（电机与电器专业论文）电磁轴承数字控制系统的设计与研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a na c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) i sat y p i c a lm e c h t r o u l c a ls y s t e mw h i c hi n c l u d e sa l l e l e c t r i cs u b s y s t e m ( s e n s o r s ，c o n t r o l l e ra n dp o w e r a m p l i f i e r ) a n dam e c h a n i c a ls u b s y s t e m ( r o t o r , s t a t o ra n dc o i l ) 1 1 l ep e r f o r m a n c eo ft h ea m b i sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h ee l e c t r i c s u b - s y s t e m t l l i st h e s i si sf o c u s e do nt h ee l e c t r i cs y s t e m e s p e c i a l l yp o w e ra m p l i f i e ra n dd s p b a s e dc o n t r o l l e r f i r s t ，t h ec l a s s i f i c a t i o n sa n dt h ep r i n c i p l e so f t h em a g n e t i cb e a r i n g sa r ei n t r o d u c e d t h e n t h er e s e a r c hs t a t u s ，t h ef u t u r et r e n da n dt h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o no ft h ea m ba r es i m p l y r e v i e w e d n l em a t h e m a t i cm o d e lo fas i n g l ed e g r e e o f - f r e e d o ma m bi sb u i l tm a di t s p e r f o r m a n c e i ss i m u l a t e d t h r o u g h m a t l a b ，s i m i i n k b yc o n f i g u r i n g t h e p i d p a r a m e t e r s t h ei n f l u e n c et h ep i dp a r a m e t e r st ot h ea m b ss t e pr e s p o n s ep e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e d t h e n ，t h ep r i n c i p l e s ，c i r c u i tt o p o l o g i e sa n dc o n t r o lm e t h o d so ft h es w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r sf o rt h ea m ba l ep r e s e n t e d at h r e e - l e v e lp w ms w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri s p r o p o s e da n di sd e s i g n e d ，a n di t sp e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e da n dm e a s u r e d t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rf o rt h ea m bi si n t r o d u c e d t h ep i da r i t h m e t i ci sd e c i d e dt ob et h e c o n t r o lm e t h o do ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ed i g i tc o n t r o l l e rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0d s p i n c l u d e ss o f t w a r ep a r ta n dh a r d w a r ep a r ti sd e s i g n e d a ni n t e r a c t i v ew a yt or e g u l a t et h e c o n t r o lp a r a m e t e r st h r o u g hav i s u a li n t e r f a c eo np ci s p r o v i d e d ，t h u st h ea d j u s t m e n to f p a r a m e t e r sc a l lb ed e v i a t e df r o mt h ee m u l a t o ra n db e c o m e s m o r ec o n v e n i e n t f i n a l l y , t h ei n t e g r a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d t h ew h o l ea m bs y s t e mi s d e b u g g e d ，a n dt h es u s p e n s i o no ff o u rd e g r e e - o f - f r e e d o m sr o t o ri sr e a l i z e di nt h es t a t i ca n d d y n a m i cc o n d i t i o n s i ti ss h o w nt h a tt h ec o n t r o ls y s t e md e v e l o p e dc a nm e e tt h ep e r f o r m a n c e d e m a n d s 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 b ) ，t h r e e l e v e lp w ms w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r , d i g i t a lc o n t r o l l e r , d s p , p i dc o n t r o l ，i n t e g r a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 磁轴承概述 第一章绪论 磁轴承是一种利用磁力将转子悬浮起来的新型高性能轴承，其转子和定子之间没有 任何机械接触，具有无摩擦损耗、无需润滑、寿命长等普通轴承难以比拟的优点。 1 1 1 磁轴承的分类和工作原理 磁轴承按工作原理可以分为三类，即主动电磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ) 、被动 磁轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ) 、混合磁轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a t i n g ) 。 1 ) 主动电磁轴承，一般简称为电磁轴承，是利用可控电磁力将转子悬浮起来，它 主要由转子、电磁铁、位移传感器、控制器和功率放大器等组成。图1 1 所示为一个电 磁轴承系统的主要组成部分及其相互关系。其工作原理为：悬浮在电磁铁所产生的磁场 中的转子，在受到扰动后偏离其中心位置，此时传感器检测出转子偏移参考位置( 即中 心位置) 的位移后将位移信号传给控制器，控制器按照系统稳定运行及性能要求所需要 的控制策略产生对应的控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流作用 在电磁轴承的线圈上，产生相应的电磁力使转子回到其稳定悬浮位置，这样便可以使转 子一直在参考位置附近稳定悬浮。电磁轴承的优点是无机械接触，完全消除了磨损，电 磁力可控：其缺点是掉电后即失去了承载能力，需要有辅助轴承保护。 电磁铁 图1 1主动磁轴承系统的组成部分 2 ) 被动磁轴承是一种无源磁悬浮轴承，它利用磁体本身的特性来实现悬浮，体积 较小、无功耗且结构简单。被动磁轴承分为由超导体与永磁体组成的超导磁力轴承和由 永磁体构成的永磁轴承两种。超导磁力轴承利用超导体在进入超导态后具有的钉扎性及 抗磁性，在不需要外部控制的情况下就可以使永磁体实现稳定悬浮，在工业上有一定的 应用前景3 9 】。由永磁体组成的永磁轴承其定子及转子上按一定要求放置一定数量的永磁 浙江大学硕士学位论文 体，当转子位置发生变化时，气隙间的磁力也发生变化，从而使转子趋于平衡状态。永 磁轴承的优点是无需控制，没有电源时也能工作，系统简单，实现容易；但是永磁轴承 的磁力不可控，无法保证转子稳定悬浮，至少在一个坐标上是不稳定的，所以永磁轴承 的应用范围较小。 3 ) 混合磁轴承是在主动电磁轴承、被动磁轴承以及其他一些辅助支承和稳定结构 基础上形成的一种组合式磁轴承系统。相对于主动电磁轴承，混合磁力轴承可以在没有 电源的情况下实现转子的悬浮；而相对于被动磁轴承，混合磁力轴承又有磁力可控的优 点。图1 2 所示为一径向永磁偏置混合磁轴承的工作原理图，永久磁铁产生静态偏置磁 场，使转子处于平衡位置。当转子位置改变造成磁场变化时，通过位移传感器、控制器、 功率放大器将位移信号转变成控制电流，该电流通过电磁铁线圈产生的电磁力来平衡外 来的干扰，使转子重新回到原来的平衡位置。在混合磁轴承中永久磁铁产生偏置磁场， 电磁铁产生控制磁场，因此不仅可以减小功放的损耗，而且线圈的安匝数也较全部采用 主动电磁轴承时的少，可以缩小磁轴承的体积、节省材料，这些都是混合磁轴承的优点。 缺点是混合磁轴承结构比较复杂。 图1 2径向永磁偏置混合磁轴承工作原理图 1 1 2 电磁轴承的发展历史和研究现状 利用磁力使物体处于无接触的悬浮状态是人类一个古老的梦想，最初人们试图采用 永久磁铁实现物体的稳定悬浮但均未获得成功。1 8 4 0 年，英国剑桥大学的物理学家 e a r n s h a w 证明，单靠永久磁铁是不能使物体在空间6 个自由度上都保持稳定悬浮的【”。 为了使由磁铁产生的力用于物体的稳定悬浮，必须根据物体的悬浮状态连续不断地调节 磁场，这可以通过可控电磁铁来实现。1 9 3 7 年，德国人k e m p e r 申请了一项磁悬浮技术 的专利，并做了相应的实验【2 j ，这正是稍后出现的磁悬浮列车的前身。同年，在美国 v i r g i n i a 大学的b e a m s 和h o l m e s l 3 一，将一些小钢球悬浮起来并使之高速旋转以测定其 材料强度，钢球的旋转速度高得惊人，达到了1 8 1 0 6 r m i n ( 3 0 0 k h z ) 。 浙江大学硕士学位论文 随着现代控制理论和电力电子技术的飞跃发展，2 0 世纪6 0 年代中期以来对磁悬浮 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 ( m a g l e v , m a g n e t i c a l l yl e v i t a t e dv e h i c l e ) 和磁轴承两个方向。磁悬浮列车由于在速度方 面的优势，一直是各发达国家的研究重点【5 削；在磁轴承方面，早期的研究由于控制理 论、控制元件、控制电路等方面的问题没有解决，主要侧重于被动悬浮。由于被动悬浮 的刚度小、阻尼差，所以主要用于仪器仪表，无法应用于大负载、高精度的系统。2 0 世纪7 0 年代末到9 0 年代初，人们逐步开始将主动电磁轴承应用到工业设备中，相应的 控制方法也从单自由度控制( 古典控制理论) 发展到多自由度控制( 现代控制理论) 。 作为电磁轴承发展的代表，法国s 2 m 公司一直走在前列p j ，1 9 7 7 年，该公司开发出了 世界第一台高速机床电主轴。1 9 8 1 年该公司展出了b 2 0 5 0 0 主轴系统，并在3 5 。0 0 0 r m i n 下进行了钻、铣、削的现场演示，其高速、高效、高精度、低功耗的优良性能引起了国 际上的关注。1 9 8 3 年，s 2 m 公司又在第五届国际机床博览会上展出了系列磁轴承及其 主轴部件。其后它与日本和美国的公司合资，分别成立了j m b 和m b i 公司，形成了以 s 2 m 总公司和j m b 、m b i 两个子公司为基地的全球生产、销售和研发电磁轴承的中心。 这一时期商业化的磁轴承控制系统均为模拟控制。进入2 0 世纪9 0 年代，随着机械向高 速度、高精度方向发展，模拟控制已无法满足精度要求，另外随着计算机的性能、价格 比越来越高，为电磁轴承采用计算机数字控制提供了可能，1 9 9 0 年s c h w e i t z e r s l 提出了 数字控制问题，1 9 9 6 年在日本召开的第五届国际电磁轴承学术研讨会上，将数控电磁 轴承作为一个重要专题。1 9 9 6 年瑞士p h i l i p p 等【9 】人研制了用于高速切削机的数控式磁 轴承，转速达到4 0 ，0 0 0 r m i n 。1 9 9 8 年r v u i l l e m i n 等【l0 】实现了磁轴承硬盘驱动器的高速、 高精度、低能耗稳定悬浮，在高速运转时悬浮精度达到钆m 。同年b a l o n 等1 1 l j 将磁轴承 用于人工心脏泵。1 9 9 9 年美国a r e g o n n e n a t i o n a ll a b o r a t o r y 研制成功了用于飞轮储能的 高温超导磁轴承 1 2 1 。在学术研究方面，1 9 8 8 年至今相继召开了十届国际磁轴承会议， 交流研讨该领域的最新研究成果。从已发表的文献资料可以看出，其研究内容涉及到电 磁学、电力电子、控制理论、机械学、转子动力学、材料学和计算机等多个学科。 我国从上世纪7 0 年代末开始对主动电磁轴承进行研究，在近3 0 年的时间里国内学 者们做了很多有意义的工作。1 9 8 4 年清华大学的张祖明【1 3 】分析了轴向控制式磁力轴承 的自激振动发生机理，成功使1 0 k g 转子在3 0 ，0 0 0 r m i n 的高速下完成了多次稳定悬浮。 1 9 8 8 年哈尔滨工业大学的陈易新1 1 4 j 提出了电磁轴承结构优化设计理论和方法，建立了 主动电磁轴承机床主轴控制系统数学模型。西安交通大学从上世纪八十年代初即开始了 对电磁轴承系统的研究，已完成了永磁偏置磁轴承动力特性分析【l5 1 、基于i n t e m e t 的电 磁轴承结构设计【、转子系统动态特性研究 i l l 8 1 、电磁轴承数字控制系统【1 9 0 0 】等研究工 作。上海大学开发了用于1 5 0 m 2 制氧透平膨胀机的电磁轴承，在实验室获得成功【2 ”。 2 0 0 0 年清华大学和无锡开源机床集团有限公司合作，实现了内圆磨床电磁轴承电主轴 的应用实验【2 “，另外清华大学在功率放大器参数设计【2 3 1 、磁悬浮飞轮低功耗控制方法 阱】、基于p c 机与r t l i n u x 的磁悬浮轴承控制平台【2 5 1 等方面也开展了研究。南京航空航 浙江大学硕士学位论文 天大学的研究重点主要在三电平开关功率放大器【2 6 - 3 0 、无轴承电机【3 1 1 、永磁偏置三自 由度磁轴承p 、双d s p 数字控制器1 3 3 j 等方面，而且取得了一定的成果。浙江大学对电 磁轴承数字控制系统1 3 4 , 3 鄂、功率放大器【3 引、超导电磁轴承【姗、无轴承电机1 4 0 】等方面 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。武汉理工大学针对电磁轴承三电平功率放大器1 4 1 1 、电磁轴承主轴之间的 耦合分析1 4 2 1 、基于f 2 8 1 2d s p 的电磁轴承数字控制系统【4 3 增方面展开研究，开发了实 验样机。此外，北京航空航天大学1 4 4 1 、天津大学h 5 1 、苏州大学 4 6 , 4 7 1 等也都相继投入人 力物力进行研究。 然而，由于电磁轴承研究涉及机械、电力电子、计算机、控制、传感等多个学科， 国内的研究从整体上来说还处于理论研究阶段，没有成功的应用实例，要想有成熟的工 业应用，还有很多工作要做。 目前，国内、外研究机构对于电磁轴承的研究热点主要集中在以下几个方面： 1 ) 在控制策略方面，从经典p i d 控制转向采用现代控制理论。由于控制器的数字 化，使电磁轴承的控制可以采用基于现代控制理论的多种控制算法，如滑模控制算法1 4 引、 模糊控制算法【4 9 】、神经网络控制算法【50 j 等。随着数字控制器性能的提高，各种集中控 制方法也成为研究的热点，如l q g l t r 控制1 5 ”、h 0 0 控制【5 2 】以及h o o 和u 综合控制算法 【5 3 】等。 2 ) 无传感器电磁轴承( s e l f - s e n s i n ga c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ) 的研究。传统的电磁轴 承系统包括位移传感器，传感器的前置器体积较大，使整个系统体积增大，不利于工业 推广，而且传感器一般成本较高，所以有部分学者研究无传感器的电磁轴承。在无传感 器电磁轴承系统中，由于没有位移传感器，所以转子的位移必须要通过其他估算的方法 来获得。转子位移的估算方法有以下几种：电流估算法，早期的无传感器电磁轴承通 过检测线圈的电流来估算转子的位置1 5 ，该方法简单易行，缺点是位置变化引起的电流 与线圈电流( 包括偏置电流和控制电流) 处于同一频段，容易产生耦合，故位置检测精 度不高，系统模型较复杂，控制难度较大。电感估算法，即利用定子线圈电感是电磁 轴承气隙的函数这一性质，以电感为估计量。如在线圈中加入一高频电流信号，该信号 随转子位置变化引起的电感变化在线圈上产生相应的电压，通过滤波放大，即可得到转 子位置的信息1 5 ”。由于所加的高频电流信号与线圈的电流信号( 包括偏置电流和控制电 流) 处于不同频段，不会造成重叠，因此该方法可靠易行。新型的位置估算法，如采 用外置高灵敏度感应线圈感应转子位置变化1 5 “。相比传统有位置传感器磁轴承，这种无 传感器的电磁轴承可以降低成本，简化系统结构，具有广阔的应用前景。 3 ) 无轴承电机( b e a r i n g l e s sm o t o r ) 的研究。无轴承电机是一种集电磁轴承与电机为 体的机电产品，即利用电磁轴承与普通电机的相似性，将产生悬浮力的电磁轴承用的 线圈嵌入普通电机中，配合电机原来的转矩绕组，使电机转子同时具有悬浮和旋转的能 力。无轴承电机的优点是体积小、功率密度高，转速高。但是缺点也比较明显，其系统 存在强烈的电磁耦合，控制比较复杂。近年来国外研究机构对其做了不少研究，如对鼠 浙江大学硕士学位论文 笼式感应无轴承电机电磁力计算【5 ”，对于变极式无轴承电机定子的优化设计【5 8 1 ，针对 开关磁阻无轴承电动机的低功耗传感器设计1 5 9 1 等，虽然这些研究都取得了一定成果，但 还没有达到系统和完善的地步，有待进一步的发展。 4 ) 新型结构电磁轴承的研究。电磁轴承的型式可以多种多样，远不止目前的几种 形式，如采用三极结构1 6 0 , 6 h 的电磁轴承，由变频器供电，每个径向轴承只需1 个功率放 大器，相比传统电磁轴承省去了一半的功率放大器，从而减小了系统尺寸和轴向长度， 改善了系统的动态性能。如采用锥形结构的电磁轴承1 6 2 1 ，可以同时产生径向和轴向电磁 力，从而省去推力轴承，减小系统体积。总之，为了满足各种要求，正在研究各种新结 构的电磁轴承。 1 1 3 电磁轴承的特点和工业应用 与普通轴承相比，电磁轴承具有机械和控制两方面的优点： 1 ) 机械方面，电磁轴承无机械接触，完全消除了磨损，故电磁轴承的寿命实质上 是控制电路元器件的寿命，比普通轴承的寿命要长得多；它无需润滑和密封，不会因润 滑剂而污染环境；发热少、功耗低，电磁轴承仅由磁滞和涡流引起很小的损耗，因而效 率高，功耗大约仅为普通轴承的1 1 0 。 2 ) 控制方面，主动电磁轴承的刚度和阻尼由控制系统决定，在一定范围内不但可 以自由设计，而且在运行过程中可控可调，所以轴承动态特性好，可对转予的振动进行 控制。 当然，电磁轴承目前还处于发展阶段，也有一些缺点，归纳如下： 1 ) 在掉电情况下无承载能力，所以必须和辅助轴承混合使用； 2 ) 电磁轴承尚未形成批量生产，而且结构复杂，成本较高，因此价格与普通轴承 相比较高； 3 ) 由于电磁轴承技术涉及机械工程、电气工程、计算机科学等多种学科，基础知 识比较复杂，大多数用户不具备这些知识，因此这项新技术不大容易被接受； 4 ) 通用的系统设计方法仍然不完善，系统设计困难较大。 正是由于电磁轴承具有以上一系列独特的优越性，所以它有着极其重要的商业价 值，在工业中有着广泛的应用前景，目前国外的电磁轴承主要用于以下几个方面： 1 ) 在一般高速旋转机械上的应用。如电磁轴承用于超高速铣削、磨削机床、离心 机、压缩机等，德国k a p p 机床制造厂采用了法国s 2 m 公司提供的电磁轴承电主轴 b 1 5 1 0 0 0 进行超高速磨削，切削速度高达3 0 0 m s ，满功率1 5 k w 。7 ”。电磁轴承还可以用 在计算硬盘和光驱中，电磁轴承完全消除了轴承与转子的机械接触，不仅能够大幅度提 高硬盘光盘转速，还使得硬盘光盘驱动器具有精度高、振动小、发热少、功耗低、无 噪声等特点，并且为容量的进一步增加提供了可能。 2 ) 特殊环境中的应用。在低温、高温、真空和超净环境环境中传统的轴承难以满 浙江大学硕士学位论文 足要求，而电磁轴承则提供更大的优越性。美国d r a p e r 实验室就研制了能在5 1 9 0 c 高 温下的电磁轴承，转速达到了2 2 ，0 0 0 r m i n 2 2 。在真空和超净环境中，如半导体制造行 业对材料的纯度和质量要求很高，而传统的有油污染的真空系统难以保证材料的纯度， 由于电磁轴承不存在机械接触无需润滑，不存在污染的问题，所以电磁轴承真空泵已经 被广泛应用于半导体制造行业，成为目前电磁轴承最大的工业应用领域。 3 ) 军事工业中的应用。电磁轴承在这方面的应用是最早的，如在卫星的飞轮储能 系统、惯性平台、制冷机压缩机等。如c a l n e t i x 公司为n a s a 研制的电磁轴承转速范围 为2 0 ，0 0 0 r m i n 6 0 ，0 0 0 r m i n ，并能提供高于3 5 k w h 的能量【7 7 j 。 1 2 电磁轴承数字控制系统概述 1 2 1 电磁轴承数字控制系统的组成 图1 3 为一个完整的电磁轴承数字控制系统的基本结构，由轴承本体、位移传感器、 功率放大器和数字控制器等四部分组成。 数享控菱嚣 轴 一兰兰! 竺兰卜_ 巫卜蜜 承 零 体叫兰竺三兰卜 图1 3电磁轴承数字控制系统的基本组成 1 ) 电磁轴承本体部分，即机械被控部分，包括径向轴承的定子及转子和推力轴承 的定子、推力盘及嵌入在定子上的线圈； 2 ) 位移传感器用于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到电磁轴承系统的 精度。常用的位移传感器有电感式、涡流式、电容式、磁电式和光电式等； 3 ) 功率放大器把控制信号转化为电流信号，通过线圈在电磁铁上产生电磁力以保 持转子的稳定悬浮。功率放大器的负载是电磁铁的线圈，主要表现为感性负载，而且响 应速度要快，截止频率要高，通常高于i k h z ，很少有商品化的功率放大器能够满足其 使用要求，故需要专门的设计； 6 浙江大学硕士学位论文 4 ) 数字控制器主要包括微型处理器、滤波电路、a d 采样电路以及d a 转换电路 等，它根据一定的控制算法进行运算，是电磁轴承控制系统的核心。 1 2 2 开关功率放大器 功率放大器是电磁轴承系统的执行环节与控制系统的桥梁，其性能将直接影响到整 个系统动态性能。在电磁轴承研究过程中，功率放大器的研究一直是一个热点领域。 m a d d a l e n o 等 6 3 1 针对电磁轴承线圈高感性、低阻性的特点，设计了一种改进型的g 类线 性功率放大器，相比于普通的g 类线性功率放大器多了一个三极管，可以有效减少功 率放大器的功率损耗，提高功率放大器的效率。s h u l z 等 6 4 , 6 5 】分析了2 0 0 多个电磁轴承 悬浮失效的案例后指出电磁轴承系统中大部分失效原因是开关功率放大器特别是主电 路不可靠造成的，之后开发了一种可靠性高经济实用的开关功率放大器形式，即将多个 半桥电路并行连接，每一个主电路都包括一个故障检测和重组电路。当故障发生时，故 障主电路将和控制器断开，另一个半桥电路工作，并和控制器连接，从而实现故障自诊 断，避免故障造成的损失，实验结果也证明了该功率放大器形式的高可靠性。y o s h i d a 等m 1 针对无位置传感器轴承设计了一种新型的开关功率放大器，其包括2 个直流源，一 个提供控制电流另一个提供偏置电流，在实验中该无位置传感器轴承以4 5 ，0 0 0 r m i n 的 转速旋转，且功率放大器距离轴承线圈4 5 m ，系统仍能正常稳定工作。谷会东等【2 3 】针 对功率放大器的电流响应速度、力响应速度、允许最大振幅以及不平衡的精度等方面进 行了理论分析和仿真试验，为电磁轴承硬件系统设计和软件系统设计提供了量化的标准 和理论依据。赵述芳等f 67 j 提出了一种单片机控制的p w m 功率放大器的设计思想，设计 了电流调节器，给出了数字控制算法，实现了单片机控制。许掣6 8 】研究了集成p w m 功 率放大器s a 6 0 在电磁轴承系统中的应用，通过实验证明了集成开关功率放大器不仅可 以获得很好的输入一输出特性，而且为电磁轴承的小型化奠定了基础。z h o u 等1 6 9 1 提出 了一种基于d s p 的电流控制型开关功率放大器，采用d s p 作为p w m 波发生器，通过 仿真和实验，验证了全数字控制开关功率放大器具有良好的动态性能和较小的电流纹 波。 传统开关功率放大器大都采用二电平调制方式，即线圈电压只有高电平和低电平两 个状态。如果要提高传统开关功率放大器的电流变化率和电磁轴承的力响应速度，可以 通过提高直流母线电压的方式来实现，但二电平开关功率放大器的电流纹波也会随着直 流母线电压的增大而增大，功率放大器的效率也随之降低。为了解决这个问题， z h a n g l 7 0 , 7 1 提出了一种三电平p w m 功率放大器。这种功率放大器是在原来二电平调制 的基础上增加了一个零电平输出状态，功率放大器的电压从正电压到负电压变化时要经 过零电平状态，这时线圈电流通过开关管和续流二极管自然续流，可以在很大程度上减 少电流纹波。另外三电平p w m 功率放大器的电流纹波几乎与直流母线电压无关，因此 可以通过提高母线电压的方式来提高电流变化率和力的响应速度，改善控制系统的动态 浙江大学硕士学位论文 特性。正是由于三电平p w m 开关功率放大器具有这些优点，因此国内对电磁轴承用三 电平p w m 开关功率放大器做了大量的研究工作，取得了一定的成果。张亮等 4 4 1 介绍了 一种针对全桥结构的三电平p w m 开关功率放大器的控制方法，其p w m 发生模块由一 系列运放和电压比较器组成，结构简单，性能良好。并得出了采用该开关功率放大器的 电流纹波的计算公式，从理论上说明了所采用的方法能大大减小电流纹波的原理，之后 通过仿真和实验证明了电流纹波得到了有效的减小。张丹红等【陀】采用t l 4 9 4 、i r 2 1 1 0 等集成芯片研制了一套移相式三电平开关功率放大器，在不提高开关频率的条件下就可 以明显地改善电流纹波，减小功耗，开关管的使用寿命也不会受到大的影响。臧晓敏等 2 7 , 2 9 1 在对三电平调制开关功率放大器的基本理论进行一般性分析的基础上，提出了几种 典型的三电平调制开关功率放大器，即脉宽调制型、滞环比较型和采样一保持型，并对 其进行了较为系统地论述，通过对基于采样一保持策略的开关功率放大器分别在两种调 制模式下的仿真和实验研究，验证了三电平调制技术的优越性。 可见在电磁轴承系统中采用三电平开关功率放大器已经成为主流，但也存在一些问 题。如采用移相式p w m 调制技术的功率放大器结构过于复杂，用于中小型电磁轴承明 显不合适；采用采样一保持策略的调制方式控制电路复杂，对小信号的跟踪能力较弱； 数字式开关功率放大器虽然能达到优良的性能，但是成本太高，需要高速数模转换器和 数字控制器等。因此在设计功率放大器时应该综合考虑各种因素，分析系统的要求，选 定最适合系统的方案来设计功率放大器。 1 2 3 数字控制器 控制器是电磁轴承控制系统的核心部分，它将传感器获取的转子位置信号进行分析 处理，输出控制信号至功率放大器。电磁轴承的各种基本性能，如刚度、阻尼、转子定 位精度、不平衡响应等都主要取决于它的控制器。自电磁轴承诞生以来，研究人员就一 直致力于它的控制策略研究，以不断改善控制系统的性能。 电磁轴承控制器可分为模拟控制器和数字控制器。模拟控制器完全靠硬件电路实现 控制，其优点是响应快、实现容易，缺点是参数调整困难、可靠性低、难以实现先进的 控制算法；数字控制器是通过a d 转换器将转子的位移信号数字化，控制器的c p u 对 数字信号进行处理，然后通过d a 输出。数字控制器的优点是可以实现复杂的控制策 略，进行大量额外任务的处理，实现在线识别、故障诊断等工作，缺点是开发较为困难。 随着控制系统向智能化、集成化方向的发展，模拟控制器的使用越来越少，数字控制器 是电磁轴承控制器发展的必然趋势。 电磁轴承的控制系统含有多自由度，一般采用分散控制和集中控制两种方案。分散 控制即对某一个自由度进行控制时，不考虑其他自由度对该自由度的耦合影响。分散控 制的特点是计算简单，不需要考虑耦合，但性能有所退化。但是当被控过程比较复杂时， 单靠相互独立的控制回路来保证系统的整体性能变得比较困难，甚至无法实现系统的稳 浙江大学硕士学位论文 定工作，这时就必须考虑各个自由度的耦合作用，采用集中控制方案。集中控制的特点 是计算复杂，但可以提高系统性能。 电磁轴承数字控制器要实现各种控制功能，控制算法必不可少。采用经典控制法设 计的p i d 控制策略是很成熟的设计，具有结构简单稳定范围大，参数整定方便，结构改 变灵活，鲁棒性强，易于实现等特点，在大多数工业生产过程中均可以取得显著的控制 效果。同样，在电磁轴承系统中，p 1 d 控制算法是最先和最广泛使用的控制策略，并且 在参数整定方面具有了一定的经验。利用各种现代控制算法设计的电磁轴承控制器也往 往与采用p i d 控制策略设计的控制器相比较，以验证其性能的优劣。同时，由于目前电 磁轴承系统对象的动态特性还不能完全被人们掌握，还得不到各种电磁轴承系统受控对 象精确的数学模型，难以满足用现代控制理论进行分析和综合的要求，而p i d 控制方案 并不要求精确的受控对象的数学模型。因此，目前p i d 控制策略仍是设计电磁轴承控制 系统的主要选择。在利用p i d 控制实现系统稳定悬浮的基础上，再考虑采用复杂的现代 控制算法改进其性能，是一种循序渐进比较稳妥的办法。在电磁轴承出现到现今的相当 长时间内，大都采用p i d 控制及其各种改进形式对电磁轴承进行分散控制。对基于p i d 的电磁轴承分散控制问题，国内外作了大量的工作。如高志华等【7 3 j 分析了电磁轴承系统 的刚度和阻尼后指出，对于p i d 控制的电磁轴承系统，当结构参数确定后，合理选择控 制器的传递函数( 频晌特性) ，就能获得期望的系统刚度及阻尼特性，使系统稳定运行。 姚河清等1 7 4 j 采用模糊p i d 复合控制模型，应用模糊推理功能实现p i d 参数的自整定， 对磁悬浮轴承系统进行了控制，控制参数可以在线自动调整，在不同工况下选用较佳的 控制参数，得到比较理想的控制效果。徐征1 7 5 利用改进后的遗传算法对磁悬浮轴承控制 器中的p i d 参数进行了整定，仿真结果表明该算法可以有效解决算法陷入局部最优值的 缺陷，从而搜索到最优解。 分散的p i d 控制，不仅设计简单，而且参数还可以通过现场调节。但是p i d 是单 回路调节器，如果系统各自由度之间存在强耦合效应，p i d 控制往往难以取得好的控制 效果。利用数字控制器把基于现代控制理论的各种集中控制策略应用到电磁轴承控制系 统中，也取得了比较好的效果。徐龙祥等【7 6 】设计了磁悬浮轴承的h a o 控制器，研制了基 于p c 机的磁悬浮轴承实时数控系统，仿真结果表明系统具有良好的动态性能、较强的 鲁棒性和抑制转子振动的能力，试验结果表明采用h o o 控制器成功实现五自由度磁悬浮 轴承系统的稳定悬浮，在最高时速3 0 。0 0 0 r m i n 时转子的振动峰峰值小于6 0 1 i m 。孟令孔 等p l j 为一台无轴承永磁同步电机设计了单输入单输出的l q g l t r 控制器，并对有轻载 和白噪声干扰时的悬浮性能进行了仿真研究，结果表明控制器具有较强的鲁棒性，之后 为同一部电机设计了双输入双输出的集中控制器，悬浮性能优良。虽然采用各种现代控 制算法设计电磁轴承系统的控制器取得了一定成果，但由于电磁轴承系统的模型难以做 到精确，现代微处理器的计算能力的限制，以及电磁轴承系统实时性的要求等种种原因 的限制，使很多控制策略仅仅局限于模型的仿真，而对于实际系统的试验和应用做的并 不多。 9 浙江大学硕士学位论文 除了控制策略和控制算法之外，如何具体实现也是一个重要的方面。电磁轴承控制 系统中的数字控制器基于d s p 或者其他形式的处理器。清华大学将p c 机与r t l i n u x 构建的控制平台1 2 5 应用于磁轴承控制器。采用p c 机来设计控制器，可以较容易实现多 任务控制，但是p c 机在体积、抗环境干扰的能力不够理想。苏州大学以s a m s u n g 公司 的a r m 处理器为核心，设计出了单自由度磁悬浮轴承的数字控制系统硬件电路和软件 系统1 4 6 。实验结果表明系统结构简单、性能稳定、噪音小、实时调试方便，并实现了单 自由度磁悬浮轴承的稳定悬浮。但是a r m 在电磁轴承数字控制系统使用的实例不多， 可供参考的资料较少，且软件开发周期较长，影响了更深层次的研究开发。目前，在数 字控制领域采用的微处理器绝大部分都是d s p ，其中南京航空航天大学【3 3 】和西安交通 大学1 1 9 j 均设计了基于双d s p 的电磁轴承数字控制器，该设计具有容错功能，当其中某 一芯片出现故障而不能处理信号时，另外一个芯片将迅速做出反应并肩负起全部信号的 处理任务，而且在输入信号较多而单d s p 不能及时处理时，双d s p 就能正常完成控制 功能。 1 3 论文工作和内容安排 1 3 1 本文所做的工作 电磁轴承系统是一个典型的机电一体化系统，包括电气予系统( 功率放大器、数字 控制器、位移传感器) 和机械予系统( 电磁轴承定子、转子、线圈) 。而机械系统的设 计和优化经过多年的研究已经成熟，所以整个系统的好坏主要决定于电气子系统的性 能。本文主要研究的是电磁轴承数字控制器、三电平开关功率放大器及整个控制系统的 集成化。 本文的具体工作主要集中在以下几个方面： 1 ) 建立了单自由度电磁轴承系统的数学模型，并完成了基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真，比较了采用不同p i d 参数系统的阶跃响应，选定了系统要采用的p i e ) 参数范 围； 2 ) 比较了电磁轴承用各种功率放大器的拓扑结构、调制方式、控制方法等，设计 并制作了新型的三电平p w m 开关功率放大器，之后对功率放大器的性能进行了仿真和 实验测试； 3 ) 完成基于t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 处理器的数字控制器的硬件电路和软件设计，包括 滤波电路和d a 转换电路，完成数字p i d 控制和串口调试程序，编写了w i n d o w s 界面 下的上位机软件； 4 ) 将整今系统集成化，并对系统进行了调试，顺利完成了电磁轴承4 个自由度的 静态和动态悬浮，并给出了实验结果。 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 论文内容安排 第一章，介绍了电磁轴承的发展历史和趋势、国内外的研究现状、分类、工作原理 和工业应用，并简要概述了电磁轴承数字控制系统； 第二章，对单自由度电磁轴承进行数学建模，比较了采用电压一电流放大器和电压 一电压放大器系统的特点，并完成了基于m a a b s i m u l i n k 的仿真； 第三章，比较了电磁轴承用各类功率放大器，设计并制作了新型的三电平p w m 开 关功率放大器，对其性能进行了仿真和实验测试； 第四章，介绍了电磁轴承的数字控制器，选择了p i d 控制算法，设计了基于 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的数字控制程序以及相应的滤波电路、d a 转换电路、用于串口调试 参数的上位机软件，实现了在线调试的控制功能； 第五章，介绍了电磁轴承控制系统的集成化研究，并通过对其软硬件的分步调试确 认各部分功能与接口的正确，然后在一个控制箱内集成并进行综合调试，通过静态与动 态悬浮实验，达到了设定的要求； 第六章，对本文工作进行了总结，分析取得的成果和存在的不足，并展望了进一步 的研究工作。 浙江大学硕士学位论文 第二章电磁轴承系统的数学模型 电磁轴承与其它轴承最大的不同之处就在于轴承的支承特性不仅取决于电磁轴承 的结构设计，更取决于控制系统。本章主要讨论电磁轴承系统数学模型的建立，比较了 采用电压一电流放大器和电压一电压放大器系统的特点，并完成了基于 m a t l a b s i m u l i n k 的仿真，对p i d 各控制参数对系统的影响有定性的了解，为后续 工作奠定了基础。 2 1 电磁轴承系统的数学模型 2 1 1 五自由度电磁轴承系统的基本结构 在1 2 1 节已经给出了单自由度电磁轴承系统的基本结构，其中包括轴承本体、位 移传感器、控制器和功率放大器。实际的电磁轴承分为径向电磁轴承轴承和推力电磁轴 承轴承两类。径向轴承由定子、转子和线圈组成，定、转子结构如图2 1 ( a ) 所示。定子 上绕圆周均匀分布一定形状的槽，槽里嵌入线圈。当不同的线圈中通入电流时，产生不 同方向的磁力吸引转子。径向轴承的定子和转子的电磁铁一般都用导磁性能优良的硅钢 片叠成，线圈以铜线绕制。推力轴承由定子、推力盘及线圈组成。电磁推力轴承如图 2 1 ( b ) 所示，转予上一般都紧固一个承力的圆盘，故称为推力盘。电磁推力轴承一般采 用环形的定子结构，在定子上嵌入线圈，通过控制线圈电流吸引推力盘前后轴向运动。 推力盘一般采用电工纯铁。 一线孝 划 i ， 影将自 勃 ( a ) 径向轴承( b ) 推力轴承 图2 1电磁轴承本体结构 浙江大学硕士学位论文 利用电磁轴承实现一个刚性转子的稳定悬浮，需要对其五个自由度实施有效的控 制，即四个径向自由度阢、x b 、y o 、y b ) 和一个轴向自由度，那么就需要两个径向轴承 和一个推力轴承来实现，这样就构成一个五自由度的电磁轴承系统，其结构如图2 2 所 示。 图2 2五自由度电磁轴承系统 2 1 2 单自由度电磁轴承的数学模型 一个完整的电磁轴承系统，如果采用分散控制策略，忽略各自由度间的耦合，可以 简化成五个独立的子系统分别加以控制，将图1 1 适当简化，就构成了图2 3 所示的单 自由度径向电磁轴承系统模型。 图2 3单自由度径向电磁轴承系统模型 一，i 上 浙江大学硕士学位论文 为了方便建立电磁轴承系统的数学模型，将转子作为集中质点，忽略铁心材料的磁 阻、损耗等的影响，并设上、下两个电磁铁的结构参数都相同且对称放置，上、下两个 电磁铁的线圈采用差动连接。 1 、转子铁心的力学关系 建立如图2 3 所示的坐标系，并设转子与定子铁心平衡位置时的气隙为x o 。根据牛 顿第二定律，转予铁心的运动方程为 脚警= p ( f ) + n 届一懈 ( 2 - 1 ) 式中m g 为转子的等效质量；p ( f ) 为x 方向的外界干扰力，它是时间的函数；，是电磁轴 承定子在转子上产生的电磁合力，由于是差动结构，故聊，- 乃，乃、乃分别为上、下 两块电磁铁对转子的电磁力，它们都是位移x 与线圈电流i 的函数：凡为由偏置电流产 生的电磁力，是常量；m g 为转子的重力。 当转子在x 方向上发生微小的位移变化x 时，转子离下端磁铁距离为x o + x ，离上端 磁铁距离为x d 。在差动驱动情况下，下端电磁铁线圈中的电流为i + i d ，上端电磁铁线 圈中的电流为正如，上、下两块电磁铁对转子产生的电磁力分别为 曩：k f 盟l ( 2 - 2 a ) e 甜c 等j c ：之 式中& 为线圈的控制电流，如为线圈的偏置电流；七：笪垡丝c o s 口，为线圈的匝数， a 为气隙的横截面积( 肌勺，尹锄l o 7 ( 胁! ) 为真空磁导率，为磁极位置角度。当电磁 轴承的结构参数一定时，后为常数。作用在转子上的电磁合力为 嘲母后i ( 甚 2 _ ( 等 2 ， 2 、电磁力的线性化 电磁轴承的电磁力是气隙与线圈电流的二元函数，为了将式( 2 3 ) 线性化，将该式在 点= o ，x = o 的邻域内，按照二元函数的泰勒级数展开 ，( ，x ) = 0 + + 掣l “ c z 枷 当& 、x 在点( 0 ，o ) 很小的邻域内变化时，高阶项带来的误差可以忽略不计，即 f ( ，工) ：掣+ 掣工( 2 - 5 ) 仂喊 4 浙江大学硕士学位论文 对式( 2 - 3 ) 求偏导得 ：4 七乓， 瞄 又_ ：丛型：丝c