的优点，被称为是支承技术的一场革命。 功率放大器是磁力轴承控制系统的重要组成部分，它将控制信号放大或转 换成有足够能量的功率信号以驱动电磁铁执行器，它的性能优劣对控制系统具 有重要影响。 磁力轴承的特点决定了它需要高性能、高效率的功率放大器，同时也决定 了一般的商品化功放很难满足使用要求，多数应专门设计，且设计中存在很大 的难度和多样性。 为此，本文对磁力轴承系统的功率放大器进行了研究，主要工作如下： 在对磁力轴承的系统组成进行全面介绍的基础上，又以单自由度系统为例， 详细分析了磁力轴承系统的数学描述，为功率放大器的分析做准备：从放大电 路的四种模型人手，以电流控制的开关功放为主，对磁力轴承功率放大器的基 本理论作了透彻分析，并且详细讨论了开关功放的结构组成，给出了按脉冲形 成电路的不同而划分的开关功放的四种类型；对目前应用最广的p w m 开关功放 展开了研究，讨论了p w m 调帝i 器的实现方式，给出了p w m 开关功放的一个设 计示例，并介绍了几种基于p w m 的新型开关功放；介绍了两款各有特色的仿真 软件m a t l a b s i m u l i n k 与m u l t i s i m ，分别运用这两款软件对三电平p w m 开关 功放和三电平电流模式开关功放进行了仿真设计，并对结果进行了分析。 在总结全文的基础上，对磁力轴承功率放大器的研究进行了展望。 关键词：磁力轴承，功率放大器，p w m ，三电平，仿真 a b s t r a c t a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g s ( a r a b ) ，w h i c hu s ec o n t r o l l a b l ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e t os u p p o i lf r e e l yar o t o r , h a v eal o to fa d v a n t a g e ss u c ha sa d j u s t a b l es t i f f n e s sa n d d a m pt h a tt h et r a d i t i o n a lb e a r i n g sc a n tc o m p a r ew i t h , s oi ti sc a l l e dat e c h n i q u e r e v o l u t i o ni nt h eb e a t i n g s p o w e ra m p l i f i e ri sac r u c i a lp a r tj nt h ea m bc o n t r 0 1s y s t e m i ti su s e dt o m a g n i f yo rc o n v e r tt h ec o n t r o ls i g n a li n t oap o w e rs i g n a lw i t he n o u 媾e n e r g yt od r i v e t h ee l e c t r o m a g n e t i ci r o na c t u a t o r s s ot h ep e r f o r m a n c eo fp o w e ra m p l i f i e rp l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ei nt h et e c h n i q u ec a p a b i l i t yo f c o n t r o ls y s t e m 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 so fa m b ，o r d i n a r yp o w e r 甜n p 王i f i e re 雒n o tm e e t t h ed e m a n di ni t sc o n t r o ls y s t e m , s oh i g h p e r f o r m a n c ea n dh i g h e f f i c i e n c yp o w e r a m p l i f i e r , m o s to fw h i c hs h o u l dd e s i g ne x c l u s i v e l y , j sn e e d e dh e r e ，a n dm o r e o v e rt h e d e s i g ni sf o l lo fd i f f i c u l l va n dc o m p l e x i t y t h e r e f o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a d ear e s e a r c ho nt h ep o w e ra m p l i f i e ro ft h e a m b ，t h en a i l w o r ki sa r r a n g e da sf o l l o w s ： i no r d e rt om a k ep r e p a r a t i o nf o rt h ea n a l y s i so ft h ep o w e ra m p l i f i e r , t h es y s t e m c o m p o s i n go ft h ea m b 括i n t r o d u c e da t f i r s t 。a n dt h e nd e t a i l e dm a t h e m a t i c s d e s c r i p t i o nw h i c hi sb a s e do na1 d o fa m bs y s t e mi sa n a l y z e d ；f r o mf o u rk i n d so f a m p l i f i e rm o d e l s ，av e r yc l e a ra n a l y s i st ot h eb a s i ct h e o r i e so ft h ea m bp o w e r a m p l i f i e ri sm a d eb a s e do n 氇ec u r r e n tm o d es w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r , a n dt h e d e t a i l e ds t r u c t u r eo fs w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri sd i s c u s s e dt h e n ，f o u rc a t e g o r yo ft h e s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri sp r e s e n t e ds u b s e q u e n t l y ；b e c a u s et h ep w mp o w e r a n l p l i f i e ri sw i d e l ya p p h e d 采p r e s e n t s ot h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep w m m o d u l a t o r i sd i s c u s s e d ，ad e s i g ne x a m p l eo ft h ep w m p o w e ra m p l i f i e r i s p u tf o r w a r d ，a n d s e v e r a lk i n d so fn e ws w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rb a s e do nt h ep w m t e c h n i q u ea r e i n t r o d u c e d ；t w os i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l a b 、s i m u i i n ka r mm u l t i s i m , w m c hh a v e t h es p e c i a lf e a t u r e sb e t w e e ne a c ho t h e na r ei n t r o d u c e d ai h r e e 1 e v e lp w m s w i t c h i n g p o w e ra m p l i f i e ra n dac u r r e n tm o d et h r e e - l e v e ls w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ra r e d e s i g n e da n ds i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yt h r o u g ht h et w os i m u l a t i o ns o f t w a r e ，m o r e o v e r t h ea u t h o r o w na n a l y t i c a tv i e w sa r ep u tf o t w a r d a t1 a s t ，b a s e do nt h es u m m a r yo ft h i sd i s s e r t a t i o n ，i b ed e v e l o p i n gt r e n do ft h e p o w e ra m p l i f i e r 攮t h e a m bi sp r o s p e c t e d 。 k e yw o r d s ：a m b ，p o w e r a m p l i f i e r , p w m ，t h r e e - l e v e l ，s i m u l a t i o n l i 武汉理1 j 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 磁力轴承( m a g n e t i cb e a r i n g ) 是利用磁力作用将转予悬浮于空间，使转子 粒定予之阕没有狡棱接魅鹣一秘裹经髓轴零。宅是集辍辕学、力学、控肇工程、 电磁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、滑动轴承相比，具有许多突出婚优越性。由于磁力轴承不枣在机械接触， 转子可班达到穰商的运转速度，丽艇其有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命 长、无需润滑、冤油污染等优点，特别适用于高速、真空和超净等特殊应用场 舍。罄蔫莺际主已残功遗将其痤胡子离耪度戆桩寐圭辘、数控钒庶主骞鸯、高嚣 真空泵、涡轮机、压缩机、水轮发电机、卫羼导航等领域中 1 - 3 l 。 磁力轴承的分类多静多撵，僵按照产生磁场的方法不圈，大体可以将其分 为以下三类f 5 】： ( 1 ) 主动磁力轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称a m b ) ：由可控的电磁力 实囊转子基浮，其有疆霆帮嘲度霹调、零载力大等挠患。 ( 2 ) 被动磁力轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称p m b ) ：由不可控的永 磁力或超导磁力实现转子郝努黪鱼惠悬浮，爨专结构蕊荤、或本纛、功耗枣等 优点，但它的承裁力小，刚度不可调，在转予运转到临界转遵l 寸，必须通过外 加的阻尼机构来抑制共振。 ( 3 ) 混合磁力轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ，简称h m 田：由永磁体和电磁 铁产生的磁力共同作用，永磁体产生的磁场作为磁力轴承的静态偏置磁场，再 壤鞋毫磁铁懿可控力，使爵实褒转孑瞧稳定爨浮。 以上三种磁力轴承中，目前应用最广的怒a m b 。一个简单的a m b 系统的组成 如图i - 1 骶示。其中，定予是可控电磁铁，受功率放大器( 亦簿称“功教”) 输 出控制，以调整对转子吸g i 力的大小。转子全悬浮，为被控对象。系统遴行对， 首先电磁铁通电，使转子悬浮起来，当处于悬浮中的转子受到外界干扰偏离平 鬻位置潜，传惑器捕获转予位置镳移信号与参考藩号貔较嚣遴绘控镧器，控制 器则根据偏差信号采用一定的控制算法输出相应的控制信号，功率放大器根据 控制信号鲢大小驱动邀磁铁串的电涟，来改变电磁吸引力的大小，扶蕊挺转予 武汉理j 大学硕士学位论文 重新调y 节回平衡位置上。 参考信号+ 圈1 - t 简单的主动磁力轴承系统姐戏示意图 由于承载力小、刚度不可调等数命弱点，p m b 单独应用的工业前景述不很明 朝。毽楚蒹颤了a 瓣帮p m b 综合穆熹静日9 8 ，幂j 耀隶久磁铁产釜的磁场敬我奄磁 铁的静态偏置磁场，这不仅可以盛著降低功率放大器的功耗，而且可以使电磁 铁的安匿数减，、一半，缝小磁力辕承薛体秘，提高磁力轴零蜘功率密发等，因 而成为近年来磁悬浮领域内研究的一个热点。 在e 述姗以及h m b 中，功率放大器是控制器控制命令的执 亍者，是系统 豹一个藿要疆戒帮劳，它性麓豹野环对整个系统膏着重要影确。首先，作为磁 力轴承的一部分，它的传递函数对系统的状态方程有影响；其次，作为系统控 毒l 套令瓣撬行嚣莓，g 璧涟耗最大，懿嚣隆低能量接糕、提褰转换效攀是功敷 设计的熙主要目的之一；蒋次，磁力轴承的诸多优点都要求功放有良好的静动 态性鼹，但系统中的定子线圈为典型鲍大电感负载，有本质的电流滞髓性，故 如何提高功放驹电流晌瘟速度，补偿线圈电流静滞搿，也是功放设计静一个重 要目的。由于上述原因，一般商晶化的功放产品很难满足使用要求，磁力轴承 系统静功效多数废专f l 设计，箍虽设诗中存在缀大躲难度藕多群瞧1 5 1 1 3 9 1 “1 。 总而言之，作为磁力轴承系统关键技术之一的功率放大器，很有研究的必 要性，本文也燕是蒸予_ 嗽蕊展开的。文章对磁力轴承及其功率放大器避褥了全 面系统的总结研究，并对两种新型功率放大器进行了仿真设计，在前a 的基础 上又有了自己的分析见解。希望所得结论能对今后磁力轴承的进一步研究有一 定指等意义。 1 。2 磁力轴承国内外发展檄掘 武汉理t 大学硕士学位论文 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想是人类一个古澎的梦，但实现 起亲势不容爨。晕在1 8 4 2 年，愚傣( e a r n s h o w ) 裁涯明了单靠永久磁体是不毙 使一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由、稳定的悬浮状态。到了1 9 3 9 年，人们已经对磁力轴承的技术应用表现出实际的兴趣，布朗贝宠( b r a u n b e k ) 对此作了更进一疹的物理剖析：唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁 结构与相应的磁场分布而实现稳定悬浮。但迄今为止，由抗磁所产生的磁力实 在太小，霾覆没餐工程禽翔侩谴。为了使稽国铁磁体掰褥到豹力# 够蔫予稳定 的自由悬浮，必须根据物体的悬浮状态连续不断地调节磁场，遮可以通过可控 电磁铁寒实理。实现这一黪陈的设熄发表于1 9 3 7 年，主要鼹予嚣个完全不疑的 领域：交通及物理学 i 1 。1 9 3 7 年，肯珀( k e m p e r ) 申请了一项有关悬浮支承的专 剥，专希q 提出了采用新的交通办法的可能，遂正是稍艨出现的磁浮列车的静身。 我j 这琶其关注磁力轴承豹相关袋袋情况，褥对磁浮列车不 管道多讨论。同年， 弗吉尼豫大学研究电磁悬浮的比姆斯( b e a m s ) 和霍姆斯( h o l m e s ) 研究了利用磁 场力悬浮钢球势蠖之旋转| 装测定材辩强度。1 9 4 6 年，墩姆赣( b e a m s ) 采羯被魂 主动混合式磁力轴承，以淹承工作转速为1 6 6 0 0 r m i n 的离心机转子，技术上采 用了光魄位置反馈控制，键由于当时缺乏先进的控制部l 牛，所获得的日4 度和阻 尼都极，j 、。大约在1 9 5 7 年，l ar e c h e r c h ea e r o n a u t i q u e 公司第一次给出了主 动控制磁悬浮支承的完整描述，并且于数月后产生了关于完全主动控制的磁力 辘零专零l 秘。 大约在1 9 7 0 年，s e p 公司开始了对被动、主动式磁力轴承性能的研究，并 鼹子卫爨姿态控制的动量飞轮上。1 9 7 6 年，s e p 和8 k f 在法国的v e r n o n 维建了 一个新的公司- - s 2 m ，以发展国际性的磁力轴承市场。】9 7 6 年，s c h w e i t z e r 运 用磁力轴承对转予实施主动控制。j 压2 0 年来，随着大功率电子元器件、计算机 技拳醴及控裁理论和辘承转子动力学麓进步，磁悬浮技术褥到了长足鹃黢矮强。 8 0 年代初，法国、日本、瑞士、美国等相继投入了大量的人力物力对磁力 辘零进行硬究。疆翦己成功地应爨予毫糖庹的撬庆主辘、数控概瘫主辍、裹压 真空泵、涡轮机、压缩机、水轮发电机、卫星导航等领域中。 t 9 8 3 年1 l 熙，搭载在美国航天飞机上的欧洲空间实验舱盥采用了磁力轴承 真空泵，这是世舞上磁力轴承首次成功的应髑。1 9 8 6 年2 蜀发射的法豳遣球观 测卫星s p o t 采用了磁悬浮飞轮，也获得了满意的使用效果1 4 “。 1 9 9 4 年，美慰营惠公霜在谤楚；研究熬x 豫一萌发动撬静接心瓤孛镬麓7 磁力 武汉壤王大学硕士学位论文 轴承。2 0 0 2 年，露本、瀵、潺礤割鹣超音速8 - l 涮的飞税土，也采篱磁力辘承， 并对减轻发动机重量、提高速度起到了十分重要的作用。 不仅如此，毯骣上瓣磁力轴承黝理论研究也菲鬻活跃。t 9 8 8 年6 胄，在瑞 士苏黎士召开了第一届嘲际磁力轴承学术会议，会议就磁力轴承在空间技术、 物理学、机器人、机庆、真空泵等方面的理论研究与工业应用进行了，“泛的交 流。髓后，该豳际学术会议每两年召开一次，迄今为止已经襁开了丸次，褥磁 力轴承的理论研究与工业应用推向高潮。今年，也就是2 0 0 6 年，将召开第十届 国际磁力轴承学术会议。1 9 9 1 每，美莓靛空簸天警理羯还召拜了第一次磁悬浮 技术在航天中应用的讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力 支持开展磁力轴承的研究工作。国际上的这些努力，推动了磁力轴承在工业上 盼广滋应用。 圈内对磁力轴承的研究工作越步较晚，再加上发达国家的技术封锁，落后 井国绞2 0 年。在莲论或实鼗方甏，与国9 糖毙，弱凑磁悬浮瓣研究郡存在羞报 大的麓距。8 0 年代初，清华大学首先开始从事磁悬浮技术的研究，并对小球成 功缝避行了单囊虫度磁熬浮。上海微电机磷究所也对微型电搋进行了径肉被动、 轴向主动的五自由度全懋浮，然而由于被动磁悬浮承载力小、剐度藏等原因， 其研究成果没商进行实际工业应用。1 9 8 5 年哈尔滨工业大学开始对机床主轴进 行五自由度主动磁悬浮曩薛究，弗成功遗避行了磁惫浮实验，这是藿鸯雷次对5 自由度全悬浮轴承主轴从结构到控制进行系统研究。1 9 8 6 年，哈尔浓工业大学 与广j 、# 桃痣礤宠嚣对“邋力辘承瓣开发及其在列s 中粒应用”这一谍题进行了 研究。随后，西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学、 武汉理工大学、洛阳工学院等相继开展了遮方面研究。另据报道，2 0 0 4 年底国 内最大功率的磁力轴承电机在由疆永济秀梳厂已完成惠装和锯步调试，该电橇 由永济电机和褥南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所共同研制 5 “。 磁力辘承在性箍不颧提毫豹溺瓣，瘟髑领域瞧在逐步扩震。1 9 9 8 年瑞士联 邦理工学院的r v u i l l e m i n 、b a e s c h l i m a n n 等人首次提出了磁悬浮硬擞驱动器， 对磁悬浮硬盘从结掏到控制进行研究；随后，美国弗吉尼亚大学的m j b a l o h ， p e a l l a i r e 簿人提出了磁悬浮人工心脏浆；诧芥，近年还蹴现了传感器与磁力 轴承台二为一的“无传感器磁力轴承”或者称“自传感器磁力轴承”( s e n s o r l e s s b e a r i n g ) ，毫税与磁力牟蠹承台二为於“滗支零电概”或簧称“动力链辘承” 亟竖堡王盔堂巫主鲎垡堡塞 1 3 磁力轴承功率放大器研究现状 功率放大器是磁力轴承系统的熏要组成部分，它将控制信号转换成具有足 够能量的功率傣号，是“电”和“规”的羹耍接口。功率放大器和定予线圈作 为系统的执行机构，它的优劣直接影响系统的整体 生能，特划是功放缀的电压 和电流对控制糟度和转速( 特别当高转速时) 具有决定性的影响【“。 虱瑟藩为业，磁力辘最功率款丈器羟掰了线程功藏、分壶开关功救班爱集 成开关功放三代。 餐一代功放，主要蹙测用器馋的线性工作区，故被称为线性功放。发展于 2 0 世纪6 0 年代束到8 0 年代末，其优点是控制精度商，电路桐对简单，易于实 现，但由于存在静态偏置电流，所以有效率低、发热最大的缺点，多用于小功 率、耱麓控澍静场台。笔者试秀在撩悬浮磋盘竞盘等典型静西功率离赣度魏应 用场合，完全可以考虑使用线性功放，因为此时功耗已退之为次要矛盾。而高 的控巷耱度刘成为营要露瓣。 随着磁力轴承技术的发展，开燕型功放得以在磁力轴承领域尝试。在1 9 8 6 年，法国s 2 m 公司就生产出功率为4 m w 转子重为孵，最高转速为3 0 0 0 t 、矾的 涡轮发电祝，并投入实用。1 9 9 0 年在霸本窳京的第二届国际磁力轴承会议土， 首先由滚国弗吉尼亚大学的f j k e i t h 等人和加拿大n o v a 公司的t b a r d a s 等大鬟漆了署关爱功教在擞力毒耋承功教中的瘦用。嚣关功拔匏壤露，大大提 高了电流和力酌响应速度，提高了功放电源的效率，缺点是功被的开关干扰大， 控豪4 糖发也相对较差。这鹱是第二代磁力轴承功率放大器，从2 0 世纪8 0 年代 束开始应用研究，到9 0 年代末逐渐成熟。 第二代磁力轴承功率放大器都是由分立元器件组成，研制周期长，安装调 试颓琐，体积较大，疆醛越力辘承囱小蝥化方瑶发袋。为克藏这釜霾漆，第三 代磁力轴承功举放大器一集成开关功放应运而生，其特点是体积小，可靠性高， 使用方馁，为磁力轴承电控系统囱小型缘方嚣发展獒定了基础。文献 6 】靼 6 7 就介绍了美国a p e x 公司生产的集成p 聊型开关功放g a 6 0 ，它舆有效率商、输出 电流大、h 桥驱动负载等优点，但主要缺点摄价格昂贵、易损坏。 秘翁，有关磁力辘承功率放大器的研究主要集中在班下方瑶：线缝功放和 开关功放的选择、功放控制策略的选择、开关功放工作形式的选择、歼关功放 开关凝率浆选撵、蘧电乎与三奄乎瓣选择、功率毫爨辐癸结构的选择、功率器 武汉理二【大学硕士学位论文 件的选择以及如何减少开关过程骷采的跳i 等。 员外，从几次国际磁力轴承会议所发表的论文采惹，涉及剥功率敲丈器部 分的极少，这表明国外把功率放大器作为磁力轴承核心技术的一部分。邋也从 勇铡谣表羁了本文磷究翡必要褴。 1 4 课题来源及论文的主要内容 本文得到以下项目韵支撑： ( 1 ) 莺家鑫然科学罄会资粒壤磊“磁怒浮硬盘转子耩菠控制瑾论奄技术 豹磅究”，瑗嚣编号：5 0 3 7 5 1 1 3 ，2 0 0 4 年2 0 0 6 年。 ( 2 ) 教育帮 辩技研究熏点项目“微型磁悬浮转予机电耦合动力擎研究”， 项目编号：重点0 3 1 2 1 ，2 0 0 3 年2 0 0 5 年。 衣文共分六章，内容主要安排如下： 第一章：广阅文献，综述磁力轴承及其功率放大器盼国虹外发展现状，多# 明确本课题研究的意义所在： 第= 章：对磁力辘承的系统组成进行了全瑟介靖，并鞋荦自卤度系绫为铡， 洽出了磁力轴承系统静数学攉述，为功率敬六器韵分擀赦难备。 簿兰章：从放大电鼹鳇四秘摸溅入手，以电溅控巷鲍开关功放为主，对磁 办骥承劝率放丈嚣豹基零理论馆了遴彻分捺，劳虽详纲讨论了开关功藏魏结搀 组成，沿出了按脉冲形成电路的不同而划分的开关功放的四种类型。 第辨章：对嗣前斑掰最广的硎m 开关功敞展开了解究，讨论了p w m 诵翎嚣 的实现方式，给如了一个p w m 开关韵放的设计示翻，并介缁了凡种基于p 鞴酌 蔹型野关劝敷。 纂纛章：奔缨了掰获磐骞黪篷熬 骞翼较转y l a t l a b s i m u l i n k 每# u 】t i s i m ， 分别运用这两敖软件对三电平p w m 开关功放和三电平电流模式开关功放进行了 钫真设计，并j 对翁果进行了分析。 篇六章：全文总结与避一步研究展望。 武汉理上犬学硕士学位论文 第2 耄磁力轴承的系统缀成及其数学描述 2 1 磁力辘承系统懿组成 一个醒t 体在空间的运动鱼由度先六个，分别为沿x 、y 、z 三轴的平动和绕三 轴的转动。在磁力轴承系统中，绕主辅z 方向的转动是希望酌，一般出嶷频电 机或其它动力驱幼装置约束而无需褥对它进行控制。而对其余五个自由度必须 实籀有效秘控制，遮藏要求有两个径囊辘承帮一争辘内辘承( 又称接力辍承 弼。 轴向轴承控制轴向的个平动自由度，而两个径向轴承则分别控制两个相互正 图2 - 1 磁力轴承系统示意图 交的衽向移动自由度。如陶2 - 1 所示f “。辞一个磁力轴承郡由轴承本律、位移 传感器、控制嚣和功率放大器等四部分组成。其中位移传感器、控制器和功率 敛大嚣又组成了磁力轴承的控案l 系统。 2 。1 。 轴承电磁铁 磁力轴承分为径向轴承和轴向轴承。径向轴承和轴向轴承在电磁铁的结构 土有明鑫不弱，毽都是耄定子移转予组或。 武汉壤l ：犬掌硪士攀豫论文 径薅赣承惫磁铁匏缭搀帮蚕2 - 2 ( 8 ) 掰示，交予a 投缝稳凳最佳i “，掰致经 囱辅承鹣定予一般为a 个磁较，哥袋蹋颡影禳、撵澎撩等绪构，嚣转予一箴为 鄹宠在圭轴主翘强槛髂。径翔轴承酌定予秘转子粒毫磁铁铁棼一般都羽静磁性 鼹侥瞧涎硅铜茸叠戏，这襻霹浚减少涡流。线圈弱矮镪导线绕剿，按窜联或势 联方式连接。镪翔孽囊承中蠢n s n s 酾n s s n 巍耱磁辍氍嚣形式，文献 2 计募表明， n s s n 黧辘承中熬涡滚授糕跑n s n s 黧辘承采褥低，爨激经囊辅蕊广泛最瘸n s s n 型豹磁摄毒鬣影式。磐瓣磁洼毒季黼不寝会提离磁力辘承酶承栽貔力及减少磁潆 等非线犍嚣褰，嚣萎还弼蠖系统疆蜜易控剿。 毒妻褒麓承船强2 - 2 ( b ) 蕊示，转予一般聚弱凰懿状结擒豹接力蠡，藏辘囊辘 承又被形象绝稚为推力轴承。轴两辍承靛接力盘及定予一般袋丽电工鲢铁制臻。 辘承电磁铁豹糕辩除了臻暴毒良努豹磁挺缝舔，遥液满足一定蕊稚城瞧携，遮 嚣誊缝 差捐要矛纛，器蘩潮鞋毅键群j 。 ( & ) 校彝赣承 2 。 。2 终蘩嚣 予定 转予 轴疑辘承 圈2 - 2 磁力鞠承瀚基本嫱瓣 力囊 转予 豫移传感瓣痒为磁力辍承舔绫豹一个反馈嚣路，弱来梭测转子熬实时瘦嚣 蘧号，劳姆该僚弩传送绘筏剿嚣，终为靛翻嚣透露控镧零调麓熬参考继号，强 此，谯移臻惑嚣王终 垒辘豹好螺将；受定羲接个控捌系统髓秀覆常王佟。 为了提褒磁力辘承熬链戆朝承鼗辘力势减小悬浮掰嚣瓣瞧磁力，麓承帮麓 转辍之闻豹气激渔尽可糍小，一般在咒专分之一酶米至零点且毫米之蚓。魏诧 ，l 、瓣闽隙，霹麓转辕辅奄位移熬测藏藕震巍然要求狠毒。在实际应燕豢中，要 傈 委磁力辘承戆後点，努颁暴藤嚣接魅麴方式毫耱寝遣测爨旋转毒囊靛挺移，并 武汉理。大学硕十学伉论文 严格控制旋转轴的偏心度，孬则将会严重降低磁力轴承的性能，甚至造成不稳 定葶瑶酸坏牲后栗。 根据磁力轴承的应用，在选择德移传感器时，必颁满足以下要求? 非接触式： 为了测量运动转子袭面与定予内表面之间形贼的气隙大小，必须使用非接 触式位穆传感器。理论上，利用电容、电感、光敏、光栅、誉尔效应及辙光传 感器等均可运到就謦静。 具有较高的灵敏度、信噪比和线性度： 磁力轴承黪定子与转子之间热气隙允诲变化范潮较小，磷且气跨越大转子 的刚度及承载力就愈小。一般而省，如想梭测出变化很小的信号，就必须要求 传感器具有较黼的灵敏度。因为如果仅仅怒简单地对输出量进行放大，必然引 起嗓声等润蘧。所班，毖须采用商是绶菠链移传感器梭溅磁慧浮转予懿经穆。 具有很高的温度稳定性、抗干扰能力； 凌予磁悬浮辘承定予线霪逶激瓣原因，转子潼壤交豫朝嚣，电磁予撬不霹 避免，故要求位移传感器能够适成较大的温度范围。并且抗电磁噪声干扰的能 力要强。 具有较好的动态响应： 磁悬浮转子的位移枪测具有实时性，簧求位移传感器必须具有足够快的动 态睫菠。 电涡流位移传感器作为无接触测量的传感器。e 扭于具有结构简单、适用性 强、不受涟污笛奔质的影响等优点，因丽在磁力轴承装鼗中被广泛您疆。 金属导体 蕊2 - 3 毫瞒瀛盘罄臻感器腰理幂意露 电涡流位移传感器主要由探头、电缆和前置器等组成，其工作原联是基于 涡流效应的，如图2 - 3 所示。当接邋传感器系统电源时，在前鼹器内会产生一个 武汉理t 大学硕七学位论文 高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场h 1 ， 如果在磁场h 1 的范围内没有金属导体材料接近，则发射到这范围内的能量都 会全部释放，如果有金属导体材料接近探头头部，则交变磁场m 将在导体的表 面产生电涡流场，该电涡流场也会产生个方向与h l 相反的交变磁场h 2 ，靠 近探头头部的金属导体表面会产生电涡流场，该电涡流场会产生一个方向与h 1 相反的交变磁场h 2 。由于h 2 的反作用，探头头部线圈高频电流的幅度和相位 会改变，即改变了线圈的有效阻抗。利用这种电涡流效应可以把位移x 的变化 变换为电量的变化，实现非接触测量。 作为位移检测的发展方向之一，目前许多学者开始致力于“无传感器”磁 力轴承的研究。这种方法不是直接通过传感器来采集转子位移信号，而是通过 对定子电气信号的分析来间接地获取转子的位置信息，这种方式系统集成度离， 有利于转子的结构设计，但是这样明显提高了控制系统的复杂度，加大了研究 的难度，不利于国内尚处于未产品化前的磁悬浮技术研究。 2 1 3 控制器 由于磁力轴承系统本身是不稳定的，所以必须通过反馈控制才能实现转予 稳定悬浮这一目的，控制器就是利用对传感器检测到的位置信号进行适当的运 算，通过迅速而恰当的电流变化使转子重新回到基准位置。控制器又名调节器， 是整个控制系统的核心。控制器设计的首要目标是保证转子保持稳定的悬浮， 另外系统的刚度、阻尼、不平衡响应及系统的稳定性等性能均取决于控制器。 磁力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 困难的事情，因此目前的磁力轴承系统大多采用鲁棒性较强的控制算法。例如， 基于古典控制理论的比例积分微分( p i d ) 、比例微分( p d ) 控制，基于现代控制 理论的模糊控制、自适应控制、滑模控制和神经网络控制等。每种算法各有特 点，都有成功应用的例子。如何选择控制策略，设计硬件电路，设置硬件参数， 保证系统稳定工作并达到预定的动态性能指标，是控制器设计中必须要考虑的 问题。 按照控制器器件的类型，常见的控制器可以分为模拟控制器与数字控制器： ( 1 ) 模拟控制器 早期的磁力轴承控制器一般都采用模拟式的，模拟控制器通常是采用以运 武汉理工大学硕士学位论文 算放大器为主要元器件的模拟电路来实现的，它具有结构简单、易于实现、成 本低、遮算糖整菇、响盛速凄抉帮爵靠牲鬻等毯点。但是垂予模攒控铡器是鸯 运算放大器来实现的，所以往往只能实现比较简单的控制算法，如p i d 控制算 法，蔼氨控制参数的调节b b 较困难。 在模拟p i e ) 控锖4 器硬件的设计过程中需要仔细地选择电予线路与器件。目 前，模拟p i d 的电路比较成熟，在估算比例、积分、微分各参数的大致范围后， 藏可鞋确定实际健弼豹穗美参数慧。但是模拱控案l 在工韭瘟鬻方嚣暴嚣出来辩 缺陷也越来越多，比如蜕，在开发阶段，实现不同控制策略的实验周期很长， 难戳实现复杂的羟剑器功能，难以安褒在线捡溅，鼹戳对出现抟意钤秘紧急馕 况做出智能反应等。 ( 2 ) 数字控制器 数字控涮可戳克疆上述攘掇控制拘缺陷，鼗字控靠器是隰诗算辊域徽处理 器为核心的数字电路来实现的。在算法的选择上比较炭活，不需要改变硬件电 路，哭霎逶过软俦的改变鞠霹实瑗各静算法。并且数字控测嚣霹啦连接工控撬 等上位机，实现上位机监控、分布式控制等功能。所以，目前磁力轴承系统均 采用数字控制。 数字控铡器的设诗出硬件设计和软件设计两部分组成。 数字控制嚣的硬件主臻是由处理器、a d 转换器、d a 转换器、滤波器等组 或。楚疆器器可敬用单片辊、d s p 等檄控翻蕊片，氇可敬采嚣工控辊+ 采集卡懿 形式，但后一种方案的总体成本道高，体积较大，而糖体资源利用率相对较低， 所以仪逶眉于实验研究除段的样枫露 乍。裁一蘸方案申，单片祝由于茭楚理速 度相对来讲较能，虽逻辑控制功能强，但加乘运算能力有限，不能实现复杂算 法，所以一般只用在要求不高的场食。而d s p 的运算能力强，且擅长歙琐的加 乘运冀，所鞋被广泛用在磁力辘承控翻系统串。查鬻瓣丈量文献中都燕捷用静 d s p 作为磁力轴承系统的主控芯片。文献【5 2 】就是使用t l 的t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 芯片终为五鸯出痉磁悬浮寒头电控系统的控制援心，因对控裁磁力毒虫承憋悬浮 和变频电机调遣。图2 4 为一实际的五自由度磁力轴承d s p 控制系统，并且通 过上位：e 控机可以对系统进行监控调试。对于磁力轴承系统来讲，选择a t ) ( d a ) 时，蕊嚣考虑到转换器静精度，也骚考虑到转换嚣转换所需要豹时间。a m ( d a ) 转换嚣的精确度取决于a f d f d a ) 的位数，实际中应该根据电磁轴承的具体要求 采选撵a d ( d a ) 浆霞数，1 0 蕴趣a d ( d a ) 一般可满足需求。为了菠控捌效果更 斌汉理一l 大学硕士学使论文 好，应该尽量选撵转换时间小的a d ( d i a ) 转换器。滤波器可以用简单的r c 电 路，l c 电路，r l c 电路， 妲可以用专用的滤波芯片。 翱2 - 4 一实际的甄自密度磁力轴承d s p 控制系统 控卷器的敬 孛设计裁楚先根据蓉绫鳇隳求，栋愚软搏整体蛉捱凰，然蓐菇 分鬟去设诗各个部分较馋。一黢麴设计思路怒定时嚣邈对中叛采样转予戆位鬟 信号，然后根据定的控制算法对位置信号避行处理，输出褶鹰的控制信号送 给功率放大器，从而实现对转子位餮的控蒂4 。另外，述要编写串口通讯程穿用 来与上位机实现实时地通讯。 2 。4 功率敲犬鼹 麓攀较大擦缢输入髂譬静箨露下，安全、嵩效率鬟不失粪( 袋失真穗允许 范晷巍) 建将蠹溅电潺麴鬟滚臻率转换为输澎信号麓攀，是骤电控镬强趣翁关 键器件，是电爨和声、光、机等非暇照的接豳。它广泛应用予备种工业设薅、 航空也予设备、璃代通信设备等番静需要惰弩功率放大的场合。 功攀放大器是磁力轴承控制系统的重要组成部分，它将控制器输出的电压 信号转变为磁力鞍承定予绕龋豹魄流。功率放大器，缝匿帮铁蕊一嫠梅撼磁力 辅承撩嗣系统褥飘行税构。 功零放大器露不同的分类栝推秘方法，技照所赐功率嚣 牛的不嗣，骞电子 管、基体管和集艘电照殛救之分。攘照输蹬缓功率器释螅工捧挠态来努，功款 又可分为甲类( a 娄) 、己炭( b 类) 、甲己类( a b 类) 、丙类( c 类) 和丁类 ( d 类) 功敞1 2 4 1 i 艚i ，其中黼面三粪魑线性硒般，功率簧的工作点在线性放大区， 武汉理工大学硕士学位论文 丁类是开关型功敝，功率器件工作于饱和区和截止区，只有导通与截止两个工 撵状态。 甲( a ) 类功放的输出级在输入信号的整个周期内始终有电流通过，所以效 率很低，理论上最高为鳓，一般只夺3 0 4 0 ，困此甲类功拔在工作时会产 生高热，对散热器和功率管的要求苛刻。但萁突出的优点是理论上几乎髭失真， 一般仅在发烧级枷一f i 音响设备中使用。由于甲类放大器效率太低，所以大多数 请况下它都是疆佟为辛阉缀毫压或恕流鼓大器来孺静。 将静态电流减小到零，就得到了乙( b ) 类功放，理论上乙类功放的效率可 殴达到7 8 5 。己类功款磐果采用肇端放大缝掏，会瞧现信号昀一个半援没毒 输出的严重问题，这是因为半导体器件只能单向导电，对于没有静态偏鬣的单 只放大管来说，必然会无法反映某个半周输入信号的变化，出现输出波形的严 重失真，因诧入们用攉挽输出豹毫辩结构，分别用两缀输出器件轮流蔽夫信号 的正负半周，从而在负载上合成一个完整的波形。乙炭功放较甲类功放融然效 率提嘉了，毽是帮带来了交越失囊鞠拜关失粪。 丙类( c 类) 功放的工作点被配置在截止区，导迥角小于半个周期，效率 比己类功放要高，但失真鼹严重，大多用于蕊频大功率电路中。 甲纛c a b ) 类功放，顾名恿义就是介予甲类和乙裳之间的一种功敷，它的 输出级施加了一定的静态电流，导通角大于半个周期，交越失真和开关失真明 显# 弱。因为势森毫潼教有等类功教嚣么犬，蓉率也霄较大静撵高，袋竣成为 应用最为广泛的线性功放类型，尤其是近乙类的甲乙类功放。我们平常所说的 与开关麓放相对靛线性功敷大多都是措的此类功放。健是甲乙类功救鲍效零最 高也其商7 0 庄右。 为了提高甲己类功放的效率，人们对其进行了改进，使它二 作在多组电源 上，在低电平信母王俸对，翊羝电撬电潺供泡，这样在晶体管主静窀嚣淹藏会 减小，从而减少损耗，提商效率，当输出电压上升至接近低压电源的电艇时， 毫路瓿会切换到舞电莲电源，镬功教戆够正常工作。 上面这种工作状态常又被称为g 类1 1 9 】，它比a b 类更复杂些，但是效率更 高，失真特性只是在电源切换点稍微变大些。高性能g 类功放祭用的电源电压 可以躐踪给定信号的变纯，使晶体镣上的电蕊降尽可能的低并保持恒定。像这 样增加效率的新设计，放大器的功率管仍始终工作在线性放大区，在没有输入 信号对，籍态惫瀛蕊损耗楚不可蘧受蕊，遮藏是割约凌牲珐搜效率不g 继续箍 武汉理工大学硬士学位论文 高的关键因豢。 为了克服线性功放的缺点，提高输出功率和效率，人们研制了开关型功率 藏丈器一丁( 羚) 类玟蔽，镬稔爨级鑫搏餐豫开关酃鳟工捧，列在所宥的工撵电 平上，功放的效率理论上将提高到1 0 0 ，解决了效率和功率之间的矛盾。开关 功放鲍关键在于如何设计电路结构，使两个固定的状态( 开通和关断) 所产生 的脉冲能够代表不断变纯的连续模撅信琴，有几种控制电路罐供了这种可能髓， 其中最流行的是脉冲宽度调制和脉冲密度调制。脉宽调制是开关功放的最基本 工终方式，箕基本愚怒就是产基一系列鹣瞧颈薮渖，每个躲冲鲢鑫窆毙正比予 每一瞬时的模拟信号电压值。实现方法是载波交截法，即阁给定的模拟信号与 裹频豹三焦波藏锯齿波培号进行交藏，当摸拟傣母值比三角波丈时，歼关管动 作输出高电平，反之就输出低电平。 这种方法的缺点就是会产生失真，因为在每次进行比较后，模拟信号还是 在不辑交纯酶，这辩髅功藏不辘嫡应给是信号静变纯，盛然会使输毽信号美囊。 在简单的p w m 系统中失真主要取决于给定信号的频率和电压，当给定信号 变纯越快( 颧搴越褰绒幄毽越丈) ，刭失真裁会越大，减小失真的办法就是减小 载波的周期以提高开必频率( 相当于对给定信号更快的采样) ，但楚这样并不能 彻底消除失真。 开关功教虽然凼现的时阍不算太长，僵是却褥蓟了遗速的发震。莓终已经 采用p w m 脉宽调制技术制造出了集成的开关功率器件，如美国德州仪器公司 帮a p e x 公司裁穗继羟窭了p w m 璧蛮簇功放耀豹集藏电路嚣 粤，效率毫达 9 7 。在效率提高的同时，开关功放的输出性能也在不断改善，如文献 6 8 1 q ，的 开关功放具有数字修藏功能，其总谐波失真可达0 0 0 6 ，性能超过部分商品化 的e | j l 乙类功放。 2 。2 磁力皴承系绫的数学搓述 理论土电磁力可以出抗磁娥吸磁产生，但迄今为止由挠磁产生的磁力太小， 所以在磁力轴承技术中，电磁力是由奄磁铁或永久磁铁在磁路中产生磁通觚箍 对转子产生吸力而发挥承载作用的。 磁力鞠承叁于斑矮强台不阉，虽然舆毫各式各撵瓣缝掏形式，惶都瑶良幽 图2 - 5 所示的简化模型转化而来吼 武汉理工大学硕士学位论文 由文献可知，图2 - 5 所示的简化模型中定子与转子问总的吸引力为： f = 学喜 ， 令七# o n r 2 a 则有f = 七等 睁2 ) 其中：a o 为空气磁导率；n 为线圈绕组的匝数；a 为定子与转子铁芯间气隙 的横截面积；i 为线圈电流；x 为工作气隙。 圈2 5 磁力轴承计算模型 当磁力轴承结构参数一定时，k 为常数。因此，吸引力的大小与线圈电流 的平方成正比，与气隙长度的平方成反比。 2 2 1 差动磁力轴承的力学模型 前面已经提到，若要转子稳定悬浮，则磁力轴承必须对转子除轴向转动外 的其余五个自由度施加控制。故实用的磁力轴承系统一般都是含有两个径向轴 承和一个轴向轴承的五自由度系统。轴向轴承控制轴向的一个移动自由度，而 两个径向轴承则分别控制两个相互正交的径向移动自由度。轴向和径向移动自 由度之间是相互独立的，但四个径向自由度之间是耦合的。在解耦控制的情况 下，选取其中一个自由度为研究对象，即单自由度磁力轴承控制系统，进行分 析与建模，是简便而有效的”j 。 武汉理：c 大学硕士学位论文 瞄2 - 6 单自由度差动磁力轴承系统的结构 豳2 - 6 所示鄹为一个荜垂由魔磁力轴承系统，其中转子豹位置可薤j 位移传 感器及麓变换电路、调节电路和功放电路组成的控制系统精密地控制。该系统 由嚣个终用力方彝娟反静邀磁铁缀戏差葫激糍方式避 亍王终，这静毒髑健褥系 统既能产生正向力，又能产生反向力。 当转子偏离参考垃登，由传感器测出照时转子偏离参考健嚣的位移，位置 控制嚣将这一位移信号变成控制电流，通过功率放大嚣的作辫，一个磁铁的电 流为偏鼹电流与控制电流之和，另一个为偏置电流与控制电流之差，从而分别 改变两个电磁钱产生靛旌力太小，馊转子糍稳定悬浮在绘定位嚣。 对于图2 - 6 所示的单自由度差幼磁力轴承系统，设合力，的正方向向下， 蔼位移茗与之楣爱，正方向彝上。为分援蔺举起见，忽略重力澎响，并假设： 磁场在电磁铁定予铁芯、转子铁芯和气隙中怒分毅均匀的； 定转予铁芯均不魁饱和特性； 除气稼终，磁通金部流过铁蕊，不鸯虑