（电力电子与电力传动专业论文）基于非线性pid算法的磁浮轴承电控系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t i n c o m p a r i s o nw i t ht h e c o n v e n t i o n a lb e a r i n g s a c t i v em a g n e t i c b e a r i n g s ( a m b ) ，w h i c hu s ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c et os u p p o r tar o t o rf l e e l y a l eb e i n gw i d e l y u s e di nr o t a t i n gm a c h i n e r y b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ，a m bi sa t t r a c t e dag r e a td e a l o fa t t e n t i o no fs c i e n t i s t sa n dm a n u f a c t u r e s i ti sac o m p o s e ds y s t e mi n c l u d i n g m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，m a g n e t i c ，a n dc o m p u t e r s f i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cw o r kp r i n c i r ，l eo fa m b ，a n a l y z e st h e e x p r e s s i o n so fm a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o m a g n e t i s mf o r c e ，d e d u c e st h em a t h e m a t i c s m o d e lb a s e do nt h ee x p r e s s i o n , a n dh e n c e ，t h el i n e a rm o d e lo fa m b t h e n ，a st h e k e yp a r t so fa m b ，p o w e ra m p l i f i e ra n dc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d b yc o m p a r i n g w i t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sm o d u l a t et e c h n i q u e su s e di nt h e s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r sa tp r e s e n t s a m p l e - h o ms t r a t e g yi sa d o p t e dd u et o , i t s f a i r l ys i m p l ec i r c u i tw i t hh i g hf r e q u e n c yb a n d w i d t ha n df a s td y n a m i cr e s p o n s ei na w i d el o a dr a n g e t h ew a yt od e s i g ne a c hp a r to fp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i ti sa l s o e x p l a i n e d b e s i d e s ，w h e nc o m e s t ot h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n , an o n l i n e a rp i d c o n t r o la r i t h m e t i cw a sp a tf o r w a r db a s e d0 nt r a d i t i o n a lp i e ) c o n t r o la r i t h m e t i c s i m u l a t i o nc o m p a r i s o n sa r em a d et ot h et w od i f f e r e n tc o n t r o la r i t h m e t i c sw i t h m a f l a b a tl a s t , t h eh a r d w a r ea n ds o r w a r eo fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pi s d e s i g n e d f i n a l l y , l e v i t a t i o ne x p e r i m e n to fs i n g l ef r e e d o md e g r e eo fa m b i sr e a l i z e d , i t s h o w st h ea v a i l a b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo f s y s t e md e s i g n k e yw 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 s ) s a m p l e - h o l ds t r a t e g y n o n l i n e a rp i dc o n t r o l l e rd i 彘r e n t i a lc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 磁悬浮轴承是一种利用电磁场力将转子悬浮于空间，不需要任何介质而 实现承载的非接触式支承装置，与传统的滚动轴承和滑动轴承相比较，磁悬 浮轴承明显的特点在于没有机械接触，不需要传力的介质，而且其支承力可 控。由此而具有传统轴承无法比拟的优越性能：由于没有机械摩擦和磨损， 所以降低了工作能耗和噪声，延长了使用寿命：动力损失小，便于应用在高 速运转场合：由于不需要润滑和密封系统，排除了污染，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；具有良好的转子动力学特 性0 - 1 0 】。 磁悬浮轴承的种类很多，按照悬浮磁场的不同磁悬浮轴承可分为三大类： ( 1 ) 主动磁浮轴承( a c t i v em a g n e t i eb e a 血g ，简称a m b ) ，轴承磁场是可控 的，通过传感器检测转轴的位置，由控制系统对电磁铁电流进行主动控 制来实现转轴的稳定悬浮。 ( 2 ) 被动磁浮轴承( 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 ) ，轴承部分自由度 由超导磁体或永磁体来实现被动悬浮支承。 ( 3 ) 混合磁浮轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ，简称h m b ) ，轴承的机械结构 中既包含了可控的电磁铁，又包含了提供偏置磁场的超导磁体或永磁体。 目前常采用的是主动磁悬浮轴承( a m b ) ，是一种应用转子动力学、机 械学、电工电子学、控制工程、磁性材料、测试技术、数字信号处理等综合 技术，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的新 型高性能轴承。 1 2 磁悬浮轴承的优点 ( 1 ) 磁力轴承具有无接触，无润滑以及无磨损等特点，它可用于真空技术， 净室及无菌车间以及腐蚀性介质或非常纯净介质传输。 ( 2 ) 允许转子高速旋转，其转速只受材料强度的限制。速度的不断提高，为 设计具有全新结构的大功率机器提供了可能性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 3 )由于没有机械磨损，不但维护费用低而且工作寿命长，这也是目前在透 平机械中不断应用磁轴承的主要原因。 ( 4 ) 磁悬浮的动态性能主要取决于所采用的控制规律，这样就有可能在物理 极限内使刚度和阻尼与轴承的工作环境甚至与运行状态和转速相适应。 术语“刚度”和“阻尼”不仅包括传统的静态部分即弹簧和阻尼系数， 而且还包括与频率有关的动刚度。这就使得人们有可能利用磁轴承进行 隔振，使转子平稳地通过临界转速，甚至当系统受到非守恒扰动时稳定 转子。 ( 5 ) 转子的控制精度，主要取决于控制环节中信号的测量精度。 正是由于磁力轴承具有以上优点，因此受到了国内外学术界和工业领域 的广泛关注。 1 3 磁悬浮轴承技术发展与研究现状 磁悬浮轴承的概念早在1 0 0 多年前就被提出来了，到了1 9 3 7 年，德国 工程师k e m p e r 申请了第一个磁悬浮技术专利，他认为要使铁磁体实现稳定 的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可控 电磁铁才能实现，这一思想成为这之后开展磁悬浮列车和磁浮轴承研究的主 导思想 2 】。磁浮轴承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，本世纪6 0 年代中期对磁浮 技术的研究跃上了一个新台阶。英国、日本、德国都相继开展了对磁浮列车 研究。磁浮轴承研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。 在国际上，据有关资料记载【6 】：1 9 6 9 年，法国军部科研实验室( l r b ) 开始对磁浮轴承的研究：1 9 7 2 年，将第一个磁浮轴承用于卫星导向轮的支撑 上，从而揭开了磁浮轴承发展的序幕。此后，磁浮轴承很快被应用到国防、 航天等各个领域。美国在1 9 8 3 年1 1 月搭载子航天飞机上的欧洲空间试验仓 里采用了磁浮轴承真空泵；1 9 7 6 年法国s e p 公司和瑞典s k r 公司联合成立 的s 2 m 公司对超高速精密加工机床用的磁悬浮轴承主轴进行了系统的研究 和开发，1 9 8 3 年s 2 m 公司在第五届欧洲机床展览会上展示了磁浮轴承电主 轴部件。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浮 轴承公司，在日本主产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等，周年日本东洋 公司也推出了高速磁浮轴承铣削头，并将磁浮轴承列为8 0 年代新的加工技 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 术之一。磁浮轴承的发展与研究越来越受到国内外工程界和学术界的广泛关 注。从1 9 8 8 年至今相继召开了多届国际磁浮轴承会议，从已发表的文献资 料可以看出，其研究内容涉及到电磁学、电子学、控制理论、机械学、转子 动力学、材料学和计算机科学等学科。目前较为活跃并处于领先地位的主要 有瑞士联邦工学院( e t h ) 、美国m a r y l a n d 大学和v i r g i n i a 大学、日本东京 大学和英国s u s s e x 大学等研究机构，以及法国s 2 m 、瑞士i b a g 、英国g l a c i e r 、 美国a v c o n 、m t i ，s a t c o n 等生产厂家 3 1 1 4 1 。 国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室及工业试验运行 阶段，未见批量生产的例子报道。1 9 8 6 年，广州机床研究所与哈尔滨工业 大学对“磁力轴承的开发及其在f m s 中的应用”课题进行了研究。清华大学对 磨床电主轴及磁悬浮轴承相关的电涡流传感器、数字控制器、最小脉宽功率 放大器进行了研究，并在无锡机床厂进行了试验，静态刚度为3 9 3 n g 。西 安交通大学对支承飞轮的磁悬浮轴承和涡轮膨胀机用磁悬浮轴承进行了研 究。上海大学试验研究的磁悬浮轴承制氧透平膨胀机，在1 2 0 0 0 r m i n 时振 动为2 0 i _ t m ，稳定转速为9 2 0 0 0 r m i n 。武汉理工大学对磁悬浮轴承高速磨削 主轴结构以及磁悬浮轴承虚拟设计进行了研究。深圳大学研制成功一台磁悬 浮轴承试验样机。另外，哈尔滨工业大学、北京工业大学、国防科技大学等 都曾经或正在开展这方面的研究工作。总体来看，国内的磁悬浮轴承研究主 要集中在离心设备、磨床电主轴和高速钻头主轴等，但都没有批量产品出现 的报道，和国外先进水平还有一定的差距。而且在轴承刚度和承载能力方面 距离大规模应用还有一定差距，在工业应用方面基本上是空白。有关磁浮轴 承设计方面的技术指标和标准还没有制定。 近几年来，随着机电一体化技术、微电子技术、信号处理技术和控制技 术的迅猛发展，主动磁轴承技术也得到了前所未有的进步。从这些方面看， 今后主动磁轴承的发展趋势主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 理论方面研究。将在重视控制系统研究的同时，也将着重研究系统的 转子动力学分析，从而更有效的改进控制算法：如采用模糊控制、神经网络 控制、变结构控制等智能控制方法，以实现对复杂转子动力学特性的控制。 ( 2 ) 数字控制器硬件和软件的研究。为满足磁轴承更高的性能要求，以及 实现复杂高级的控制算法，控制器必然将向数字化、智能化和集成化方向发 展。控制器的数字化，可以在系统开发阶段轻易进行各种可能控制策略的实 验，且系统的更新换代往往只涉及到软件的修改，可以缩短开发周期和降低 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 开发的成本。 ( 3 ) 无传感器电磁轴承的研究。其优点在于不需要传感器，可以降低成本、 减小体积，减少引线等，从而提高了系统的可靠性，也有利于提高临界转速、 提高静态承载力。 ( 4 ) 磁轴承的应用推广。将磁轴承广泛用于工业设备，一直是研究人员追 求的最终目标。应用和研究是相辅相成的，通过推广应用，可以不断提高磁 轴承的研究水平。 1 4 磁悬浮轴承发展面临的技术难题 随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，国内外对磁 悬浮技术的研究都取得了很大的进展。但是，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，主要表现在控制系统和满足轴承转 子系统动力特性方面。 1 、控制系统方面： 目前，适用于航空、航天、航海等尖端科技领域的高功率、高密度和高 速工作的磁浮轴承的针对性研究尚不多见。这是因为a 硬件( 如电磁材料、 绝缘、功放等) 方面的局限性限制了高指标的要求；b 磁浮轴承的控制特性 在本质上是强烈非线性。在电磁结构设计上要求具有高功率密度的情况下， 是系统的非线性特性更加突出；c 转子的高速旋转使转轴产生陀螺效应，原来 可分别控制的各通道产生了耦合，导致系统称为参数时变系统，同时在高速 情况下，转子质心的不平衡也构成随转速变化的振动干扰。 2 、轴承转子系统动力特性方面： 当磁浮轴承在高速的条件下工作时，大多数的转予表现为柔性转子。转 子在运行时，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磁 浮轴承和转子轴的设计和实现与简单刚性轴承转子系统有着原则的区别，引 发一下一系列难题：用经典控制理论指导多质点柔性转子轴的稳定悬浮极为 困难；多质点柔性转子系统中，自由度数目随质点数目成四倍地增长，质点 之间、径向支撑与转子之间、转子轴向与横向振动之间的耦合不可避免，而 减小耦合程度是解决振动问题所必须的：转子系统提供的刚度和阻尼是完全 建立在控制单元的深度负反馈的基础上的，而且其阻尼系统的大小强烈地依 赖于工作频率。这种依赖性决定了当系统控制单元差数一经整定并保持不变 时，系统出现“o ”阻尼甚至负阻尼的情形在所难免。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 为了解决以上难题，国内外的科技人员多方面地探讨。针对控制系统， 有的研究人员提出了解决办法，例如具有强鲁棒性的滑模控制、模糊控制和 神经网络控制等等，但还处于研究阶段。对于解决由满足轴承转子系统动力 特性引发的难题，还需要转子动力学理论的进步完善。 1 5 本文的研究意义 磁轴承的无接触特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长旋转机组 的使用寿命，改善其运行条件，因而在交通、冶金、机械、材料等各个方面 有着广阔的应用前景。在我国，磁浮轴承技术的研究主要是从事理论上的研 究，在此基础上进行模拟试验，为实际应用磁浮轴承技术提供理论依据。进 行磁浮轴承相关应用技术的研究，再进行试验验证，可以实现学科间的交叉、 渗透，推动旋转机械高技术产品的开发与应用。总之，磁浮轴承技术研究具 有十分重要的理论意义和现实意义。 本文针对磁浮轴承系统的非线性的特点，首先建立了单自由度系统轴向 和径向的动态数学模型，详细的分析并设计出主电路一功放电路。另外，在 经典p i d 控制算法的基础上提出了一种基于非线性补偿的p i d 算法，采用 m a t l a b 中的s i m u l i n k 搭建了p i d 和非线性p i d 控制模型，并进行仿真研究 和比较。最后通过d s p 来实现非线性p i d 算法，并对整个系统进行试验与 调试。研究结果可以为磁浮轴承转子系统的进步研究奠定理论基础，以及 磁浮轴承转子在实际高速工况中的应用提供理论依据。 1 6 研究内容 第一章绪论部分，主要介绍磁力轴承的性能特点，以及其国内外的研究 和发展现状、发展趋势以及现在面临的技术难点； 第二章介绍电磁轴承系统的组成和工作原理，对电磁轴承各个部分之间 相互关系。并以单自由度系统为例给出了磁力轴承的轴向以及径向的数学描 述，为后面控制部分和功率放大器部分的研究做准备； 第三章分析电磁轴承的执行机构一功率放大器电路响应速度和效率等， 然后详细介绍了功放电路的各种调制方法及其各自特点，并在此基础之上选 择了本次设计的主电路及其调制方式，最后对主电路进行了设计和器件选型： 第四章研究磁悬浮轴承控制方法，分析和比较了电压控制策略和电流控 制策略；在分析p i d 控制方法的基础上提出了非线性p i d 控制算法，然后详 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 细阐述了非线性p i d 算法：建立系统传递函数并运用m a t l a b 对两种控制算法 进行比较分析： 第五章利用d s p 来实现非线性p i d 算法，首先设计d s p 的硬件外围电 路，然后完成软件框架搭建，并编写与调试程序： 第六章在前几章的基础之上把整个系统搭建起来进行试验，并对试验结 果进行分析。 结论部分总结了整个设计内容，并对后续的研究进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章磁浮轴承系统组成 磁悬浮轴承系统是典型的机电一体化产品，它包括电控系统( 传感器、 控制器、功率放大器) 和被控对象( 机械部分) 。磁悬浮轴承系统性能好坏不 但取决于电控系统还依赖于机械部分结构设计。相对于电控部分来说，电磁 铁、转子等构成的机械系统如果机械结构、参数的设计不够合理，将会使被 控的机械对象难以控制，从而影响控制效果。只有结构和参数合理，建立的 模型准确，才有可能设计出性能优良的电控系统。本章简要介绍磁悬浮轴承 系统结构和系统参数，分析机械结构和系统模型，选择适当的控制方法，为 控制系统设计提供依据。 2 1 概述 图2 - i 简要显示了一个简单主动磁悬浮轴承系统的组成部分及功锹”。 一个典型的主动磁悬浮轴承是由转子、电磁铁( 即执行机构) 、传感器、调节 控制单元和功率放大器等五大部分组成。设电磁铁绕组上的电流为时，它 对转子产生的吸力f 和转子的重力嘲相平衡，转子处于悬浮的平衡位置， 则这个位置也称为参考位置。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动， 转子就会偏离其参考位置向下运动，此时传感器检测出转子偏离其参考位置 的位移，控制器将这一位移信号变换为控制信号，该控制信号使得电磁铁上 的电流增加i ，相对于参考位置电流，此时的控制电流由毛增加到+ e ，因oi o 图2 一l 主动磁悬浮轴承的工作原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 此，电磁铁的吸力变大了，从而使转子返回到原来的平衡位置。如果转子受 到一个向上的扰动并向上运动，此时控制器就使得功放的输出电流由乇变为 f 0 一，电磁铁的吸力变小了，转子也能返回到原来的平衡位置。因此，不论 转子受到向上或向下的扰动，图2 1 中的转子在控制器的控制下始终能处于 稳定的平衡状态。 2 2 轴承电磁铁结构 本课题研究的是一个立式的磁悬浮轴承( 如图2 - 2 所示，出于画图方便将 图顺时针转动9 0 度) ，对于立式结构的电机系统，轴向轴承主要承载的是转 予本身的自重，属于单方向静态载荷，而其动态载荷相对较小。所以可采用 单边工作方式的圆盘电磁铁系统。而径向轴承无静态载荷，但需要承担双向 的动态载荷，因此，我们在每个自由度上设计两个电磁铁进行差动控制，使 得能产生正向力、负向力，满足动态载荷双向变化的要求。 图2 - 2 磁浮轴承结构示意图 2 2 1轴向电磁铁 轴向磁浮轴承借助轴向电磁铁对转子的电磁吸力来平衡转子自身的重 量，同时对转子的轴向运动进行约束。对于立式结构的电机系统，轴向轴承 主要承载的是转子本身的自重，属于单方向静态载荷，而其动态载荷相对较 小，所以可采用单边工作方式的圆盘电磁铁系统，如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 对于立式的磁悬浮轴承来说它的轴向静态载荷就是转子本身自重，由于 在起浮的时候的气隙要大于理想的工作气隙，所以存在起浮电流计算问题。 线淘 豢力盥 图2 - 3 磁悬浮轴承轴向结构图 在均匀气隙磁通，不考虑铁芯磁阻、 磁通产生的吸力时( 忽略边缘效应) ， 漏磁及涡流情况下，当仅考虑均匀气隙 电磁吸力计算采用麦克斯韦公式： f - - 盟 ( 2 1 ) 2 4 、7 由安培环路定律可得气隙磁感应强度公式： b ：4 m ( 2 2 1 x 式中：s 一有效磁极面积，风一空气磁导率，占一气隙磁感应强度，h 一线 圈匝数，f 激磁电流，x 一单边工作气隙。 由上面两式可知，电磁吸力与气隙的平方成反比，气隙越大，吸力越小， 要想正常起浮，必须增大起动电流。这就要求驱动电磁铁的功率放大器能提 供足够的输出电流。特别当静载较大时，起动电流问题更不可忽视，设计悬 浮电磁铁时需考虑相应的起动电流值。设： c = 去焉= 簪b - 2 p s ) 上式中c 为静载时所需的吸力；s o 为静态磁感应强度；f 0 为静态电流。 这里的8 0 并不一定是通常情况下的吃2 ( 吃铁芯磁感应强度线性区的 最大值) ，的大小主要取决于静载的大小。求岛的意义有两个：其一，鼠 对应着起浮时的磁感应强度：其二，由玩可进一步估算毛，是起浮电流的依 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 据。而f 0 是由公式2 - 3 确定的与玩对应的电流，可称为系统静态电流( 偏置 电流) 。起浮时候的气隙一般为稳定工作气隙的两倍，若要在静载下由电磁力 起浮转子，起浮力只需要满足： 只2 麦爵2 c 。去瑶( 2 - 4 ) 从而可得： 吃= 玩( 2 5 ) 毋为起浮时的磁感应强度。 由公式2 2 可知，当气隙增大一倍时，电流也需要增大一倍才能保持口值 不变，所以起浮的电流需要满足= 2 i oa 值得一提的是有时起浮时气隙未 必是理想气隙的两倍，这时只要控制激磁电流，使其与起浮时的气隙配合， 提供b 。= 坑，就能正常起浮1 1 】。 2 2 2 径向电磁铁 径向轴承借助径向电磁铁的电磁 吸力来平衡转子旋转时产生的干扰力， 使转子几何中心线始终保持在定子轴线 上，对转子进行动态定位。因此，除了 轴向轴承外，转子还需要两套径向轴承 才能构成完整的轴承系统。 主动磁悬浮轴承的径向结构如图 2 - 4 所示。在这种结构形式中，磁悬浮 轴承与电动机相似，易于制造。但是磁 滞损耗比较大，因此在这种结构形式中， 为了使磁滞损耗尽可能地小，转子必须 图2 - 4 径向电磁铁结构图 是叠片式的，即转子的磁作用部分必须由压紧的圆形冲片叠片而成。由于机 械系统的仿真、控制系统的设计和转子运动的测量通常都是建立在直角坐标 轴x 和y 的基础上，为了使轴承的控制得以简化，径向磁悬浮轴承的布局 一般都才采用8 极结构形式，如图2 4 所示。在大轴承情况下，可以采用增 加磁极数目的办法，如采用1 6 极结构形式等。 2 2 3 电磁铁线圈的绕制方式 电磁铁线圈是磁轴承系统的主要执行机构，它是功放的直接控制对象， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 其绕制方式的不同将决定后续研究中功放主电路的选择和设计，所以了解线 圈的绕制形式对系统的研究和功放的设计都有很大的指导意义。 磁浮轴承系统在一个自由度上通常采用差动工作方式，当转子处于平衡 位置时，该自由度上的两个磁铁的偏置电流产生大小相等、方向相反的力 矗，( 只，i o ) 即为该自由度的静态工作点。若在外力的干扰作用下，转子 向某侧偏移，控制器根据偏移量( 位移传感器检测) 的大小，输出一个控制 信号，使该侧电磁铁电流减小i o ，另一侧电磁铁电流增加t 。这样，两个电 磁铁的合力与扰动位移方向相反，使转子恢复到平衡位置。根据磁铁线圈中 电流的特点，可以采用单线圈控制方式和双线圈控制方式。由于其线圈绕制 的不同，控制方式也不同，相应的功率放大器设计也就不同【b 】。 2 2 3 1 单线圈控制方式 单线圈控制即电流迭加式( 如图2 5 所示) ，是指偏置电流矗与控制电流之 共用一个线圈，气隙中的磁场是由i o 与t 迭加而产生的，两个电磁铁的磁场 是独立控制，互不联系的。这种方式中，磁铁电流是连续、单方向的，在一 个线圈内电流为i o t 0 。因此，控制磁铁电流的主电路可采用两象限h 型 斩波器。两开关管同时导通和关断，控制磁铁电流的增加和减小。改变导通 比，即可改变线圈中的平均电流，来实现电磁力的改变。 图2 5 单线圈控制接线示意图 2 2 3 2 双线圈控制方式 双线圈控制方式也称磁场迭加式，就是将每个电磁铁的线圈分为偏置线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 圈与控制线圈( 如图2 - 6 所示) ，其中分别通过偏置电流与控制电流f 。气 隙中的磁场是由乇与t 分别产生磁场后迭加而成的合成磁场。由于t 是双向变 化的，方向有正有负，主电路必须采用四象限斩波器，各磁浮轴承的静态工 作点可由一个独立于控制系统的外部恒流源提供。静态工作点一致性较好， 也便于统一调整。控制线圈不需要提供偏置电流采，功率管通过的电流较小， 可采用成本较低的功率管。 由以上分析可知，两种控制方式控制效果是一样的，但也存在不同之处： ( 1 ) 单线圈控制的优点是每个磁铁上只绕制一个线圈，引出线少，工艺 简单。但是由于线圈电流i o t 均通过功放率管，功率管发热大，故对元器件 以及散热设计要求较高。 图2 - 6 双线圈控制接线示意图 ( 2 ) 双线圈控制方式中，两个偏置线圈电流厶一致，两个控制线圈采用 反串方式联接，可使两个控制线圈共用一个功率放大器，控制电流i ，大小也一 致，故受线圈绕组与元器件不一致性影响小减小，比较符合差动工作方式的 要求，但驱动电路设计相对复杂一些。 必须指出的是，以上是基于转子和定子为理想情况下，从控制系统的角 度来分析的。如果由于加工或安装等原因，造成平衡点各磁铁气隙不完全一 致，用单线圈控制方式，单独设定偏置电流会更方便一些。 此外，由于磁铁线圈是感性负载，电流不能突变，在需要改变电流方向 时，电流要从一个方向上由大到小直至为0 ，然后再反方向由小到大。设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 控制系统时必须考虑到电流的反应速度，且驱动电路设计时，必须防止同一 桥臂的两个功率管直通。 2 3 功率放大器 2 3 1 线性功率放大器 线性功率放大器( 简称线形功放) 由于结构简单、实现容易、调试方便， 因而在早期小功率等级的磁轴承系统中得到了广泛的应用。图2 7 所示为最 简单的线形功放原理图【1 2 】。其工作原理如下：给定的指令电流与反馈电流比 较后的误差信号，通过控制器的作用，得到晶体管的控制信号。调节晶体管 集电极与发射极之间的电压降，从而控制磁轴承线圈上的电压，最终实现电 流控制的目的。 礁 知 承 拢 l 簿 图2 - 7 线形功放结构示意图2 - 8 基本开关功放结构示意图 线形功放具有电流纹波小，噪声低等优点，但其功率损耗大，效率低， 限制了其在大功率场合的应用。线形功放的功率为支漉母线电压与线圈中电 流的乘积，其损耗取决于流过晶体管的电流及其集电极与发射极之间所承受 的电压。磁轴承的动态调节能力取决于除了稳态时线圈上的电压外功放所能 提供的额外电压。这个额外电压在数值上等于稳态时降落在晶体管集电极和 发射极之间的电压，因此轴承的动态调节能力直接与功放的热损耗有关。从 效率角度讲，直流母线电压越低，效率越高。但过低的电压会限制控制力的 变化率，导致系统的机械性能变差。对于一般的线形功放电路，其效率一般 在5 3 0 之间，这使得线形功放在运行时产生大量的热损耗，所以在线形 功放中对散热器必须进行精心设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 3 2 开关型功率放大器 出于经济和技术上的原因，必须尽可能将损耗限制在最低水平，当功率 大约在6 0 0 w 以上的应用中几乎都采用开关型功率放大器( 简称开功放) ，因 为与线形功放相比，开关功放的损耗要低的多。开关功放的效率通常可达到 6 0 9 0 ，经过精心设计的开关功放，其效率可达到9 0 以上【l “。 开关功放能工作在高电压、大电流的场合。与线形功放相比，最大的不 同在于线形功放的输出电压是连续的，而开关功放的输出则被限制在两个或 多个电压，以实现器件的最小损耗。图2 8 所示为一种基本的开关功放结构 原理图。其工作原理如下：根据反馈电流与给定电流比较后的误差信号，在 某种控制策略下得到一定占空比的脉冲，控制功率开关，使得正负输入电压 交替地以某个频率加到线圈上，以此改变线圈中的电流。 在开关功放中，功率器件工作在开关状态。当器件导通时，功率管工作 在饱和区，其两端电压为功率器件的饱和压降；当器件关断时，功率管工作 在截止区，其两端承受直流母线电压。线圈两端电压在若干电压等级之间切 换，不可避免的造成线圈中电流的脉动，其幅值与直流母线电压、开关频率 和线圈电感有关。 对于不同要求的开关功放，可采用不同的主电路拓扑和控制策略，本文 将在后续章节中介绍。 2 4 传感器 位移传感器作为磁力轴承系统的一个反馈回路，用来检测转子的实时位 置信号，并将该信号传送给控制器。作为控制器进行控制和调节的参考信号， 因此，位移传感器工作性能的好坏将直接影响测量信号的精度和磁浮轴承的 控制精度。 为了提高磁力轴承的性能和承载能力并减小悬浮所需的电磁力，轴承和 转轴之间的气隙应尽可能的小，小的气隙对旋转轴偏心位移的测量精度自然 要求很高。在实际应用当中，要保证磁力轴承的优点，必须采用非接触式的 方式高精度的测量旋转轴的位移。 根据磁力轴承的应用，在选择位移传感器时，必须满足以下要求： a ) 非接触式； b ) 能够抑制噪声、磁场干扰； c ) 具有较高的灵敏度、信噪比和线性度； 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 d ) 具有较好的动态响应。 电涡流位移传感器作为无接触测量的传感器，由于具有结构篱单、适用 性强、不受油污等介质的影响等优点，因而在磁力轴承装置中被广泛应用。 涡流式传感器通过线圈端面在被测导体中感应的涡流进行位移检测，精度高， 频率范围宽。 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的位移信号。而 是通过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 成度高，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。 同时，为了实现开关功放控制策略，同时也是为了提高系统的可靠性， 功率放大器环节控制系统设计了电流闭环控制和限流保护，因此，检测电磁 铁线圈电流的电流传感器也很重要。主要的要求为：信噪比高，线性范围大， 灵敏度高，稳定性好，温漂、时漂小。 2 5 控制器 由于磁力轴承系统本身是不稳定的，电磁力与气隙大小之间存在非线性 反比关系，所以必须通过反馈控制才能实现转子稳定悬浮这一目的，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、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，得到精度好的系统模型是意见 困难的事情，因此目前的磁力轴承系统大多采用鲁棒性强的控制算法。例如， 基于古典控制理论的比例一积分一微分( p i d ) 、比例一微分( 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，都有成功的例子。如何选择控制策略，设计硬件电路，设计硬 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。 磁轴承对控制器的基本要求： 磁轴承的刚度、阻尼、稳定性及回转精度主要由控制器的性能决定，为 此，对控制器性能指标提出三点要求： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 1 ) 要求磁轴承系统的抗干扰能力强，即要求系统的增益大，保证定位精 度高； 2 ) 系统的动态响应时间短： 3 ) 系统的阻尼特性好，系统的动态过程不应有大的超调量。 按照控制器器件的类型，常见控制器可以分为模拟控制器和数字控制器。 ( 1 ) 模拟控制器 早期的磁力轴承控制器一般都采用的是模拟式的，模拟控制器通常是采 用以运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、运算精度高、响应速度快和可靠性高等优点。但是由于模拟 器件是由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，而且控制参数的调节比较困难。 在模拟p i d 控制器硬件的设计过程中需要仔细地选择电子线路与器件。 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，就可以确定实际使用的相关参数值。但是模拟控制器在工业应用方面 暴露出来的缺陷也越来越多，比如说，在开发阶段，实现不同控制策略的实 验周期很长，难以实现复杂的控制器功能，难以实现在线检测，难以对出现 的以外和紧急情况作出智能反应等。 ( 2 ) 数字控制器 数字控制器可以克服上述模拟控制的缺陷，数字控制器是以计算机或微 处理器为核心的数字电路来实现的，在算法的选择上比较灵活，不需要改变 硬件电路，只要通过软件的改变即可实现各种算法。并且数字控制器可以连 接工控机等上位机，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。 数字控制器由硬件和软件两部分组成，在设计数字控制器的硬件时，通 常要做以下几个方面的考虑：第一，输入通道：输入通道的作用是将外部的 各种非数字信号转换成计算机或微处理器能识别的数字信号，通常涉及到多 通道切换、采样保持、数模转换电路以及抗干扰技术等的设计；第二，输出 通道：与输入通道对应，将计算机或微处理器产生的数字控制量转换成生产 实际的各种非数字信号，涉及到数模转换电路、输出单双极性变换电路等的 设计：第三，处理器：由于电子技术的飞速发展，目前可选择的处理器种类 繁多，性能和价格也相差甚远，但选择处理器的依据大都类似，如执行速度、 运算精度、片上资源等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 在数字控制器的硬件电路确定后，控制算法只要靠软件来实现，且数字 控制器的性能取决于控制算法的优劣。在相同的硬件电路上数字控制器可以 实现不同的控制算法。不但可以实现传统的p i d 控制算法，而且还可以实现 在不修改硬件的情况下，实现更高级更复杂的控制算法。所有的这些改进所 付出的代价只是软件开发成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章磁轴承功率放大电路的分析与设计 功率放大器是磁轴承电控系统的一个重要的组成部分，它的作用是将控 制器输出的电压信号转变成驱动电磁铁的控制电流，用来产生需要的电磁力。 功率放大器和电磁铁一起构成磁轴承系统的执行机构，功率放大系统的好坏 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。电磁 轴承本身具有的特殊性使功放的设计增加了很大的难度，因此在设计中应从 磁轴承系统的要求出发，对功放进行深入的研究。 功率放大器系统和电磁铁构成了磁力轴承的执行元件，是电控系统的一 个重要组成部分，它们接受来自外换控制器的电流指令，并使得流过电磁铁 的电流随电流指令而变化。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，具有足够的宽度。 本章首先从开关功放基础入手，分析磁轴承功放电路的特性并探讨了设 计磁轴承功放所必须遵循的一般原则以及注意事项。介绍了几种基本的开关 功放控制策略，并最终确定选择采样一保持型开关功放，最后进行了功放系 统的设计。 3 1 电磁轴承开关功放基本参数及性能指标 功率放大器在输入信号的作用下，安全、高效且不失真( 或者失真在允 许的范围内) 的将直流电源的直流功率转换为输出信号功率，它广泛的应用 于各种工业设备，航空电子设备等各种需要信号功率放大的场合。 磁轴承功率放大器的作用是将控制器产生的弱电控制信号按照一定的比 例转化成具有驱动能力的电流或电压，用来驱动执行元件以获得所需的电磁 力。为了满足磁轴承的性能要求，功放必须能将控制信号准确的转化成输出 电流或电压，并且要求功率放大器能够在不失真或低失真的情况下，输出足 够大的功率。这时对磁轴承开关功放最基本要求，具体的性能参数指标主要 有一下几个。 3 1 。1电流和控制力响应速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 磁悬浮轴承功放的电流响应速度、电磁铁的力响应速度直接影响系统的 闭环特性，通过提高功放的电流和力的响应速度可以使系统在高冈h 度和大转 速情况下稳定运行【1 4 】【1 5 】【”j 。 磁浮轴承功放的负载是感性负载，其动态特性和输入信号的幅值有关， 用电流响应速度来评价功放的特性，在电磁铁线圈两端的电压等于功放电源 电压时，线圈中的电流变化最快； 堡：u a - i o r ( 3 - 1 ) 毋工 、 式中：以为电源电压；尺为电磁铁线圈内阻；为电磁铁线圈电感。 由式( 3 1 ) 可以看出，由于线圈内阻很小，厶r 项对电流变化影响很小， 可以通过提高电源电压虬和减小线圈电感的方法来提高电流响应速度。在 设计磁浮轴承磁铁时就应该考虑采用尽量小的电感，当设计好电磁铁后，提 高电流响应速度只能通过提高功放电源电压来实现。 评价磁浮轴承的一个重要指标就是磁浮轴承中控制力的响应速度，电磁 铁对转子的吸力f 发生变化是由于线圈中电流j 发生变化，根据式( 2 1 ) 可得 一个电磁铁对转子的吸力为： 肚l t 0 4 n 工2 i 2 2 s ( 3 - 2 ) 定义力对时间的偏导为控制力的响应速度，可以得到控制力的响应速度为： 望：望堕：1 。( u - f o r ) , ( 3 - 3 ) m乱d t 石 由式( 3 3 ) 可见，提高控制力的最大响应速度可以通过提高静态电流厶、减 小间隙x 和提高来实现。当轴承电磁铁的各项参数设计好后，只有通过电源 电压来实现提高控制力的最大响应速度。 综上所述，提高电流响应速度和提高控制力响应速度的简便有效的方法就 是提高功放电源电压。 3 1 2电磁轴承的功放的效率及纹波 3 1 2 1 功放效率 功放的效率通常是采用负载中消耗的功率和电源提供的总功的比值来评 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 价的，负载消耗功耗主要包括管耗和铜耗两部分。对于磁浮轴承功放，电磁 铁作为功放的负载，其功率消耗是电磁铁线圈的等效电阻引起的，即所谓 的铜耗，而电感并不消耗有用功功率。在电磁轴承中也没有多少能量转换为 机械能。 在电磁轴承领域通常是采用如下公式来评价功放的效率 】： 弘警 叫) 式中：彳一功放效率：u 一功放输出电压；只一功放损耗；厶一负载电流。 一般线性功放的效率为5 3 0 ，而开关功放的效率在6 0 9 0 之 间。经精心设计的开关功放其效率可达9 0 以上。 开关功放的耗散功率只与占空比成正比，即与开关周期成反比，与开关频 率成正比。开关频率越高，管耗越大。因为开关管的上限频率限制主要由功率 管的本身特性所确定，所以从提高功放效率来看，希望开关频率在开关管的上 限限制范围内越小越好。开关频率又决定了开关功放的通频带大小，而功放通 频带的高低直接影响电磁轴承系统的动态指标和控制精度。对于线性功放，由 于功率器件的上限截止频率很高，功放的频带主要取决于负载的参数和电路的 结构形式。对于开关功放，开关频率越高则功放的上限截止频率越高，功放的 动态特性就越好。因此从从提高功放的动态特性来看，希望功放的开关频率在 开关管的上限范围内月高越好，这样就存在提高功放效率和改善功放的动态性 能两者对开关频率的要求出现矛盾。所以开关频率应在一个适当的范围内选 择，以解决两者的矛盾。一般应根据功放动态指标的要求来确定开关频率。一 般情况下，开关频率厂应大于或等于功放的上限截止频率的5 倍，即： 厂5 1 0 石( 3 5 ) 考虑电磁轴承系统的应用情况，开关功放的开关频率一般在5 1 0 1 d i z 的 范围内，而现代功率器件的开关频率远远大于这个频率范围的上限值，因此， 现代功率器件一般都能够满足电磁轴承对开关频率的要求 j 。 3 1 2 2 功放输出电流纹波 评价功放的另一个重要指标是功放输出电流纹波，电流纹波将导致转子 发生振动，并导致铁芯材料中产生涡流损耗，造成转子和定予发热。 通常，线性功放的电流纹波很小，可以忽略，而在开关功放中的电流纹 波幅度较大，有的超过偏置电流的1 5 蝌1 8 】，这时就不能忽略电流纹波对系统 的影响了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 首先，电流纹波会造成的机械振动，还有将导致定子线圈中额外的铜损 尼。和转子铁芯的铁损，包括铁芯磁滞损耗丘和涡流损耗只，。 当定子铁芯中的磁通密度发生变化时，会产生涡流，将降低有效电磁力， 并产生磁阻力，这是必须尽量避免的。 开关功放的调制方式不同，采用两电平还是三电平的控制方式，这些都 是影响电流纹波的主要因素。 3 2 开关功放的调制技术 采用电流两态调制技术的开关功