軸向磁懸浮軸承控制系統的可靠性研究

陸 陳 花榕澤 趙言軍 潘禮正 仇國富

南京理工大學 機械工程學院 （江蘇 南京 210094）

軸向磁懸浮軸承控制系統的可靠性研究

陸 陳 花榕澤 趙言軍 潘禮正 仇國富

南京理工大學 機械工程學院 （江蘇 南京 210094）

研究了軸向磁懸浮軸承系統的控制問題。基于控制可靠和低成本的考慮，系統采用了差動式電容傳感器檢測軸位移，用基于脈寬調制的PID控制策略控制磁力線圈的工作。實驗表明，該控制系統能實現快速、準確、穩定及可靠控制，保證軸向磁懸浮軸承的正常工作。

軸向磁懸浮軸承 電容傳感器 脈寬調制 PID控制

磁懸浮軸承是一種利用可控電磁力使軸穩定懸浮起來的高性能新型軸承，與傳統軸承相比，具有無機械摩擦、無需潤滑、轉速高、無污染、功耗低和壽命長等優點，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、機器人等領域有著廣泛的應用前景。

按磁場力的提供方式，磁懸浮軸承可分為主動式、被動式和混合式3類，目前應用最廣泛的是主動式磁懸浮軸承。主動式磁懸浮軸承主要由機械結構和控制系統兩部分組成，機械結構包括定子、軸和電磁力線圈，控制系統由位置檢測傳感器、控制器、功率放大器等構成。工作時，電磁力線圈安裝在定子上，軸懸浮在對稱放置的電磁力線圈所產生的磁場中，位置傳感器連續檢測軸的位置變化情況并被轉換成控制信號控制通過電磁力線圈的電流，從而改變電磁力，使軸動態維持其穩定懸浮位置，并達到一定的位置精度要求。

軸的位置檢測是主動式磁懸浮軸承的重要部分，其性能關系到系統對轉子位置的控制精度。目前大多數磁懸浮軸承系統中均采用電渦流傳感器檢測磁懸浮軸承的位置，雖然電渦流傳感器可以滿足位置檢測要求，但一般來說成本較高，結構復雜。磁懸浮軸承的控制也是非常關鍵因素，它需要一種具有快速響應能力的、穩定的閉環控制系統。

主要研究設計了一種軸向磁懸浮軸承的控制系統。根據軸向磁懸浮軸承的工作特點，基于控制可靠和低成本的考慮，該系統采用了差動式電容傳感器檢測軸位移，用基于脈寬調制的PID控制策略控制電磁力線圈工作，成功實現了對磁懸浮軸承的快速、準確、穩定及可靠控制。

1 軸向磁懸浮軸承工作原理

軸向磁懸浮軸承結構及控制系統工作原理如圖1所示。

圖1 軸向磁懸浮軸承工作原理

軸向磁懸浮軸承由兩個定子和一個與軸連接在一起的推力圓盤及相應的控制系統構成。兩個電磁力線圈分別安裝在兩個定子上并對稱布置在推力圓盤的兩邊，當有適當的電流流過時，產生的電磁力吸引推力圓盤，從而使軸懸浮。當軸在外力擾動下偏離平衡位置時而有軸向位移時，由電容傳感器檢測出軸向位移變化，經測量電路處理后與給定的位置信號比較，差值信號送入控制器中，控制器產生兩個同步的差動控制信號分別送入兩個功率放大器控制流經電磁力線圈的電流，相反的改變電磁力的大小(若一個增大則另一個減小)，使軸的軸向位置受到精確控制而保持懸浮。

2 差動電容位移傳感器結構及檢測原理

磁懸浮軸承是根據軸的懸浮狀態不斷地調節電磁力的大小才使軸實現穩定的懸浮，這就要求對軸的位移進行實時檢測。為了提高磁懸浮軸承的性能和承載能力，軸和定子的間隙極小，一般在微米的量級。因此，軸的位移檢測系統非常關鍵，要具有高精度、高分辨力、高穩定性和快速響應能力。

電容式傳感器具有很高的位移檢測靈敏度和高分辨率，響應快速，而且結構簡單、成本低廉，檢測電路也不復雜。根據軸向磁懸浮軸承的工作特點，電容式位移傳感器安裝也容易實現。因此，基于檢測靈敏、控制可靠和低成本的要求，在軸向磁懸浮軸承中采用電容式傳感器檢測位移比目前大多數磁懸浮軸承系統中采用的昂貴的電渦流位移傳感器具有更大的優勢。

根據平行板電容公式：

式中 ε—極板間介質介電常數；

S—極板相對面積；

d—兩平行板極間距離。

電容傳感器檢測位移時一般采用變面積 （S）或變極距（d）原理。考慮到在軸向位移很小的情況下，變極距式檢測靈敏度較高，因此采用變極距測量原理，保持S、ε不變，將軸位移（d）轉換為電容C的變化。另外，進一步考慮到克服非線性、提高靈敏度和抗干擾要求，采用了差動電容結構。

用印制板制造技術制作了如圖2所示的同心圓環式電極，其中動電極用螺釘固定在軸的端部，兩個固定電極裝在磁懸浮軸承殼體上。為了減少引線電容影響，電容檢測轉換電路直接做在定極板上。整個電容位移傳感器和檢測電路均被封裝在金屬殼體內，以屏蔽外界電磁干擾，如圖3所示。

采用的電容檢測電路原理如圖4所示。圖4中，多諧振蕩器產生一定頻率的脈沖信號同時送給兩路單穩態觸發器，各單穩態觸發器的單穩態脈寬時間tw與所檢測到的電容值有關，而電容值的大小與電容極距有關。當位移變化引起電容極距變化時，tw發生變化，從而輸出占空比變化與電容變化有關的等幅脈寬信號。兩低通濾波電路將各脈寬信號轉換成平均直流電壓送入差動放大器放大，差動放大器輸出電壓的大小和極性分別反映了軸向位移的大小和方向，從而實現位移的檢測。

圖2 同心圓環式電極板

圖3 電容傳感器的安裝

采用的電容傳感器電極內環直徑20mm，外環直徑50mm，多諧振蕩器頻率取為5kHz，位移檢測的靈敏度達到了2.6mV/μm。

3 軸向磁懸浮控制技術研究

對于軸向磁懸浮軸承，軸的穩定懸浮是一個受控的動態平衡過程，是根據軸在受載情況下位移的變化，不斷調整上下電磁線圈對推力盤的吸引力實現的。如果控制動作過于頻繁，容易使軸發生振蕩。電磁線圈吸引力的大小由流過線圈的電流大小決定，一般磁懸浮控制系統中采用功率放大器來給電磁線圈提供電流。功率放大器的作用相當于可控恒流電源，其結構復雜、設計要求高。

圖4 電容檢測電路原理

研究設計的軸向磁懸浮控制系統結構如圖5所示。該控制系統采取PID控制策略，用簡單方法實現功率放大器功能，完全由硬件電路完成對軸的懸浮控制。這樣既保證了系統的快速、可靠的控制，又可降低系統成本。

圖5中，兩個受脈寬信號控制的開關電路與一個電壓源構成了兩路功率放大器。直流電壓經兩個開關分別直接加在上下電磁線圈上，通過調整頻率固定的脈寬信號的占空比來控制開關電路的導通時間，從而控制上下電磁線圈中平均電流(功率)大小，達到調整上下電磁線圈吸引力的目的。

圖5 控制系統結構框圖

此外，PID控制電路和脈寬調制電路實際上構成了控制器，其作用是對位移檢測信號做適當處理并分別給出兩路變化方向相反的脈寬調制控制信號控制開關電路的通斷。

整個控制系統控制過程是，當軸在外力擾動下，偏離平衡位置向下運動時，PID控制電路和脈寬調制電路根據位移檢測信號，控制脈寬調制信號1的占空比增大，脈寬調制信號2的占空比減小，從而增大上電磁線圈吸引力，減小下電磁線圈吸引力，使軸回歸平衡位置；若軸偏離平衡位置向上運動，則減小脈寬調制信號1的占空比，增大脈寬調制信號2的占空比，改變上下電磁線圈的吸引力大小，控制軸向下運動，回歸平衡位置。這樣就實現了軸懸浮的動態控制。

PID參數整定的好壞不僅影響控制的質量，而且更會影響到控制器的魯棒性，采用實驗試湊法確定了PID控制電路的PID參數。

4 軸向磁懸浮軸承系統實驗與結論

把軸向磁懸浮軸承放在平整的實驗臺上，用砝碼加載，用千分表測量軸的位移。脈寬調制信號頻率選為1.2kHz。

在常溫下進行了空載、加10kg負載的靜態試驗，以及在10kg靜負載情況下疊加或減少500g砝碼的外界擾動實驗。實驗時，先在系統未工作情況下使千分表調零，然后測量軸在各種負載情況下的位移及其變動情況。實驗數據如表1所示。

根據實驗，無論是空載、加載或是有外界擾動情況下，軸的懸浮位置都很穩定，變化僅1μm左右。這表明，所研究設計的軸向磁懸浮軸承控制系統，能實現微米級高精度控制，具有很強的抗干擾能力及一定的承載能力，能穩定地、可靠地實現系統懸浮起來。而且，這種軸向磁懸浮軸承控制系統還具有結構簡單、成本低廉的優點，能滿足工業應用的要求。

表1 測量軸在不同負載下的位移實驗數據 單位：μm

[1]Jams P.Lyons,Mark A.Preston,Ram Gurumoorthy.Design and Control of a Fault-tolerant Active Magnetic Bearing System for Aircraft Engines,Proceedings of 4th International Symposium on Magnetic Bearings,1994：449-454.

[2]M.Brunet,B.Wagner，Analysis of Performance of an AMB spindle in creep feed grinding，Proceedings of the Fourth International Symposium on Magnetic Bearings，ETH Zurich，Switzerland，August，1994: 23-26.

[3]郭樹濤.主動磁懸浮軸承的工作原理及發展趨勢[J].重慶科技學院學報:自然科學版,2006(4):47-48.

[4]周旭.現代傳感器技術[M].北京:國防工業出版社,2007.

[5]曹建榮,虞烈,謝友柏.主動磁懸浮推力軸承的狀態反饋線性化控制[J].西安交通大學學報,2000,34(10):67-71.

[6]騰青芳.優化設計非線系統PID控制器的方法[M].蘭州交通大學學報,2002,21(3):60-63.

The study focuses on the controlling problem of axial magnetic bearing system.In view of the reliability and the cost of control,the system adopts the differential capacitive sensors to detect the axial displacement,and also uses the PID strategy based on the pulse-width modulation to control the magnetic coil work.The experiment shows that this system can realize the rapid,accurate, stable and reliable control and guarantee the normal work of axial magnetic bearing system.

axial magnetic bearing;capacitive sensors;pulse-width modulation;PID control

張簫鈴

2011-02-07