（电机与电器专业论文）电磁轴承数字控制系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 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 m b ) ，w h i c hu s et h ec o n t r o l l a b l ea t t r a c t i v ef o r c eo f e l e c t r o m a g n e t st om a i n t a i nar o t a t i n gf e r r o m a g n e t i cb o d yc o n t a c t f r e ei ni t sn o m i n a l p o s i t i o n ，h a v es e r i o u s l yd e v e l o p e di nt h er o t a t i n gm a c h i n e r y ；p r o v i d en u m e r o u sa d v a n t a g e s c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lb e a r i n g s ，s u c h 船：n oc o n t a c t ，n ow e a l ，n ol u b r i c a t i o n 1 0 n g l i f ea n dc o n t r o l l a b l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c se t c a m bi sat y p i c a lm e c h a t r o n i cs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e se l e c t r i cs u b s y s t e mf i n c l u d i n g s e n s o r s ，c o n t r o l l e ra n dp o w e ra m p l i f i e r ) a n dm e c h a n i c # s y s t e m ( i n c l u d i n gr o t o ls t a t o ra n d c o n ) t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea m bs y s t e mi sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h ee l e c t r i cc o n t r o l s y s t e m t h i sp a p e ri sf o c u s e so nt h ec o n t r o l l e ra n dp o w e ra m p l i f i e ro f t h ea m b f i r s tt h es t r u c t u r ea n dt h e o d , o ft h ea m bs 3 ，s t e ma r ei n t r o d u c e d ，t h em o d e lo fas i n g l e d e g r e e o f - f r e e d o ma m bi sb u i l t ，a n di t sp e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e dt h r o u i g hm a t l a b s i m u l i n k t h e nt h ec i r c u i tt o p o l o g y ，c o n t r o lm e t h o da n dm o d u l a t i o nt e c h n i q u eo f t h ep o w e r a m p l i f i e ra r ed i s c u s s e d t w op w m b a s e dc u r r e n tc o n t r o ls w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r sw i t h t w oa n dt h r e el e v e la r ed e s i g n e da n dt e s t e d t h ed i g i t a lc o n t r o l l e ro fb , m ba n ds e v e r a l c o n t r o l s t r a t a g e m sa r ep r o p o s e da n dd i s c u s s e d ，t h ep i dc o n t r o la r i t h r r e t i ci sc h o s e nt o r e a l i z et h ec o n t r o lf u n c t i o n ，a tl a s t ，t h ew h o l ea b ms y s t e mi s d e b u g g e d a n d t h e s u s p e n s i o no f4d e g r e e o f - f r e e d o mi sr e a l i z e di nt h ee x p e r i m e n t k e y w o r d ：a m b ，d i g i t a lc o n t r o l l e r , p i da r i t h m e t i c ，p o w e ra m p l i f i e r v 浙扛大学硕士学位论文 1 1 电磁轴承概述 第一章绪论 1 1 1 电磁轴承的特点与分类 磁轴承( m a g n e t i cb e a r i n g ) 是一种利用磁场力将转子悬浮起来且其轴心位置可控的 非接触式轴承。按照磁力的产生与控制方式，磁轴承主要分为两大类： ( 1j 被动型磁轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ) ，它是一种无源磁浮轴承，利用磁 体本身韵特性来实现悬浮。这种悬浮具有内在稳定性，无需反馈控制系统。被动磁轴 承系统设计简单，并在无控制环节的情况下即可稳定工作，它的缺点是不能产生阻尼， 刚度较小且一般不能随意改变，同时这个系统的稳定域往往很小，外界干扰的微小变 化也可自2 使它趋于不稳定。由于这些原因，被动磁轴承的应用范围较小。 ( 2 ) 主动型磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ) ，即由控制器通过栝测转予位置来主 动控制电磁力的大小，进而实现转子的悬浮。主动型磁轴承使用电磁力来控制转子的 运动，因此又称主动电磁轴承，下文简称电磁轴承。电磁轴承系统的刚度和阻尼原则 上可以自由地、在线地改变，且与转子的位置无关，而且系统稳定域大，控制精度高， 因此被广泛采用。本文研究的对象就是这种主动型电磁轴承。 电磁轴承是集机械学、力学、控制工程学、电磁学、电子学和计算机科学于一体 的颇具代表性的机电一体化产品，由于其独特的性能而受到诸多国内外专家和工业界 人士的关注，相比普通轴承，电磁轴承具有无可比拟的优点，主要表现在无接触和特 性可控两个方面。 1 无接触方面的优点： ( 1 ) 无机械接触，因而无磨损，不但维护费用低而且工作寿命长，其寿命实际上 是控制和执行的各类电气元器件的寿命，远远大于接触式轴承； ( 2 ) 无须润滑，可省去泵、管道、过滤器、密封元件，也不会因润滑剂而污染环 境，因此特别适合于真空技术和无菌车间等超净环境使用： ( 3 ) 轴承功耗低，仅是传统轴承的1 5 1 2 0 ，降低了运行费用； ( 4 ) 允许转子高速旋转，其转速只受转子材料承受离心力的强度限制，这为设计 具有全新结构的大功率机器提供了可能。 2 特性可控制带来的优点： ( 1 1 主动电磁轴承的动态特性可以控制和优化，其动态性能主要取决于所用的控 浙江大学硕士学位论文 制算法和控制参数，这样可使刚度、阻尼等与轴承的工作环境、运行状态和转速相适 应，可使转子平稳运转： ( 2 ) 转子控制精度高，很大程度上取决于控制环节中信号的测量精度，借助优良 的传感器，很容易做到微米级的控制精度； ( 3 ) 为了对主动电磁轴承实施控制，需要对转子的部分状态进行测量，这些信号 还可以用于运行状态的在线监控和系统故障检测等，有利于提高系统的可靠性和智能 化； ( 4 ) 它不仅可支承转子、阻尼振动和稳定转子，而且还可作为激振器使用，对转 子施加激振，利用激振信号和响应信号可以分析一些尚属未知的转子特性。 1 1 2 电磁轴承的发展 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想早在一个多世纪以前就已产生，】8 4 2 年，英豳物理学家e a r n s h o w 就提出了磁悬浮的概念】，并证明了单靠永久磁铁是不能 使一个铁磁体在所有六个自由度上都保持自由稳定的悬浮状态。1 9 2 2 年德国人 h e r m a n nk e m p e r 提出了电磁悬浮原理，并于1 9 3 4 年申请了磁浮列车的专利，成为之 后开展磁悬浮列车和电磁轴承研究的主导思想。1 9 3 7 年美国v i r g i n i a 大学的h o m e s 和b e a m s 对电磁悬浮进行了研究，他们采用电磁悬浮技术悬浮钢珠，并通过钢球高 速旋转时能承受的离心力来测定试验材料的强度，所达到的旋转速度达到了 】8 0 0 0 0 0 0r m i n ( 3 0 0 k ) 。 磁悬浮作为一种新的支承形式，其优良的性能和广阔的应用前景引起了众多学者 和工程技术人员的浓厚兴趣。随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，2 0 世纪6 0 年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。磁悬浮在工程上的应用研究主要有 磁悬浮列车和磁轴承两个方向。在磁悬浮列车方面，自2 0 世纪6 0 年代以来，日、德 两国研究人员在各自国家的大力支持下，进行了持续不断地研究，大约花了十余年时 问研究，设计了各自的超导磁悬浮m l x 与常导磁悬浮t r a n s r a p i d 系统方案，后来又 进行了卓有成效的工程技术研究和发展工作，使得运营时速可达5 0 0 公里的高速磁悬 浮列车技术达到成熟，可以进入建造实用运营线阶段。2 0 0 2 年1 2 月，在我国上海浦 东，利用德国t r a n s r a p i d 系统方案，世界上第一条用于商业运行的磁悬浮列车线建成 通车。 在磁轴承领域，经过3 0 多年的发展，磁轴承特别是电磁轴承在国外的应用场合不 断扩大。国外不仅将磁轴承应用于航天部门、核工业部门，而且已迅速应用到军事部 门和基础工业部门的数百种不同的旋转或往复运动机械上，如卫星惯性飞轮、能量储 存飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平泵、高速数控机床、高速电动机、离心机、透 平压缩机和真空泵等。国外许多公司提供一系列的电磁轴承解决方案，如全球最大的 滚动轴承和密封设备供应商s k f 集团，其电磁轴承产品涉及涡轮压缩机、真空泵，分 2 浙江大学硕士学位论文 布式发电设备、中子斩波器、转子测试系统等1 2 j ，该公司的产品有采用电磁轴承技术 的制冷压缩机，转速2 4 ，0 0 0d m ，功率5 5 k w 采用电磁轴承技术的费米斩波器，转 速3 6 ，0 0 0r m 等。w a u k e s h ab e a r i n g sc o r p o r a t i o n ( w b c ) 是世界最大的涡轮机组轴承供 应商，其子公司w a u k e s h am a g n e t i cb e a r i n g s 是一家具有超过2 0 年商用电磁轴承产品 研发、制造经验的公司，它的产品主要是用于大型旋转机械如军舰推进器、变速箱、 电机、压缩器等的电磁轴承【3 l ，其生产的电磁轴承产品参数如下：轴孔直径 3 8 m m 1 4 7 0 m m ，转速4 0 0 1 2 0 ，0 0 0r m ，最大机器功率2 3 m w ，温度范围一1 8 5c - 4 8 0c ， 最大可承受压强1 7 m p a 。法国s 2 m 公司成立于1 9 7 6 年，致力于高速精密加工机床和 高速电机的电磁轴承研究。多年来，该公司开发了多个电磁轴承产品，广泛应用于机 械加工主电轴、涡轮压缩机、高速机械、真空泵等1 4 j ，如该公司生产的用于高速切削 机床的主电轴配合7 0 k w 永磁电机，转速2 0 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0r m ；生产的采用电磁轴承技 术的涡轮分子泵被广泛用于半导体生产环境，目前正在运行的此类产品超过6 0 ，0 0 0 套。 另外还有m e c o s 公司口i 、c a l n e t i x 公司1 6 j 等，也是一系列电磁轴承产品的供应商。这 况明国外已将电磁轴承作为比较成熟的工业产品推向了市场。 同时，国际上对磁轴承的研究工作和学术气氛也相当活跃。1 9 8 8 年在瑞士苏黎世 召开了第一届“国际磁轴承会议”( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cb e a r i n g s ) ，此 后该会议每两年召开一次。美国n a s a 在1 9 9 1 年召开了“国际磁悬浮技术会议” f i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) 的学术讨论会，此后也是 每两年召开一次。在这些会议上，发表了大量关于磁轴承研究的论文，极大地推动了 磁轴承的研究及其在工业上的应用。 我国从上世纪七十年代末开始对主动电磁轴承进行研究，二十多年来，我国学者 做了不少有意义的工作。西安交通大学润滑理论及轴承研究所从上世纪八十年代初即 开始了对电磁轴承系统的研究，己完成了数字控制器、功率放火器、永磁偏置磁轴承 动力特性分析、圆锥形磁轴承动力学模型等研究f 7 “”，现正致力于电磁轴承工业应用 的研究。南京航空航天大学主要在数字控制系统、三态开关功率放大器、无传感器磁 轴承、永磁偏置三自由度磁轴承等方面展开了研究l j “。清华大学分析了电磁轴承的 模型、刚度阻尼、稳定性等，对磁悬浮高频电主轴，磁悬浮飞轮的控制等做了研究f 2 ”。 上海大学在完成一个基于模拟控制的5 自由度电磁轴承试验台之后，又先后完成了数 个试验台和工业应用样机的研制工作，研究的空气流量1 5 0 m 3 h 、转子质量1 1 6 k g 的 小型磁悬浮涡轮膨胀机的最高转达9 2 1 0 0 r p m 。此后他们又展开了采用单t m s 3 2 0 f 2 4 0 处理器的电磁轴承数字控制技术的研究工作1 3 引。浙江大学对电磁轴承控制系统、功率 放大器、无轴承电机等进行了研究，开发了试验平台和样机，实现了电磁轴承径向四 自由度的悬浮和无轴承电机的低速运行p ”“。国内还有许多单位对电磁轴承系统做了 研究，如哈尔滨工业大学、国防科技大学、武汉理工大学等，在此不一一介绍。由于 电磁轴承涉及的领域广，系统复杂，加上实用化过程中存在各种理论模型无法考虑到 的因素，国内对电磁轴承的研究还处于实验室阶段，尚未得到实际应用。 浙江大学硕士学位论文 由此可见，目前国浅j # l - 对电磁轴承的研究仍然方兴未艾，现阶段的研究方向主要 集中在三个方面：一是改进结构，如采用无传感器电磁轴承、三极型、圆锥形、混合 电磁轴承等，还有把电磁轴承技术与电机有机结合发展起来的无轴承电机；二是提高 控制性能，如采用各种先进控制方法，开发性能更好的功率放大器；三是提高电磁轴 承的可靠性，促进电磁轴承产品的应用。 1 无传感器电磁轴承 传统的电磁轴承需要位移传感器来检测转子位置信号，由于传感器的存在，使轴 承的轴向尺寸变大，系统的动态性能降低，而且传感器往往成本较高，可靠性低。而 无传感器电磁轴承，根据电磁铁线圈电感随转子位置发生变化的原理，在线圈中加入 高频电流信号，该信号会随转子位置变化而引起的电感变化而变化，在线圈中产生相 应电压，透过滤波放大，即可得到转子位置的信息，它不需要位移传感器，因而可以 简化结构并降低系统成本，在工业上具有广阔的应用前景，特别是在不适宜使用普通 1 感器或传感器非常昂贵的情况下，具有特殊的意义。该方法虽然在精度上跟传统的 位移传感器相比还有一定差距，但可以满足系统的需要。目前国内外不少学者对此问 题开展了系统地研究，早期的位置自检测系统采用状态估算的方法，即通过检测执行 线圈的电流来估算转子的位置 o o j ，这种方法虽然比较简单，但位置变化引起的电流与 线圈的执行电流处于同一频段互相耦合，位置检测精度不高，随系统其他参数变化非 常敏感，增加了系统模型的复杂性和控制难度，现在已基本不采用。近来的研究工作 有采用外置高灵敏度感应线圈感应转子位置变化的低成本位置检测装置1 6 “，用外加信 号方式产生高频信号的自检测系统【2 ”，采用电磁轴承功率放大器的一次谐波作为高频 信号来源的自检测电磁轴承系统1 6 2 等。 2 无轴承电机 无轴承电机的绕组提供的磁场不仅要产生支承转子的径向力，而且还产生驱动转 子的扭矩，是集电机和电磁轴承二种功能于一体的机电产品。相比传统的电磁轴承加 电机的组合形式，无轴承电机具有体积小，速度高和扭矩大的特点。近年来国外和国 内都做了不少研究，开发了一些实验样机，有基于无轴承电机的人工心脏6 3 1 l 删、薄片 电机【6 5 】、罗伦茨力型电机鲫、永磁和电磁混合型电机1 等，但总体来讲大多数还停 留在实验阶段，离真正的产品应用还有一定距离。而无轴承电机系统存在强烈的电磁 耦合，且由于温度、磁饱和变化引起电机参数变化，控制十分复杂，对它的研究还远 远没有达到系统和完善的地步，有待进一步的发展。 3 新型结构的电磁轴承 为了达到减少损耗、提高性能或者满足特殊情况的需要，电磁轴承的形式可以多 种多样，远不止目前的几种，有待进一步研究。如采用电磁和永磁体或超导体的混合 4 浙江大学硕士学位论文 轴承【1 4 】f 5 4 】【5 5 】【5 6 1 ，用永磁体或超导体产生的磁场取代电磁铁偏磁电流产生的静态磁场， 以减轻功率放大器负担，降低电磁轴承的损耗。有采用三极结构【2 5 j 【6 8 j 1 6 9 】的电磁轴承， 其每个径向轴承只需2 个功放，还可以减小系统尺寸和轴向长度，从而提高转子的临 界转速，改善动态性能等。采用变频器供电的三极电磁轴承f ，可以省略传统电磁轴 承的功率放大器，采用更加通用和便宜的三相变频器，有利于节约成本。采用圆锥形 混合电磁轴承1 ”j ，同时产生径向和轴向作用力，可以省去推力轴承；采用电磁轴承技 术的磁悬浮直线执行器【7 ”，可以达到很高的精度。总之，为了满足特殊场合的需求， 提出了各种类型的新结构。 4 先进的控制方法和功率放大器 无论采用何种形式的电磁轴承，如何对其进行有效控制是核心问题，为了达到更 好的性能要求，电磁轴承控制环节的改进具有重要意义。控制器的数字化使电磁轴承 可以采用基于现代控制理论的各种控制算法，使它更具有“柔性”，并向多功能、智能 化方向发展。区别于传统的电磁轴承局部线性化模型，采用p i d 控制策略，现在小少 学者利用数字控制器，尝试使用新的模型，如全局线性化模型一“、非线性化模型，采 用诸如滑模控制、模糊控制、神经网络1 5 州控制和h 控制1 5 ”、u 控制、遗传算 法”3 j 等现代算法设计控制器，取得了一定成果，不过很多局限于模型的论证和仿真， 对于实际系统的试验和应用做的不多。功率放大器作为电磁轴承系统的执行环节其 性能的好坏直接影响到整个系统的运行，目前功率放大器普遍采用效率更高、动态性 能更好的开关功放取代线性功放| 2 “，同时开关功放的调制方法也在不断改进，越来越 多的开关功放倾向于采用电流纹波小、开关频率低的三电平调制方式取代两电平调制 方式。 5 电磁轴承系统的可靠性 电磁轴承有很多优点，但迄今工业应用并不普遍，究其原因，一是造价昂贵；二 是可靠性不高，五个自h 度中任一个发生故障，就会导致悬浮失败。特别是在高速旋 转情况下，容易造成很大冲击。为了提高电磁轴承系统的可靠性，做了很多研究，主 要分两个方面，一是分析不同故障后的系统瞬时响应f “，了解其瞬态过程，做出相应 的防护；二是致力于提高电磁轴承系统的可靠性，增强容错能力，如采用冗余功能模 块，提高控制器的故障识别与防护能力等。文献1 7 叫研究了电磁轴承系统各部分的可靠 性，通过收集电磁轴承系统设计和运行中遇到的问题和故障以及对近2 0 0 组使用电磁 轴承的涡轮机组的跟踪研究，发现发生故障可能性最大的是功率放大器及d c d c 变 换器，而位移传感器和电磁执行器发生故障的可能性很小，控制器发生故障的几乎没 有。基于这种情况，文献1 7 4 j 提出了冗余开关功放模块的策略，一旦当前运行的开关功 放出现故障，后备功放能立即发挥作用，防止系统失稳。文献【7 习设计了一种能容错传 感器故障、执行器故障和功放故障的电磁轴承，实验结果展示了其高可靠性。 浙江大学硕士学位论文 虽然目前国内外对电磁轴承进行了比较深入而广泛的研究，但是从应用角度看， 电磁轴承的潜力尚未得到充分发掘，就发展状7 兑而言，它本身也远未达到替代其它轴 承的程度。泵因除造价昂贵及设计理论尚不成熟外，还在于磁材料的性能及电磁轴承 系统的控制方面尚有许多课题亟待研究和解决。不论是在理论上还是在产品化的过程 中，该项技术都存在很多的难题【1 1 ，主要表现在控制系统、动力学和系统设计等方面： ( 1 ) 控制系统存在的难题：电磁轴承本质上是强烈的非线性和分布参数系统，在 高速旋转时产生陀螺效应，各自由度产生耦合，导致系统成为时变参数系统，要实现 精确地控制难度很大。 ( 2 ) 满足转子轴系动力特性引发的难题：电磁轴承作为一项对传统轴承实现革命 性变革的新的支撑技术，当其应用于工作转速为每分钟数万转至数十万转的高速场合 时，其独特的优越性才能充分地显示出来。在这样高速的工作条件下，大多数转子轴 均无法被视为刚性转子轴，丽只能是柔性转予轴。转子轴在运行时，大多要跨越数阶 乃至近十阶临界转速，这一根本性变化使得电磁轴承和转子轴的设计与简单刚性转子 轴系统的设计有着原则的区别，引发了一系列难题。 ( 3 ) 电磁轴承优化设计引发的难题，在一些特例中，虽然在安全性、可靠性、能 耗及最优设计等方面取得了令人满意的结果，但还需要努力对通用的系统设计方法进 行研究。 同时因为磁浮轴承尚处于发展阶段，用户还未能完全了解电磁轴承的优缺点，不 易接受这项技术，因此应该努力促进磁浮轴承在相关领域内的应用，通过推广应用 不断促进和提高电磁轴承的研究水平及其在工业中的应用。 1 2 电磁轴承的控制 由于电磁轴承系统内在的不稳定性，必须通过反馈控制才能实现转子的稳定悬浮。 电磁轴承的控制系统按其实现形式可分为模拟控制系统和数字控制系统。 模拟控制系统处理的都是模拟量，一般采用以运算放大器为核心的模拟电路来实 现，它具有运算精度高，速度快，成本低廉，易于实现的优点。因此在早期的电磁轴 承控制系统中，应用比较普遍。然而其缺点也是显而易见的，一是控制手段单一，往 往只能采用p d 或p i d 控制策略，同时在多自由度的电磁轴承系统中只能对各个通道 分开控制；二是参数调节困难，抗干扰性能差，对电器元件和电路设计要求高。采用 电位器、电阻控制的p i d 参数很难精确量化和保存，模拟控带4 器的运算精度、频带响 应都是建立在高精度的电器元件和合理的电路结构之上，一旦受到干扰或者元件本身 存在问题，如电容的漏电流、运放的失调和温漂等都会给系统带来误差。 数字控制系统主要处理数字量，一般采用以高速微处理器为核心的数字电路来实 现控制功能，它具有模拟控制所不能比拟的优点： 6 浙江大学硕士学位论文 1 运算速度快，精确度高。现在微处理器的频率从几兆赫兹乃至成百上千兆赫兹， 一条指令的完成时间以纳秒计算。处理器往往选用1 6 位或3 2 位，1 6 位的处理器最小 误差为六万五千分之一，3 2 位处理器的最小误差达到四十亿分之一。 2 有丰富的逻辑判断功能，能实现复杂的控制策略和提高系统的智能化。除了传 统的p i d 控制算法，可以尝试各种现代控制算法，如滑模控制、模糊控制、神经网络 控制等，各种控制算法修改和升级灵活，代码移植容易。同时借助处理器和数据存储 设备，可以对系统进行监测和状况记录，预防和减少故障发生，提高系统可靠性。 3 参数调节灵活，与周边电路接口方便，集成度高，抗干扰能力强。 总之，随着微处理器和集成电路的发展，数字电路功能越来越强，成本不断下降。 现代数字微处理器技术的不断发展和相关转换控制电路集成度的不断提高，为数字控 制提供了坚实的平台，可以取得用模拟控制无法实现的效果。因此，目前电磁轴承的 控制系统普遍采用数字控制，本文以基于d s p 的数字控制系统实现其控制功能。 1 3 功率放大器 功率放大器作为电磁轴承系统的重要组成部分，也是刁：少学者研究的重点之一。 根据所采用的器件和原理的不同可分为模拟( 线性) 功率放大器和开关功率放大器。 线性功放利用功率三极管实现电流的放大，具有电流波纹小，频带宽的优点，由 于容易实现和控制，常用于早期的小型磁浮轴承系统。线性功率放大器按功率器件导 通角的大小，可以分为a 、b 、c 三类。 a 类放大器导通角为3 6 0 。，偏置点位于截止区和饱和区之间。它的失真度小， 但是效率通常只有3 0 - 4 0 ，因此a 类功放只用于功率很小的收音机、助听器中。 b 类放大器导通角为1 8 0 。，偏置点位于截止点。由于其导通角仅有18 0 。，单独 使用时失真很大，所以通常组成推挽放大器来使用。b 类放大器最大的优点是无信号 时理论上没有偏置电流，因而没有直流损耗，效率超过5 0 。如果给b 类放大器加少 许偏置，使其工作点上移，则构成a b 类放大器，它的效率在6 0 7 0 左右，失真度 较小。 c 类放大器导通角小于1 8 0 。，偏置点位于截止点以下。当信号输入超过偏置点 时，开关管才导通，效率通常更高，但由于失真过大，多用于高频功放作倍频用。 线性功率放大器具有电流噪声小，频晌好，结构简单，元件数量少，实现起来比 较容易等优点，但是效率低、发热严重是其致命伤，特别是在大功率应用场合，发热 量太大，根本不适合大型电磁轴承系统。即使在小功率场合，为了减小发热量，线性 功放的电源电压一般都不高，这导致电磁轴承电磁力变化率低，系统动态特性不高【l 。 因此，目前电磁轴承系统普遍采用开关功率放大器。 开关功率放大器使用开关管，工作于开关模式，在一个导通周期内，通过大电流 浙江大学硕士学位论文 高电压的时间很短，所以管耗小，效率高，可以承受大电流高电压，有利于提高系统 的动态特性和实现系统大型化。开关功放也存在一些问题，如电流纹波比较大，响应 频带受开关管开关频率限制，电磁干扰大等，但可以通过采用多种调制方法和改进电 路结构等方法改善这种不利因素，本文将在第三章对开关功放做详细介绍。 1 4 本文所做的工作与内容安排 1 4 1 本文所做的工作 电磁轴承由于其突出的优点受到普遍的关注，又由于跨多门学科、结构机理复杂、 设计难度较大，使其发展受到了一定的限制。虽然在研究和应用方面取得了一定的成 果，但作为- - f - j 高新技术，其中涉及的关键性问题的解决方法暂时都还未公开，因此， 要全面掌握电磁轴承技术，还需要深入地研究和试验。 电磁轴承系统是一个典型的机电一体化系统，包括电气控制系统( 传感器、功率 放大器、控制器) 和机械系统( 电磁轴承定子、转予、执行线圈) 。对于普通的电磁轴 承结构，其机械系统的设计和优化已经做了长期的研究，因此性能的好坏主要取决于 电气控制系统的性能。在电气控制系统中，位移传感器作为一种成熟的工业产品，对 其的研究和应用已经非常详实，电磁轴承中需要的位移传感器各种性能参数如精殷、 响应频带等均能得到很好满足，因此传感器不是本文的研究重点，本文主要研究电磁 轴承控制系统和功率放大器。 电磁轴承系统的核心是控制系统，它的性能不仅决定了转予能否悬浮，而且直接 影响到转轴的回转精度、动态响应等影响电磁轴承工作性能的关键指标，在整个电磁 轴承系统的设计中，控制系统的设计及优化显得十分重要。而且由于磁轴承本身的特 殊性，电磁轴承系统的控制系统比其它控制系统有更高的要求。采用电磁轴承的系统， 通常转速高达每分钟数万转，在每一圈的旋转过程中需要对其五个自由度进行5 l o 次的控制，每个自由度必须在在几十微秒之内计算完毕，实时性要求很高。同时电磁 轴承转子活动气隙很小，通常是零点几到几个毫米之间，转子位置控制精度一般在几 十个微米以内，控制精度非常高。这都决定了电磁轴承的控制系统必须实时、精确， 因此控制系统的设计和实现非常困难。 此外，功率放大器也是电磁轴承系统的重要部分，承担着把控制器的控制信号转 换成线圈电流以保持转子悬浮的干1 一用。功率放大器和轴承本体中的电磁铁一起构成电 磁轴承系统的执行器，它的好坏直接影响到整个电磁轴承系统的动态响应、承载能力 等关键指标，所以功放的设计也是电磁轴承系统中具有挑战性的工作。 本文对电磁轴承的数字控制系统和开关功放进行了研究，主要集中在下面几个方 面： 浙江大学硕士学位论文 1 建立了单自由度电磁轴承系统的数学模型，并通过m a t l a b 对其性能和控制 参数进行了仿真。 2 完成了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 处理器的数字控制系统的硬件电路和软件设计。 实现了数字p i d 控制。 3 研究了电磁轴承系统开关功率放大器及其拓扑结构、调制方式、控制方法等， 设计了两电平和三电平p w m 开关功率放大器，并对其性能进行了测试。 4 对电磁轴承系统了调试，顺利完成了电磁轴承四个自由度的静态和动态悬浮实 验，并给出了实验结果。 1 4 2 论文内容安排 本章介绍了电磁轴承的分类特点、国内外的研究现状、发展趋势等，概述了本文 选题的背景和所做的主要工作。 本文在分析了电磁轴承系统结构和模型的基础上，设计了电磁轴承的数字控制系 统和功率放大器，并通过调试实现了其四个自由度的悬浮，将在以后几章一一介绍。 第二章，介绍了电磁轴承系统的结构和原理，对单自由度电磁轴承系统进行了建 模分析，在此基础上利用m a t l a b 对其性能进行了仿真。 第三章，介绍了开关功率放大器的电路拓扑、调制方式及控制方法，设计了基于 p w m 的两电平和三电平开关功放，并对其性能进行了测试。 第四章，介绍了电磁轴承的数字控制系统，通过对多种控制策略的比较，选择了 数字p i d 控制算法作为控制策略，设计了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的数字控制系统，实 现了控制功能。 第五章，介绍了电磁轴承系统的调试，先通过对其软硬件各部分的分步调试确认 各部分功能与接口的正确，然后进行综合调试，通过静态与动态悬浮试验，达到了论 文设定的目标。 第六章，对本文所做工作进行了总结，分析取得的成果和存在的不足，对进一步 的研究工作做了展望。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章电磁轴承数学模型及性能仿真 电磁轴承是典型的机电一体化产品，它包括电气控制系统和机械被控对象，只有 在对被控对象结构模型及其性能分析的基础上才能对其进行可靠地控制。本章主要介 绍了电磁轴承系统的基本结构，分析了其单自由度系统模型，并对其性能进行了仿真。 2 1 电磁轴承系统的基本结构 2 1 1 单自由度电磁轴承组成 一个单自由度的电磁轴承系统由电磁轴承本体、位移传感器、功率放大器和控制 器四部分组成，如图2 】所示。其控制原理是：位移传感器检测转子位置信号，经采 样和保持后输入控制器，控制器根据采样信号，经过特定的控制算法处理，输出拧制 信号给功率放大器，功率放大器根据控制信号在电磁铁线圈中产生相应的电流，电磁 铁产生电磁力使转子动态地悬浮在指定的位置。 图2 i 单自由度电磁轴承原理图 1 电磁轴承本体 电磁轴承的本体即其机械被控部分，包括径向轴承定子、转子和推力轴承定子、 推力盘及各轴承定子上嵌入的绕组。径向轴承定转子结构如图2 2 ( a ) 所示，它的定子 上绕圆周均匀分布一定形状的槽，槽里嵌入线圈绕组。当不同的绕组中通入电流时， 产生不同方向的磁力吸引转子。电磁推力轴承如图2 2 ( b ) 所示，一般采用环形的定子 结构和绕组，两边定子嵌入绕组，通过控制绕组电流吸引推力盘前后轴向运动。对于 径向轴承转子部分，一般在转予两端过盈配合装上一个热套形成转子轴颈，而推力轴 承则在转轴上过盈配合装有推力盘。径向轴承的定子、转子轴颈和推力轴承的定子、 推力盘一般采用导磁性能优良的硅钢片叠成，以增加磁导率，减少涡流损耗。 1 0 浙江大学硕士学位论文 。 卜五 线圈书画 匿l 锄。7 、 猡 j ， j 镑 i 、 转子r 陌菡l i 、一 2 ，? ，飞 ( a ) 径向轴承( b ) 推力轴承 图2 2 电磁轴承的本体结构 2 位移传感器 位移传感器用来确定转子在任意时刻的位置。由于转子的控制精度很大程度上取 决于控制环节中信号的测量精度，因此位移传感器的性能直接影响电磁轴承系统的精 度。用于检测转子误差的位移传感器要求必须是非接触式的，其它相关要求包括：线 性范围、灵敏度、稳定性、温漂、信噪比、抗干扰性能等。 常用的位移传感器类型有电感式、涡流式、电容式、磁位移和光位移等。实际巾 出于价格和性能的综合考虑，电磁轴承系统中大多选择电涡流式位移传感器。 在电磁轴承应用的电涡流传感器除了要有高灵敏度、高分辨率和高信噪比外，还 要根据电磁轴承的结构配置合适的传感器探头和前置器。国外的一些电磁轴承产品如 m e c o s 公司生产的电磁轴承控制器就将传感器前置器和d s p 处理器集成在一块多层 电路板上，减少了从传感器到控制器的信号传输过程中的干扰。瑞士e t hi n t e g r a t e d s y s t e m 实验室研究的电涡流传感器，将传感器信号直接在内部芯片采样保持，输出的 是数字信号，可以直接传给数字控制器，大大提高了信号的抗干扰性1 8 】。 3 功率放大器 功率放大器把控制信号转化为电流信号，以产生电磁力保持转子的稳定悬浮。功 率放大器的负载是电磁铁绕组线圈，主要表现为感性负载，而且响应速度很高，通常 高于1 k h z ，很少有商品化的功放产品能满足其使用要求，需要专门的设计。不过也 有个别厂商专为特殊用途如电磁轴承系统、测试设备生产的专用开关功放模块，如 a p e x 公司生产的s a 系列p w m 开关功放模块，模块内集成了桥式电路及其驱动和 保护，只要少许外围器件即可做成一个完整的开关功放。 4 控制器 控制器根据一定的控制算法进行运算，发出控制指令，是电磁轴承系统的核心。 从电磁轴承的发展来看，控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的转变。相比模拟 浙江大学硕士学位论文 控制器，数字控制器具有很多优点，如运算速度快，精确度高，控制灵活，抗干扰能 力强等。同时电磁轴承控制系统的数字化使其可以采用基于现代控制理论的各种控制 算法，使它更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。 2 1 2 五自由度电磁轴承系统结构 利用电磁轴承实现转子的稳定悬浮，需要对其五个自由度实施有效的控制，包括 四个径向自由度和一个轴向自由度，即由两个径向电磁轴承( 各构成x 、y 两个方向) 和一个推力电磁轴承( z 方向) ，构成一个五自由度的电磁轴承系统，如图2 3 所示。 图2 3 五自由度电磁轴承系统示意图 2 2 电磁轴承系统的数学模型 根据文献ij l ( 1 2 7 1 4 1 页) 对电磁轴承转子系统的分析表明，轴向自由度与各径向自 由度不存在耦合，径向各自由度之问虽然存在惯性耦合和陀螺效应耦合，但是这种耦 合效应并不强烈。如果忽略惯性耦合和陀螺效应耦合，可以将电磁轴承各个自由度分 开考虑，按这种方法设计的控制器称为分散控制器。采用分散控制器的系统，相比采 用集中控制器的系统( 考虑了各自由度的耦合) ，计算量大大下降，性能的降低很小f ”， 因此电磁轴承系统普遍采用分散控制方法。 2 2 1 单自由度电磁轴承的数学模型 一个完整的电磁轴承一转子系统，忽略各自由度的耦合，可以简化成五个独立的 子系统分别加以控制，下面以一个径向轴承y 方向( 垂直方向) 为例建立单自由度电 浙江大学硕士学位论文 磁轴承的数学模型。为了便于分析，特作如下假设： ( 1 ) 不考虑电磁铁的漏磁，忽略边缘效应、铁心的磁阻和损耗； ( 2 ) 将转子作为单质点集中质量来处理。 ( 3 ) 上下两个电磁铁以及功率放大器的结构对称，工作特性以及参数相同。 b + ， + i ， 、 ， 功 + 写 。， 图2 4 单自由度差动驱动模式 设轴承气隙横截面积为s o ，线圈匝数为n ，稳态时的气隙为“，当垂直方向向下 产生偏移y 时，设转子与上磁铁之i 剐的气隙为( “+ y ) ，转子与下磁铁之f n 的气隙为 ( c o y ) 。偏磁电流为，功率放大器以差动方式工作时，上、下线圈上的电流分别( 蠢、) 及( i o f 。) ，则上、下电磁铁上产生的电磁吸力分别为： f ：t o s o n 2 i ? ：丝业 1 2 4 西 4 l c o + y 五= 可p o s o n 2 i ；4 = 趟4 警) 2 亿，一 最 【c ，、一vj 、 式中1 0 = 4 z c x l o - 7 ( 日m j 为真空磁导率。 则作用在转子垂直上的电磁合力f 为： w 吩华 ( 等 2 - ( 糟 2 b z ， 当转子静态悬浮在轴承的几何中心时，y = 0 ，此时有： = m g = a o s o n 2 厶c 0 2 i y o = m g c 0 2 i f o s o n 2 l o ( 2 3 ) i y 。为转子悬浮于轴承中心且偏置电流为i o ，需要的控制电流。 当转子在其静态平衡位置附近作小位移扰动时，对式( 2 2 ) 作t a y l o r 展开，将力的 增量线性化。设转子发生位移为y 时，这一对磁极间产生的合力应为 浙江大学硕士学位论文 e = 学 警) 2 - ( 警) 2 偿4 ， 按二阶t a y l o r 展开，并略去商阶小量后，可以得到： c 吨学y + 蚤 f y = f y o + k 口y + k y jvq 其中= - m s o n 2 ( 1 0 2 + 2 ) c 0 3 为位移刚度系数，k = m s o n 2 l o l c 0 2 为电流刚度系数。 当 厶时，可以将i ，中的项略去。 设转子的位移为向下) ，为了回到原来的平衡位置，则转予在电磁铁电磁力和各 种干扰力作用下受到向上的台力一，转子加速度方向向上，利用牛顿第二定律， 可以得到单自由度轴承转子系统的运动方程为： m 多= y y y + k y 。i - 一，y( 2 其中六为包括重力在内的y 方向的干扰力，方向向下，如图2 4 所示。 对式( 2 6 ) 作拉氏变换可得到轴承转予系统的开环输入与输出之间的关系为： ，圮f 二y ( j ) = k w y ( j ) + - ，。( j ) ( ，( s j 即： m ，= 去渺器 亿， 2 2 2 主动电磁轴承系统的传递函数 1 转子系统传递函数 转子的输入输出关系如式( 2 7 ) ，在分析轴承系统时，通常的做法是将转子的传递 函数写为下式： 塑：垒 ly m s l 一k h 2 位移传感器 在线性范围内，位移传感器的特性用传递函数g 。( s ) 表示为： 1 4 ( 2 8 ) 浙江大学硕士学位论文 g 如) = 彘 式中，4 为传感器的增益，r 为滞后时间常数： ( 2 9 ) 3 功率放大器 本系统采用的是电流控制型功率放大器，在线性范围内，其传递函数为： g r ( 加南 ( 2 1 0 ) 式中，a 。为功率放大器的增益，l 为功率放大器的惯性环节时间常数； 4 控制器 本系统的控制算法采用p i d 控制，标准的p i d 调节器的传递函数为： q ( y ) = k r + k ，二+ k ，s( 2 1 1j 式中k ，为比例常数，k ，为积分常数，墨，为微分常数。 对于包含有纯微分环节的完全微分的p i d 控制策略，微分项的输出仅在误差扰动 突变的第一个周期起作用，对于时| 、日j 常数较大的系统，调节作用很小，不能达到超前 控制的作用。当p i d 控制采用纯微分时，系统对高频噪声非常敏感，容易引起不稳定， 所以通常在微分项中加入个具有小时间常数l 的惯性环节，以抑制高频干扰，此时 的p i d 传递函数为： g ( 咆+ 巧+ 嵩 ( 2 1 2 ) 5 系统的闭环传递函数 采用电流控制的电磁轴承系统结构框图如图2 5 所示，其中位移传感器环节的传 递函数为g ( s ) ，控制器环节的传递函数为瓯( s ) ，功放环节的传递函数为g 。( s ) ，转予 系统的传递函数为y ( s ) 。 浙江大学硕士学位论文 图2 5 电磁轴承系统闭环结构框图 单自由度电磁轴承闭环传递函数如下： ) = 嚣= 孑乏k 瓦y , g , 瓦( s ) g 面p ( s ) 丽而 2 1 3 )、。 r ( s ) ，”s = 一七w + 后。g ，( 5 ) ( t ( j ) g ，( s ) 2 3 单自由度电磁轴承系统的仿真 以上分析了采用p i d 控制的单自由度电磁轴承系统的数学模型，我们可以从理论 上求出系统稳定时p i d 参数的取值范围，但是不同p i d 参数下的响应情况千差万别， 要从理论上找出符合实际系统的最优参数往往是非常幽难的。但是通过仿真研究，选 取一些有代表性的参数，求其响应曲线，我们可以对系统有一个感性的理解：其次通 过仿真，有意的逐个改变参数，可以比较明确地了解不同的参数对系统性能的影响； 再次，通过仿真可以大致确定系统参数的最优范围，减少实际试验次数，提高效率， 减少可能的试验损失。 单自由度电磁轴承系统仿真采用的参数如下表2 1 ，基本与电磁轴承试验台的参数 一致。 表2 1 电磁轴承基本参数 棚( 蚝) c o ( m ) n ps o ( m 2 ) ( 圈) ，0 ( a )- t o