（机械电子工程专业论文）基于数字pid调节的磁力轴承功率放大器的研究.pdf

武汉理工大学摘要磁悬浮轴承是利用磁场力将转子无机械摩擦、无润滑的悬浮在空间的一种新型高性能轴承。它是一种高新技术，涉及到电磁学、机械学、转子动力学、控制理论和计算机科学等众多领域。由于转子与定子之间没有机械接触，转子可以达到很高的运转速度，几乎不存在机械磨损，具有寿命长、无需润滑、功耗低、噪音小等特点。主动磁力轴承的功耗和噪声极低，能适用于多种复杂的应用环境，特别适合在高速、真空、超洁净等环境中使用。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有重要影响。传统的模拟功率放大器有调整参数不方便，难以实现优化控制，并且容易受n ； i - 界干扰等缺点，相比较数字功率放大器，具有硬件集成度高，控制性能好，抗干扰能力高，响应速度快等优点。因此本文的创新点就是在研究模拟功率放大器的基础上研究数字功率放大器，提高磁力轴承的性能。本文首先介绍了磁力轴承的发展和研究现状。然后，在简要分析了磁力轴承工作原理的基础上，推导了单自由度情况下电磁力与控制电流、转子位移之间的非线性关系。其次，设计了基于d s p ( s 3 2 0 c 6 7 1 3 ) 的数字功率放大器硬件结构和软件算法，并详细介绍了磁力轴承功率放大器设计中涉及到的功率电路结构形式，电流变化率，功率放大器的效率，功率器件，开关频率，软开关技术等性能指标，然后介绍了单自由度和多自由度的测量系统，并提出了磁力轴承位移测量的关键技术和解决方案，并在电磁兼容方面进行了分析研究。最后本文的实验部分是在m a t l a b 中建立了磁力轴承数字功率放大器模型，利用s i m u l i n k 进行了仿真，得到了位置跟随曲线、阶跃响应曲线、电流纹波曲线和电流跟随曲线。最后根据系统仿真实验的结果，表明数字功率放大器的控制性能能够达到模拟功率放大器的要求，同时由于数字功率放大器本身的优点，数字功率放大器可以替代传统的模拟功率放大器。关键词：磁力轴承，功率放大器，d s p , 数字p i d ：武汉理工大学a b s t r a c ta c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) i san e wt y p es u p p o r t i n gp a r t i tw a sat y p i c a lm e c h a t r o n i c sp r o d u c ta n di n v o l v e de l e c t r o m a g n e t i c ，m e c h a n i c s ，r o t o r d y n a m i c s ，c o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e rs c i e n c e b e c a u s eo fi t sc o n t a c t f r e em a n n e rb e t w e e nt h er o t o ra n dt h es t a t o r , t h er o t o rc a nr o t a t ea tv e r yh i g hs p e e da n da l m o s tn ow e a g i na d d i t i o n , t h ea m bh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o n g e rl i f e t i m e ，n on e e do fl u b r i c a t i o n , l o wp o w e rl o s s ，l o wn o i s e ，e t c s ot h ea m bf i t ss o m ee x e c r a b l ye n v i r o n m e n t s , s u c ha sh i g hs p e e d ，v a c u u ms u p e rc l e a n , e t c t h e r e f o r e ，p o w e ra m p l i f i e ri sac r u c i a lp a r ti nt h ea m bc o n t r o ls y s t e m i ti su s e dt om a g n i f yo rc o n v e t 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 g he n e r g yt od r i v et 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 li 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 fc o n t r o ls y s t e m t r a d i t i o n a la n a l o ga m p l i f i e rt oa d j u s tp a r a m e t e r si n c o n v e n i e n t ，d i f f i c u l tt oa c h i e v eo p t i m a lc o n t r o l ，a n dv u l n e r a b l et oo u t s i d ei n t e r f e r e n c e ，a n do t h e rs h o r t c o m i n g s ，w i t hc o m p a r a t i v ef i g u r e sf o rp o w e ra m p l i f i e r , ah i g hd e g r e eo fh a r d w a r ei n t e g r a t i o n , c o n t r o lp e r f o r m a n c e ，a n da n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t i e s ，t h ea d v a n t a g e so ff a s t e rr e s p o n s e s ot h i si st h ep o i n to fi n n o v a t i o ni na n a l o gp o w e ra m p l i f i e rr e s e a r c hs t u d y0 1 1t h eb a s i so fd i g i t a lp o w e ra m p l i f i e ra n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm a g n e t i cb e a t i n g s f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cb e a r i n gc o n t r o lt e c h n i q u ea n dt h ek e yp r o b l e m st h a tf a c e s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l eo ft h em a g n e t i cb e a r i n g , d e d u c e dn o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a g n e t i cf o r c ea n dc o n t r o lc u r t 到吐，r o t o r sd i s p l a c e m e n ti ns i n g l e d e g r e e o f - f r e e d o m t h i r d l y , t h eh a r d w a r es y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 c 6 713w a sp r e s e n t e di n c l u d i n ga dc i r c u i t ，d ac i r c u i ta n de t c e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u to ne a c hp a r t f o u r t h l y , a n dd e t a i l so nt h em a g n e t i cb e a r i n g sp o w e ra m p l i f i e ri n v o l v e di nt h ed e s i g no ft h es t r u c t u r eo fp o w e rc i r c u i t ，t h ec u r r e n tr a t eo fc h a n g e ，t h ee f f i c i e n c yo fp o w e ra m p l i f i e r s ，p o w e rd e v i c e s ，s w i t c h i n gf r e q u e n c y , s o f t s w i t c ht e c h n o l o g y , a n do t h e rp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，a n dt h e ni n t r o d u c e das i n g l ed e g r e eo ff r e e d o ma n dm o r ef r e e d o mo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e ma n dm a d ead i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n to fm a g n e t i cb e a r i n g sk e yt e c h n o l o g i e sa n ds o l u t i o n s ，f u r t h e r m o r e ，s t u d ya n da n a l y s i so nt h et h e o r yo fe m cw a s a l s oi n c l u d e d a tl a s t ，i nm a t l a be s t a b l i s h e dan u m b e ro fm a g n e t i cb e a r i n g sp o w e ra m p l i f i e rm o d e l ，as i m u l a t i o no fs i m u l i n k , f o l l o w e db yt h el o c a t i o no fc u r v e s ，s t e p r e s p o n s ec u r v e ，t h ec u r r e n tr i p p l ec u r v ea n df o l l o wt h ec u r r e n t武汉理工大学c u r v e f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs y s t e ms i m u l a t i o ns h o w st h a tt h en u m b e ro fp o w e ra m p l i f i e rc o n t r o lp e r f o r m a n c et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fa n a l o ga m p l i f i e r ,a n db e c a u s eo ft h ea d v a m a g e so fd i g i t a lp o w e ra m p l i f i e ri t s e l f , t h ed i g i t a lp o w e ra m p l i f i e rc a nr e p l a c et r a d i t i o n a la n a l o gp o w e ra m p l i f i e r k e y w o r d s ：a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) ，p o w e ra m p l i f i e r , d s p , d i g i t a lp i di l l此页若属实，请研究生及导师签名并装订在学位论文的摘要前。独创性声朋本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生( 签名) ：至疆日期塑呈：生：垫关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生( 签名) ：呈疆导师( 签名) ：武汉理工大学第1 章绪论1 1 磁力轴承技术概述磁力轴承( m a g n e t i cb e a r i n g ) 是利用磁力作用将转子悬浮于空间，使转子和定予之间没有机械接触的一种新型高性能轴承 l l 。它具有传统轴承无法比拟的优越性能，容许转子达到很高的转速，转子与定子之间可实现无摩擦的相对运动，轴承无需润滑，具有维护成本低、寿命长、环境污染小、轴承工作工况好等优点。此外，可以方便的通过调节控制器参数来调节轴承的动力学参数( 如刚度、阻尼等) ，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，因而特别适合高速、真空、超洁净等特殊环境，在航空航天、超高速超精密加工机床、能源、交通及机器人等高科技领域具有广泛的应用前景【2 叫。磁力轴承的种类很多，按照悬浮磁场的不同，可以分为以下几类p 】：按磁场力的来源分为永久磁铁型、电磁铁和永久磁铁混合型以及纯电磁铁型；按磁场力是否可以受控分为被动型和主动型；按磁场力类型分为吸力型和斥力型。目前，常用的是主动磁力轴承( a m b ) ，利用定子上的电磁线圈与转子上的铁磁材料之间的吸力实现支撑。这种新型转子支撑有以下突出优点1 6 1 ：回转速度高，磁力轴承的转速只受到转子铁磁材料的限制；无磨损，功耗低；无需润滑和密封系统，适合多种工作环境，而且对环境温度不敏感；具有自动平衡特性，可使转子系统自身的惯性轴回转，从而消除了不平衡力使机身的震动大大降低。磁力轴承在工业上的广泛应用是最近三十年的事情。1 9 7 6 年法国s e p 公司和瑞典s g y 公司联合成立了s 2 m 公司，对超高速精密加工机床用的磁悬浮主轴进行了系统的研究和开发，并于1 9 7 7 年开发了世界上第一台高速机床用的磁悬浮主轴。该公司1 9 8 1 年在h a n o v e r 欧洲国际机床展览会上，首次推出b 2 0 5 0 0 磁悬浮主轴系统，并在3 5 0 0 0 r m i n 速度下进行了钻、铣现场表演，它的高速、高精度、高效以及低功耗的优良性能引起了各国专家的广泛关注。该公司已经开发的多个磁力轴承产品，广泛应用于机械加工电主轴、透平液体气体压缩机、真空泵、高速机械和发电站等。1 9 8 4 年，s 2 m 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本磁力轴承公司，在日本主产和销售涡轮分子泵、机床磁悬浮主轴等，同年日本东洋公司也推出了高速磁悬浮铣削头，并将磁力轴承列为2 0 世纪8 0 年代新的加工技术之一。瑞士m e c o st r a x l e ra g 生产的磁力轴承主要应用于透平鼓风机、分子泵、气体膨胀压缩机以及纺织锭子。1 9 9 2 年成立的r e v o l v em a g n e t i cb e a r i n g si n c 在2 0 0 0 年由s k f 收购，是一家从事磁力轴承产品开发的专门公司，其产品应用在密封马达、磨头、高速铣削、压缩机、分子泵、空调压缩机、分子武汉理工大学鬻露国图卜2c a r d i o w e s t 磁悬浮临时性人工心脏1 1 1 国内外磁力轴承的研究现状分析从磁悬浮轴承5 0 年代诞生于美国以来，随着控制理论、电子技术和机电控制技术的发展，磁悬浮轴承技术进入了一个飞速发展的阶段，越来越多的研究单位和技术公司投入到磁悬浮轴承的研制与开发中【”。七十年代，欧洲市场上首次出现磁悬浮轴承产品，从1 9 8 8 年起，国际上每两年召开一次磁轴承技术会议，美国从1 9 9 1 年起也是每两年召开一次国际磁悬浮技术会议，九十年代初在瑞士成立了国际磁悬浮轴承研究中心。从晟近的五届国际磁悬浮轴承会议论文来看，磁悬浮轴承技术在一些西方国家已趋成熟，应用领域日益广泛，如高速机床、汽轮发动机、空气压缩机、真空分子泵、减振器、储能飞轮、多维平台、速率陀螺、卫星天线定位等领域陋驯。磁悬浮轴承的这些特点，使它在很多应用领域内与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比具有明显的优越性。国际上有很多公司和科研机构竞相开展了有关磁力轴承的研究，取得了很多成果，并开发了一些产品【l 。其中以法国s 2 m 公司和日本精工公司为典型代表。法国s 2 m 公司在1 9 7 7 年开发了世界上第一台转速为2 7 8 x1 0 4 r p m 的高速机床武汉理工大学电主轴。1 9 8 8 年，第一届国际磁力轴承学术会议在苏黎士召开，标志着磁力轴承的研究和应用进入了一个新的阶段。从此以后，每两年举行一节国际磁力轴承学术会议，至今已经召开了六届。从近几年召开的国际性磁力轴承会议所展示的成果来看，国际磁力轴承技术正在稳步地向前发展。控制理论的不断发展，以及数字控制技术的引入，为有源磁力轴承的控制系统开拓了新的研究领域，而不仅仅限于“比例一积分一微分( p i d ) 一等相对局限的控制系统。新型的功率放大器的研究也取得了一定的成就。就有源磁力轴承稳定性的研究，以及有源磁力轴承应用于振动控制等方面的研究也都在不断取得新的成果。尤其值得注意的是，有源磁力轴承在工程实际中的应用正在不断扩展，这显示了有源磁力轴承的极大的发展潜力。国内有关磁力轴承的研究起步比较晚，从2 0 世纪8 0 年代起，上海微电机研究所、国防科技大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、清华大学、西安电子科技大学、武汉理工大学、上海大学等有关单位投入了一定的人力物力进行研究，但磁力轴承目前在国内仍处于理论到实际的过渡阶段，仍然没有应用于工程实际的商业化产品出现。从几届电磁轴承国际会议来看，目前电磁轴承的研究呈现如下特点【1 1 j ：( 1 ) 在系统建模时更多的考虑耦合，更多考虑非线性影响，用非线性对点此轴承系统进行理论分析，并结合数字控制手段使系统的参数及性能进一步优化，提高。这反映了人们对点此轴承认识的进一步深化。( 2 ) 越来越多的采用数字控制器。控制器的数字化，集成化使得点此轴承硬件趋于结构化、模块化。这样利于点此轴承标准化，系列化和商品化；同时在控制算法上，越来越多的采用现代控制理论的滑膜控制、非线性模糊控制、自适应控制等等，这些算法的引入，使得点此轴承更具有柔性，并向智能化、多功能化发展。( 3 ) 基于全局的优化设计，除了要让点此轴承自身以及其转子系统满足响应的机械要求之外，还应从系统的角度考虑电磁轴承的稳定性、可靠性和经济型。这是电磁轴承产品化的需要。( 4 ) 对于系统中局部单元的设计向高性能、高标准模块化方面发展。如传感器模块、功率放大器模块等。现在美国a m s 公司己经成产出阶跃响应时间为i s m 、带宽为3 k h z 、峰值电流可达3 0 a 的功率放大模块。( 5 ) 由于磁力轴承所具有的这一系列独特性能，磁悬浮支承将成为2 1 世纪的主要支承形式之一。国外把磁力轴承的出现称为支撑技术的一场革命，法、日、美等国相继投入了大量的人力物力进行研究。磁力轴承作为一个基础部件有着十3武汉理工大学分广阔的应用前景。国外目前已经成功地应用于高精度的机床主轴、数控机床主轴、机器人、高压真空泵、涡轮机、压缩机、水轮发电机、卫星导航等领域中。1 1 2 磁力轴承功率放大器的研究现状和发展趋势功率放大器是磁力轴承控制系统的重要组成部分，它将控制信号转换成具有足够能量的功率信号，是“电和“机”的重要接口。功率放大器和定子线圈作为系统的执行机构，它的优劣直接影响系统的整体性能，特别是功率放大级的电压和电流对控制精度和转速，尤其是高转速，具有决定性的影响【1 2 1 。到目前为止，磁力轴承功率放大器经历了线性功放、分立开关功放以及集成开关功放三代t u l 。第一代功放，主要是利用器件的线性工作区，故被称为线性功放。发展于2 0 世纪6 0 年代末到8 0 年代末，其优点是控制精度高，电路相对简单，易于实现，但是由于存在静态偏置电流，所以此类功放效率低、发热量大，多用于小功率、精度控制的场合。随着磁力轴承技术的发展，开关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8 t ，最高转速为3 0 0 0 r p m 的涡轮发电机，并投入使用。1 9 9 0 年在日本东京的第二届国际磁力轴承会议上，首先由美国弗吉尼亚大学的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 等人提出了开关型功率放大器在磁力轴承功放中的应用。开关功放的使用，大大提高了电流和力的相应速度，提高了功放的电源效率，但缺点是功放的开关干扰大，控制精度也相对较差。这就是第二代磁力轴承功率放大器，从2 0 世纪8 0 年代末开始应用研究，到9 0 年代末逐渐成熟。第三代磁力轴承功率放大器克服了第二代功放研制周期长，安装调试繁琐，体积大等缺点，突出体现其体积小，可靠性高，使用方便的优点。其中数字功率放大器的发展显得尤为突出，众所周知，模拟功放虽然成本比较低，但是有很多不足之处：参数调节很不方便，很难实现复杂的控制算法等，而数字功放的优点在于：改变控制参数方便，无需改变控制器的硬件，只要改变软件，在轴承工作时不仅可以在线的修改控制器参数，可实现柔性控制，而且能够更好的实现在线监测如：载荷、位移、振动、线圈电流等，没有模拟控制器由于元器件老化和参数漂移带来的不良影响。数字功放开发成功后，非常适于向集成化、模块化、小型化和低功耗方向发展，这使得磁悬浮轴承的实验研究和开发应用将更为方便。因此今后在主动磁力轴承中采用数字功率放大器是主动磁力轴承发展的必然趋势。4武汉理工大学1 2 课题的研究目的及意义磁悬浮轴承是利用能够主动控制的电磁吸力将转轴稳定悬浮在轴承外壳内腔空间的一种新型的高性能机电一体化轴承。它具有无直接接触摩擦磨损、无需润滑和密封以及可以主动控制等普通轴承无法比拟的特点，其转轴能够高速度、高精度、低能耗、无污染地运转。因此，磁悬浮轴承在飞轮储能、高速汽轮机、精密测试仪器仪表等众多现代高科技领域得到日益广泛和深入的应用1 1 4 1 。磁悬浮轴承主要由机械系统、位移检测系统、控制器及功率放大器等几个部分组成。在磁悬浮轴承系统中，控制器是其中的核心，是决定磁轴承性能的一个关键部件控制器的设计也一直是磁力轴承技术中最活跃的部分i ”】。为了能达到理想的运行效果，磁悬浮轴承对控制器提出了严格的要求，即要求能够根据物体的悬浮状态主动地调节磁场力来保持被悬浮物体( 即转子) 自由、稳定的悬浮。磁悬浮轴承的控制器是整个磁力轴承系统中最关键的部分控制器的性能不仅决定了磁悬浮能否实现而且还直接影响到转轴的回转精度和承载能力等磁轴承的关键指标。从控制的角度来看，电流控制的磁力轴承是由位置环和电流环组成的一个双闭环控制系统，位置环为外环，而电流环为内环。控制系统即位置环，它的主要功能是完成控制算法的实现，其中又包括以下几个步骤：包括各种输入信号的调理，信号的采集，以及信号处理结果的输出，放大等。从控制的角度来看，功率放大系统是控制内环，即电流环。传统的控制内环则根据给定的参考电压对磁轴承线圈的电流进行控制。功率放大系统和电磁铁构成了磁力轴承的执行元件，是电控系统的另一个重要组成部分；而传感器则为磁力轴承的反馈元件，起着举足轻重的作用。功率放大器和电磁铁线圈接受来自外环控制器的电流指令，并使得流过电磁铁的电流随电流的指令而变化。因此，功率放大器可以看成一个电流跟踪系统。磁力轴承性能的好坏与功率放大器是息息相关的，功率放大器应该具有良好的动态性能和稳态性能，具有足够的带宽。传统的控制系统都是模拟的，优点是其容易实现，结构简单，但随着数字控制的日益发展，传统的模拟控制器暴露出越来越多的不足【1 6 l ：( 1 ) 模拟控制器参数调整不方便，硬件结构不易改变，难以实现优化控制。( 2 ) 受外界条件干扰大，如温度，湿度等。( 3 ) 器件以及制造器件的材料的寿命，老化问题。因此，数字控制的主动磁轴承电主轴系统相比模拟控制的主动磁力轴承电主轴系统具有如下优点：( 1 ) 硬件集成度高控制性能好。( 2 ) 系统有较高的抗干扰能力，响应速度快。武汉理工大学( 3 ) 可实现复杂控制算法、改变控制参数方便、可在线改变控制器参数。( 4 ) 减少设计时间，减少整个系统的体积，降低成本，提高系统的可靠性。d s p 是新出现的高速，高性能微处理芯片。基于d s p 设计的数字功放系统和传统的模拟攻防系统相比较，具有使用灵活，调试方便，同时系统体积小，可靠性高，抗干扰能力强等特点。因此，采用基于d s p 的数字功放要优于传统的模拟功放。因此，基于数字p i d 调节磁力轴承功率放大器的上述优点，开发一套基于数字p i d 调节的磁力轴承功率放大器有重要的意义1 3 课题的来源本文的研究源于以下项目并得到了以下项目的资助：国防项目( 项目编号：a 4 2 0 0 6 0 1 6 0 )1 4 论文的主要内容与结构本论文共分6 章，各个章节的具体内容如下：第l 章绪论：综述磁力轴承技术发展概况与趋势，说明论文的研究目的与意义、课题的来源，提出论文的内容安排。第2 章磁力轴承的工作原理与数学模型：简要介绍了磁力轴承系统的工作原理及结构，推导了单自由度磁力轴承的电磁力数学公式，建立了单自由度磁力轴承数学模型，并推导出电流放大器的单自由度磁力轴承控制系统的传递函数。第3 章磁力轴承数字功率放大器的硬件介绍：在分析了磁力轴承硬件系统的功能、精度要求与响应速度的基础上，介绍了以d s p ( t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ) 为控制核心的磁力轴承控制系统硬件结构。第4 章重点介绍数字功率放大器的硬件和软件结构的设计，并建立m a t l a b 数学模型，为仿真实验提供依据，其次对功率放大器开关管的保护电路提出有效解决方案，最后提出一些解决电磁干扰问题的措施。第5 章系统调试及实验结果：得到线圈电流是l a 时线圈电流纹波波型，以及给定正弦波信号分别为5 0 0 h z 和1 k h z 时电流跟随的波形，对数字功率放大器进行仿真，得到仿真电流波形。第6 章总结与展望6武汉理工大学第2 章磁力轴承的工作原理与数学模型一个物体在空间的运动包括平动和转动共六个自由度。而磁力轴承与其他轴承最大的不同之处在于磁力轴承的支撑特性不仅取决于磁力轴承的结构设计，更决定于控制系统和功率放大器的设计。因此，本章主要讨论磁力轴承系统的工作原理和数学模型的建立。2 1 磁力轴承的工作原理磁力轴承系统按工作原理可分为三类：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 ) 、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 ) 、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 ) 。本文的研究对象是目前比较通用的主动磁力轴承。主动磁力轴承利用可控电磁力将转轴悬浮起来，它主要是由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器等组成。电磁铁安装在定子上，转子悬浮在按径向对称放置的电磁铁所产生的磁场中，每个电磁铁上都装有一个或多个传感器，以连续监测转轴的位置变化情况。从传感器中输出的信号，借助于电子控制系统，校正通过电磁铁的电流，从而控制电磁铁的吸引力，使转轴在稳定平衡状态下运转，并达到一定的精度要求【1 4 1 。电子控制部分机械部分，弋动测图2 - 1 磁力轴承工作原理图图2 - 1 表明了一个主动磁力轴承系统的组成部分及其工作原理。传感器检测出转子偏离参考点的位移后，作为控制器的微处理器将检测到的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这个控制信号转换为控制电流，控制电流在执行电磁铁中产生磁力从而使转子维持其稳定悬浮位置不变。悬浮系统的刚度、阻尼和稳定性由控制系统决定。7武汉理工大学主动磁力轴承按支承方式的不同可以分为径向磁力轴承和轴向磁力轴承，按控制方式的不同可以分为电流控制和电压控制。电压控制的优点主要体现在：装置的模型更为精确，因而鲁棒性更好；开环不稳定性较弱；刚度较低，比较容易实现；电压放大器比电流放大器更容易实现。而电流控制器的优点体现在：控制算法描述简单，可满足大多数应用场合；易实现简单的p d 或p i d 控制。综合考虑他们的优缺点，电压控制的主要应用领域是大型或超大型系统，例如磁悬浮列车。对于大多数j 、型系统而言，电流控制是可以满足的，特别是当功率放大器的峰值输出电压成倍地高出工作点电压时，允许忽略放大器中电流控制回路的动力学影响。因此，在主动磁力轴承中，应用最为广泛的是直流控制型磁力轴承1 1 4 1 。主动磁力轴承的机械部分一般由径向轴承和轴向轴承组成，其一般结构如图所示。径向轴承由定子( 电磁铁) 、转子构成；轴向轴承由定子( 电磁铁) 和推力盘构成。为克服涡流损耗，定子及转子( 轴颈部分) 套环均采用冲片叠成。径向轴承的电磁铁类似于电动机的定子结构，磁极数可以是8 极、1 6 极或更多。由于主动磁力轴承具有转子位置、轴承刚度和阻尼可由控制系统确定等优点，所以在磁悬浮应用领域中，主动磁力轴承得到了最为广泛的应用，而且主动磁力轴承一直是磁悬浮技术研究的重点，经过多年的研究，其设计理论和方法已经日趋成熟。2 2 单自由度磁力轴承的数学模型单自由度磁力轴承的数学模型是轴向磁力轴承，在一定的条件下也是径向磁力轴承控制的基础。为研究简单起见，首先讨论单自由度磁力轴承的数学模型。将磁力轴承数学模型加上闭环控制系统，就构成了单自由度磁力轴承控制系统模型，如图2 2 所示。图2 2 单自由度磁力轴承控制系统模8武汉理工大学图中的衔铁代表磁力轴承转子铁芯，电磁铁定子铁芯代表磁力轴承定子铁芯。设转子铁芯与定子铁芯的偏置距离为毖取位移z 方向如图所示，转子在外力综合作用力下沿x 方向运动。2 2 1 转子铁芯的力学关系建立如图所示坐标系，根据牛顿第二定律，转子铁芯的受力关系为p 小孵= 拿沼。)上式中，础) 为在工方向的外界干扰力，它是时间的函数；f 是磁力轴承定子产生的电磁力，它是位移与电流的函数；n l g 是转子的重力。将磁力轴承电磁力公式f = k 乓代入( 2 1 ) 式中，整理得册辔罢+ m g = p - km g ( ，)册孑7( n( 2 2 )可以看出，磁力轴承数学模型为一个2 次非线性微分方程。而非线性控制无论在理论上还是在实践中，都不能得到很好的解决。因此，工程控制系统一般才用线性控制理论。为了便于磁力轴承控制系统的设计与分析，有必要将磁力轴承电磁公式进行线性化。2 2 2 磁力轴承电磁力的线性化磁力轴承电磁力是气隙与线圈电流的函数，因此，将式( 2 2 ) 写成如下形式f ( f ，x ) = 后与x( 2 - 3 )磁力轴承的电磁力是一个关于电流与位移的二元函数，为将上式线性化，将该式在点f = i o ，x - x o 的领域内，按照二元函数的泰勒级数展开y ( i , x ) ：f ( i o , x o ) + 掣( f i o ) - t e f q o , x o ) ( x - - x o ) + 伪o x寺【里二气篓筝三立( ，一乇) 2 + 里二掣( f i o x x 一) + 曼二铲( x - x o ) 2 】+ ( 2 4 )武汉理工大学o ，x ) 8 ( o ，毛) + a y ( i o 。, x o ) ( i 一o ) + 掣( x - x o )( 2 5 )仂讲篓盟一2 k l ，o y ( i , x ) = 2 k l i西矿o i，掣列后 警一位6 )i缸磊2 磊工，、【掣磁专= 警= 毛2 2 3 单自由度磁力轴承控制系统数学模型的建立将( 2 - 7 ) 式代入( 2 - 1 ) 式，整理的：埘窘一向( f 一乇) + 吒。一) 一瓴，而) + 馏= p ( f )( 2 8 )式中( i o ，而) 为磁力轴承在静态工作( i o ，x o ) 处的电磁力，当磁力轴承结构参数与静态工作点确定之后，它就是常数。如果在设计时选择适当的参数，使得瓴，x o ) 等于转子重力m g ，且令出= i - f o - - - i ，缸= x x o = x ，则上式可以简化成如下形式：册窘嘶+ 缸叫，)像9 )对( 2 9 ) 式进行拉普拉斯变换，则有1 0武汉理工大学，淞2 x ( s ) - k j ( s ) + k , x ( s ) = 尸( s )( 2 - l o )式中x ( s ) 、i ( s ) 、p ( s ) 分别为位移函数x ( ，) 、电流函数砸) 、外界干扰力函数p ( t ) 的拉普拉斯变换。2 3 电流放大器由于目前对于很多小型系统而言，电流放大器完全可以满足控制要求，特别是当功率放大器的峰值输出电压成倍高出工作点电压时，允许忽略放大器中电流控制回路的动力学影响。因此，这里只建立磁力轴承系统采用电流放大器的数学模型，如图所示，即功率放大器输出的是电流信号，观察图2 1 所示，电流是位移的函数。于是有其中，( s ) = g o ) x ( s )( 2 1 1 )g ( j ) = q ( s ) g c ( s ) g 尸( d( 2 1 2 )式中的g ( d 是位移传感器传递函数q o ) 、控制器传递函数g c ( s ) 、功率放大器传递函数g p ( s ) 的乘积。将( 2 1 2 ) 式代入( 2 - 1 1 ) 式整理得，以外界干扰力尸( s ) 为输入，转子位移彳( s ) 为输出的传递函数为：帅) = 哿= 孑丽1 两( 2 - 1 3 )( 2 1 3 ) 式即为采用电流放大器的单自由度磁力轴承控制系统的数学模型。根据式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 等可以得到系统的传递函数方框图如2 3 所示。武汉理工大学p ( ，)图2 3 电流放大器的单自由度磁力轴承控制系统传递函数方框图如果不施加控制，即令g ( s ) = o ，则以外界干扰力p ( s ) 为输入，转子位移x ( j )为输出的传递函数为：帅) = 哿= 而1( 2 1 4 )根据控制理论的劳斯稳定性判据：系统稳定的必要条件是传递函数分母中的各项系数必须大于零。( 2 1 4 ) 式缺少一次项( 或一次项系数等于零) ，由此可以得出以下两个推论：( 1 ) 采用电流放大器的单自由度磁力轴承系统如果不施加控制，系统是不稳定的；( 2 ) 采用电流放大器的单自由度磁力轴承控制系统必须包含一次项，即控制系统必须含有微分控制环节。2 4 本章小结本章首先介绍了磁力轴承的各个组成部分，并说明了磁力轴承控制系统的工作原理；其次建立了单自由度磁力轴承控制系统的数学模型，给出了转子铁芯的力学关系，并为方便磁力轴承控制系统的设计与分析，将磁力轴承电磁力公式进行了线性化，得到了磁力轴承电磁力在以点( f 。，) 为中心的非常小的领域内线性化的近似值。最后分析目前广泛采用的电流放大器的单自由度磁力轴承控制系统传递函数框图，得出了两点重要推论。1 2武汉理工大学第3 章磁力轴承数字功率放大器的硬件功率放大器是磁力轴承系统中很重要的一环，功率放大器的好坏直接影响到整个系统的性能，包括稳定性、动刚度、抗干扰能力等等。所以功率放大器的设计也是整个磁力轴承系统设计中的重点和难点之一【1 7 1 。控制系统的设计从总体结构上可以分为硬件部分和软件部分。硬件设计的主要任务包括：合理的选择系统结构，确定整体框架，协调各部分相互关系，选择各子系统的合理设计方法，设计主要通道，兼顾调试方便，完成硬件部分的电路设计。3 1 数字控制系统硬件结构简介采用差动激励方式的典型磁力轴承控制系统结构如图所示，控制系统主要由控制器、位移传感器和功率放大器组成。传感器测量出转子的位移并转换为电压信号经过a d 采样转换为数字信号。控制器通过算法处理后，将数字量经过d a转换为模拟量由功率放大器放大，驱动电磁线圈，从而控制转子的位置。图3 1 磁力轴承控制系统结构图3 1 中，u x 为位移传感器的电压输出；给定值u o 为对应于转子的中心位置的参考电压信号；u c 为给定值和传感器输出值之间的差值电压；u c 为控制器的输出，其中，控制器包含了a d 和d a 环节；u o c 为系统给定的偏置电压；i l 和1 。2 ( 其中i r - i o + i 。和i 2 = i o i 。) 为电磁铁线圈电流，i o 、i 。分别为功率放大器给定电压为u o c和u 。时的输出电流。控制器可采用模拟控制器或者数字控制器，模拟控制器依靠硬件完成特定运武汉理工大学算，因此运算速度快，成本低，且控制系统一旦选定，参数不易修改，很难实现复杂的控制算法。数字控制器相对模拟控制器而言，有以下优点【1 3 】：( 1 ) 使用灵活，调试方便，无需对硬件设备做任何改变，只需要改变软件程序就可以改变控制系统的参数和性能。( 2 ) 系统体积小，可靠性高，抗干扰能力强。( 3 ) 可实现复杂的控制规律，可以获得比模拟控制器更好的控制性能。( 4 ) 系统的更新换代由于常常只涉及到软件从而更容易实现。( 5 ) 对于意外和紧急情况以及相应的安全问题可以做出智能反应。目前，磁力轴承控制器主要采用数字控制器。数字控制器一般采用单片机或数字信号处理器( d s p ) 实现。磁力里轴承系统是一个实时测控系统，要求快速响应和高的回转精度，对于转子控制频率要求很高。如果采用一般的单片机控制很难满足系统的实时控制要求，所以磁力轴承数字控制器一般采用高速d s p 。3 2d s p 数字控制器的硬件原理数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。设计d s p 的应用系统，选择d s p 芯片是个非常重要的环节。目前，d s p 芯片的主要供应商有t i 、a d 、a t & t 、m o t o r o l a 等公司。其中t i 公司的o s p 芯片占世界d s p 芯片市场近一半，在国内被广泛应用，并广泛应用于各个领域。t i公司d s p 的主流产品包括t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0系列。3 2 1d s p 处理器的结构与特点在2 5 0 m h z 的主频条件下，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的运算速度可以达到2 0 0 0 百万条指令每秒( m i p s ) 。t i 公司还提供了完整的开发工具，这使得在高性能d s p 编程的场合有极高的性能价格比。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的开发工具包括：先进的c 编译器、汇编优化器以及w i n d o w s 环境下的调试器接口。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列内部结构的主要特点包括【1 9 l ：1 ) 定点浮点系列兼容d s p ，目前c p u 主频i o o m h z - f o o m h z 。2 ) 具有v e l o c i t l 伯先进v l i w 结构内核。a ) 8 个独立的功能单元，6 个a l u ( 3 2 4 0b i t ) ，2 个乘法器，浮点系列1 4武汉理工大学支持i e e e 标准单精度和双精度浮点运算。b ) 可以每周期执行8 条3 2 b i t 指令，最大峰值速度4 8 0 0 m i p s 。c ) 专用存取结构，3 2 6 4 个3 2 b i t 通用寄存器。d ) 指令打包技术，减小代码容量。3 ) 具有类似r i s c 的指令集。a ) 3 2 b i t 寻址范围，支持b y t e 寻址。b ) 支持4 0 b i t a l u 运算。c ) 支持位操作d ) 1 0 0 条件指令。4 ) 片内集成大容量s r a m ，最大可达8 i b i t 。5 ) 1 6 3 2 6 4 b i t 高性能外部存储器接口( e m i f ) 提供了与s d i o 、s b s r a m和s r a m 等同步异步存储器的直接接口。6 ) 内置高效率协处理器( c 6 4 x ) 。：a ) v i t e r b i 编解码协处理器( v c p ) ，支持5 0 0 路7 9 5 k b s a m r 。b ) t u r b o 编解码协处理器( t c p ) ，支持6 路2 m b s 3 g p p 。7 ) 片内提供多种集成外设。8 ) 支持灵活的p l l 锁相时钟电路。9 ) 支持i e e e l1 4 9 1 ( j t a g ) 边界扫描接口。1 0 ) 内核采用1 0 1 0 1 5 1 8 v 供电，周边i o 采用3 3 v 供电。1 1 ) 0 1 2 朋- 0 1 8 朋c m o s 工艺，5 6 层金属处理。1 2 ) b g a 球栅阵列封装。3 2 2 主轴位移信号的实时检测和抗干扰设计