軸向磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的可靠性研究

陸 陳 花榕澤 趙言軍 潘禮正 仇國(guó)富

南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 （江蘇 南京 210094）

軸向磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的可靠性研究

陸 陳 花榕澤 趙言軍 潘禮正 仇國(guó)富

南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 （江蘇 南京 210094）

研究了軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)的控制問(wèn)題。基于控制可靠和低成本的考慮，系統(tǒng)采用了差動(dòng)式電容傳感器檢測(cè)軸位移，用基于脈寬調(diào)制的PID控制策略控制磁力線圈的工作。實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)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(diào)制 PID控制

磁懸浮軸承是一種利用可控電磁力使軸穩(wěn)定懸浮起來(lái)的高性能新型軸承，與傳統(tǒng)軸承相比，具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)速高、無(wú)污染、功耗低和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

按磁場(chǎng)力的提供方式，磁懸浮軸承可分為主動(dòng)式、被動(dòng)式和混合式3類，目前應(yīng)用最廣泛的是主動(dòng)式磁懸浮軸承。主動(dòng)式磁懸浮軸承主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括定子、軸和電磁力線圈，控制系統(tǒng)由位置檢測(cè)傳感器、控制器、功率放大器等構(gòu)成。工作時(shí)，電磁力線圈安裝在定子上，軸懸浮在對(duì)稱放置的電磁力線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，位置傳感器連續(xù)檢測(cè)軸的位置變化情況并被轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)控制通過(guò)電磁力線圈的電流，從而改變電磁力，使軸動(dòng)態(tài)維持其穩(wěn)定懸浮位置，并達(dá)到一定的位置精度要求。

軸的位置檢測(cè)是主動(dòng)式磁懸浮軸承的重要部分，其性能關(guān)系到系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的控制精度。目前大多數(shù)磁懸浮軸承系統(tǒng)中均采用電渦流傳感器檢測(cè)磁懸浮軸承的位置，雖然電渦流傳感器可以滿足位置檢測(cè)要求，但一般來(lái)說(shuō)成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。磁懸浮軸承的控制也是非常關(guān)鍵因素，它需要一種具有快速響應(yīng)能力的、穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

主要研究設(shè)計(jì)了一種軸向磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)。根據(jù)軸向磁懸浮軸承的工作特點(diǎn)，基于控制可靠和低成本的考慮，該系統(tǒng)采用了差動(dòng)式電容傳感器檢測(cè)軸位移，用基于脈寬調(diào)制的PID控制策略控制電磁力線圈工作，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁懸浮軸承的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)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(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)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(gè)定子和一個(gè)與軸連接在一起的推力圓盤及相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成。兩個(gè)電磁力線圈分別安裝在兩個(gè)定子上并對(duì)稱布置在推力圓盤的兩邊，當(dāng)有適當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^(guò)時(shí)，產(chǎn)生的電磁力吸引推力圓盤，從而使軸懸浮。當(dāng)軸在外力擾動(dòng)下偏離平衡位置時(shí)而有軸向位移時(shí)，由電容傳感器檢測(cè)出軸向位移變化，經(jīng)測(cè)量電路處理后與給定的位置信號(hào)比較，差值信號(hào)送入控制器中，控制器產(chǎn)生兩個(gè)同步的差動(dòng)控制信號(hào)分別送入兩個(gè)功率放大器控制流經(jīng)電磁力線圈的電流，相反的改變電磁力的大小(若一個(gè)增大則另一個(gè)減小)，使軸的軸向位置受到精確控制而保持懸浮。

2 差動(dòng)電容位移傳感器結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理

磁懸浮軸承是根據(jù)軸的懸浮狀態(tài)不斷地調(diào)節(jié)電磁力的大小才使軸實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮，這就要求對(duì)軸的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。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(jí)。因此，軸的位移檢測(cè)系統(tǒng)非常關(guān)鍵，要具有高精度、高分辨力、高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。

電容式傳感器具有很高的位移檢測(cè)靈敏度和高分辨率，響應(yīng)快速，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，檢測(cè)電路也不復(fù)雜。根據(jù)軸向磁懸浮軸承的工作特點(diǎn)，電容式位移傳感器安裝也容易實(shí)現(xiàn)。因此，基于檢測(cè)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(cè)位移比目前大多數(shù)磁懸浮軸承系統(tǒng)中采用的昂貴的電渦流位移傳感器具有更大的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)平行板電容公式：

式中 ε—極板間介質(zhì)介電常數(shù)；

S—極板相對(duì)面積；

d—兩平行板極間距離。

電容傳感器檢測(cè)位移時(shí)一般采用變面積 （S）或變極距（d）原理?？紤]到在軸向位移很小的情況下，變極距式檢測(cè)靈敏度較高，因此采用變極距測(cè)量原理，保持S、ε不變，將軸位移（d）轉(zhuǎn)換為電容C的變化。另外，進(jìn)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(dòng)電容結(jié)構(gòu)。

用印制板制造技術(shù)制作了如圖2所示的同心圓環(huán)式電極，其中動(dòng)電極用螺釘固定在軸的端部，兩個(gè)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(cè)轉(zhuǎn)換電路直接做在定極板上。整個(gè)電容位移傳感器和檢測(cè)電路均被封裝在金屬殼體內(nèi)，以屏蔽外界電磁干擾，如圖3所示。

采用的電容檢測(cè)電路原理如圖4所示。圖4中，多諧振蕩器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)同時(shí)送給兩路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，各單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的單穩(wěn)態(tài)脈寬時(shí)間tw與所檢測(cè)到的電容值有關(guān)，而電容值的大小與電容極距有關(guān)。當(dāng)位移變化引起電容極距變化時(shí)，tw發(fā)生變化，從而輸出占空比變化與電容變化有關(guān)的等幅脈寬信號(hào)。兩低通濾波電路將各脈寬信號(hào)轉(zhuǎn)換成平均直流電壓送入差動(dòng)放大器放大，差動(dòng)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(shí)現(xiàn)位移的檢測(cè)。

圖2 同心圓環(huán)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(nèi)環(huán)直徑20mm，外環(huán)直徑50mm，多諧振蕩器頻率取為5kHz，位移檢測(cè)的靈敏度達(dá)到了2.6mV/μm。

3 軸向磁懸浮控制技術(shù)研究

對(duì)于軸向磁懸浮軸承，軸的穩(wěn)定懸浮是一個(gè)受控的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，是根據(jù)軸在受載情況下位移的變化，不斷調(diào)整上下電磁線圈對(duì)推力盤的吸引力實(shí)現(xiàn)的。如果控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，容易使軸發(fā)生振蕩。電磁線圈吸引力的大小由流過(guò)線圈的電流大小決定，一般磁懸浮控制系統(tǒng)中采用功率放大器來(lái)給電磁線圈提供電流。功率放大器的作用相當(dāng)于可控恒流電源，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)要求高。

圖4 電容檢測(cè)電路原理

研究設(shè)計(jì)的軸向磁懸浮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該控制系統(tǒng)采取PID控制策略，用簡(jiǎn)單方法實(shí)現(xiàn)功率放大器功能，完全由硬件電路完成對(duì)軸的懸浮控制。這樣既保證了系統(tǒng)的快速、可靠的控制，又可降低系統(tǒng)成本。

圖5中，兩個(gè)受脈寬信號(hào)控制的開關(guān)電路與一個(gè)電壓源構(gòu)成了兩路功率放大器。直流電壓經(jīng)兩個(gè)開關(guān)分別直接加在上下電磁線圈上，通過(guò)調(diào)整頻率固定的脈寬信號(hào)的占空比來(lái)控制開關(guān)電路的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制上下電磁線圈中平均電流(功率)大小，達(dá)到調(diào)整上下電磁線圈吸引力的目的。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

此外，PID控制電路和脈寬調(diào)制電路實(shí)際上構(gòu)成了控制器，其作用是對(duì)位移檢測(cè)信號(hào)做適當(dāng)處理并分別給出兩路變化方向相反的脈寬調(diào)制控制信號(hào)控制開關(guān)電路的通斷。

整個(gè)控制系統(tǒng)控制過(guò)程是，當(dāng)軸在外力擾動(dòng)下，偏離平衡位置向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，PID控制電路和脈寬調(diào)制電路根據(jù)位移檢測(cè)信號(hào)，控制脈寬調(diào)制信號(hào)1的占空比增大，脈寬調(diào)制信號(hào)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(yùn)動(dòng)，則減小脈寬調(diào)制信號(hào)1的占空比，增大脈寬調(diào)制信號(hào)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(yùn)動(dòng)，回歸平衡位置。這樣就實(shí)現(xiàn)了軸懸浮的動(dòng)態(tài)控制。

PID參數(shù)整定的好壞不僅影響控制的質(zhì)量，而且更會(huì)影響到控制器的魯棒性，采用實(shí)驗(yàn)試湊法確定了PID控制電路的PID參數(shù)。

4 軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

把軸向磁懸浮軸承放在平整的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用砝碼加載，用千分表測(cè)量軸的位移。脈寬調(diào)制信號(hào)頻率選為1.2kHz。

在常溫下進(jìn)行了空載、加10kg負(fù)載的靜態(tài)試驗(yàn)，以及在10kg靜負(fù)載情況下疊加或減少500g砝碼的外界擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在系統(tǒng)未工作情況下使千分表調(diào)零，然后測(cè)量軸在各種負(fù)載情況下的位移及其變動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是空載、加載或是有外界擾動(dòng)情況下，軸的懸浮位置都很穩(wěn)定，變化僅1μm左右。這表明，所研究設(shè)計(jì)的軸向磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)高精度控制，具有很強(qiáng)的抗干擾能力及一定的承載能力，能穩(wěn)定地、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)懸浮起來(lái)。而且，這種軸向磁懸浮軸承控制系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，能滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。

表1 測(cè)量軸在不同負(fù)載下的位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：μm

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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