高速磁悬浮电动机的混合磁轴承最小电流控制_任昌健

Minimum Current Control of Hybrid Magnetic Bearings in High Speed Maglev Motors
REN Chang － jian1，2，3 ，FANG Jian － cheng1，2，3 ，ZHENG Shi － qiang1，2，3
（ 1． Science and Technology on Inertial Laboratory，Beijing 100191 ，China； 2． Fundamental Science on Novel Inertial Instrument ＆ Navigation System Technology Laboratory， Beijing 100191 ，China； 3． School of Instrument Science and Opto － electronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191 ，China） Abstract： Aimed at the rotor displacement signal drifting with the temperature variation in the high speed maglev motor ，resulting in the bad stability of the magnetic bearing control system，even leading to the system instable，the minimum current control strategy is proposed based on the traditional separate PID control strategy． The strategy is not influenced by the temperature drift of the output signal from the displacement sensor，hence it ensures the rotor suspended steadily． The experiment results show that the minimum current control strategy is able to suspend the rotor stably，reand the control current is the straining the influence of the displacement sensor temperature drift on the system stability， minimum． Key words： hybrid magnetic bearing； minimum current control； sensor； temperature drift
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《轴承》 2012． №． 3
下文将在高速磁悬浮电动机磁轴承控制系统中采 用最小电流控制策略， 实现磁轴承控制系统所需 控制电流最小， 同时消除传感器温度漂移对磁轴 承控制系统稳定性的影响。 9］ 针对最小电流控制问题， 文献［ 利用具有负 位移刚度的磁悬浮支承结合具有正位移刚度的弹 簧设计了三自由度振动隔离平台。 其中磁悬浮支 使得负位移刚度 承部分采用最小电流控制策略， 可调。然而， 该方案并没有实现完全无接触的支 10］ 承方式。文献［ 针对磁轴承控制系统普遍存在 电流和悬浮间隙等限制， 采用受限控制理 的电压、 论设计了控制器， 保证系统安全运行并使得控制 由于系统设计时考 电流和系统功耗较小。 然而， 虑边界条件较多， 系统在多个方面都只能达到次 不能实 现 控 制 电 流 最 小 化 的 最 优 控 制 效 果 。 优， 11］ 文献［ 在承重方向采用完全由永磁体构成的被 动磁轴承实现较大承载力， 省去了传统主动磁轴 承的传感器、 控制器、 功率放大器和线圈等环节， 减少了系统功耗， 但是被动磁轴承刚度和阻尼不 可控， 调节系统刚度和阻尼不灵活， 且相同承载力 时被动磁轴承的体积比主动磁轴承大， 不利于系 12］ 采用角速率 － 转子位移前馈 统的优化。文献［ 的控制方式， 通过控制转子的悬浮位置， 由永磁体 来提供输出力矩， 实现了低功耗控制。 由此可以 尽量利用混合磁轴承 证明通过恰当的控制方式， 中的永磁体来提供承载力是可行的 。 最小电流控制可以通过两种方式实现： 一是 引入速度负反馈； 二是引入电流小内环积分正反 馈。本案采用第 2 种控制方式， 结合控制系统和 混合磁轴承自身特点， 在分散 PID 控制的基础上 实现了高速磁悬浮电 提出了最小电流控制策略， 避免了电涡流位移传感器 动机转子的稳定悬浮 ， 检测信号随温度漂移对控制系统稳定性的影响 ， 并且系统控制电流可 以 达 到 最 小 。 静 态 悬 浮 试 验和升速试验验证了最小电流控 制 策 略 的 有 效 性。
磁轴承线圈中的电流、 电动机转子的位移与 磁轴承产生的磁力在平衡点附近可以用以下线性 关系表示 F = k i i + k x x， （ 1）
式中： i 为混合磁轴承线圈中的电流； x 为转子偏离 平衡位置的位移； k i 和 k x 分别为混合磁轴承的电 流刚度和位移刚度。 高速磁悬浮电动机坐标系定义如图 3 所示。 y， z 轴存在 6 个自由度， 悬浮的转子沿空间 x， 分别 是沿 3 个轴的平动和绕 3 个轴的转动。 电动机转 子绕 z 轴方向的转动是由电动机定子驱动的 ， 不受 磁轴承系统控制， 因此不在本案讨论范围内。 其 5 余 个自由度的运动由磁轴承系统控制 。
摘要： 针对高速磁悬浮电动机位移传感器检测转子位移信号随温度漂移导致磁轴承控制系统稳定性变差， 甚至 造成系统失稳的问题， 在分散 PID 控制基础上提出了混合磁轴承最小电流控制策略 。 该方法不受位移传感器 检测信号随温度漂移的影响， 可保证高速磁悬浮电动机转子的稳定悬浮 。试验结果表明， 最小电流控制策略能 够实现转子的稳定悬浮， 抑制了传感器温度漂移对系统稳定性的影响， 同时控制电流达到最小 。 关键词： 混合磁轴承； 最小电流控制； 传感器； 温度漂移 中图分类号： TH133． 3 文献标志码： A 文章编号： 1000 － 3762 （ 2012 ） 03 － 0011 － 06
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。 目前广泛应用于磁悬浮
收稿日期： 2011 － 08 － 05 ； 修回日期： 2011 － 09 － 14 基金项目： 国家杰出青年科学基金项目（ 60825305 ） 作者简介： 任昌健（ 1986—） ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向 E － mail： renchangjian1986 为高速磁悬浮电动机磁轴承控制， @ 163． com； 房建成（ 1965—） ， 男， 博士， 教授， 博士生导师， 主要研究方向为航天飞行器姿态控制技术及自主定位导航 GNC 系统集成技术和信息集成技术、 技术、 高速磁悬浮动力 E － mail： fangjiancheng @ buaa． edu． cn； 郑 世 强 机械 技 术， （ 1981—） ， 男， 博士， 讲师， 主要研究方向为磁悬浮动力机械 磁轴承控制技术。E － mail： zhengshq@ gmail． com。
ISSN1000 － 3762 CN41 － 1148 / TH
பைடு நூலகம்
轴承 2012 年 3 期 Bearing 2012 ， No． 3
11 － 16 ， 22
高速磁悬浮电动机的混合磁轴承最小电流控制
任昌健
1， 2， 3 1， 2， 3 1， 2， 3 ， ， 房建成 郑世强
（ 1．“惯性技术” 重点实验室， 北京 100191 ； 2．“新型惯性仪表与导航系统技术 ” 国防重点学科实验室， 北京 100191 ； 3． 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院， 北京 100191 ）
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磁轴承控制系统建模
如图 1 所示， 控制系统中的位移传感器检测
出高速磁悬浮电动机转子偏离参考位置的位移， 控制器根据位置偏差计算出控制信号， 功率放大 磁轴 器将控制信号转换为磁轴承线圈中的电流， 承产生相应的磁力， 使电动机转子悬浮在给定位 置上。
图3 转子坐标系定义图
任昌健， 等： 高速磁悬浮电动机的混合磁轴承最小电流控制
由于磁轴承控制系统开环不稳定， 为保证系 统的稳定性， 必须引入被悬浮物体的位移检测信 号， 构成闭环负反馈
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轴承控制系统的位移检测传感器是电涡流式位移 ［2 － 3 ］ 。温 度 变 化 对 该 类 型 传 感 器 影 响 较 传感器 大， 即使采取了相应的补偿措施， 传感器输出信号 随温度漂移的问题也难以完全消除 。 种
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电动机转子是细长轴， 其极转动惯量与赤道 1 。 转动惯量之比远小于 因此， 转子在旋转过程中 y 轴的运动相互 的陀螺效应可以忽略， 转子沿 x， 独立。文中电动机转子为刚性转子， 转子的动力 学方程可表示为 ¨ mx = F ax + F bx J α ¨ = F b y l mb － F a y l ma x ¨ = F a y + F by ， （ 2） my J β ¨ = F a x l ma － F b x l mb y m¨ z = Fz y， z 分别为转子 式中： m 为电动机转子的质量； x， y， z 轴方向的位移； J x ， J y 分别为转子沿 x 轴 沿 x， 和 y 轴的转动惯量； α， β 分别为转子沿 x 轴和 y 轴 F bx 分别为转子轴伸端和非轴伸端在 x 的转角； F ax ， F by 分别为转子轴伸端和 轴方向受到的合力； F ay ， y 非轴伸端在 轴方向受到的合力； F z 为转子在 z 轴方向受到的合力； l ma 和 l mb 分别为电动机轴伸端 和非轴伸端磁轴承产生的悬浮力对转子质心 O 点 的力臂。 根据磁轴承安装位置和转子质心的关系可以 推出 x = l mb x + l ma x l ma + l mb a x l ma + l mb b x y = l mb y + l ma y l ma + l mb a y l ma + l mb b y ， （ 3） = － y a y － y by α l ma + l mb x a x － x bx β = l ma + l mb z = z x bx 分别为电动机轴伸端和非轴伸端磁轴 式中： x ax ， 承在转子上对应位置中心点沿 x 轴方向的位移； y ay ， y by 分别为电动机轴伸端和非轴伸端磁轴承在 转子上 对 应 位 置 中 心 点 沿 y 轴 方 向 的 位 移。 将 （ 3 ） 式代入（ 2 ） 式整理得 l2 l l x ¨ a x = （ ma + 1 ） F a x + （ 1 － ma mb ） F b x Jy m m Jy 2 l mb 1 1 l ma l mb ¨ x bx = （ m － J y ） F a x + （ J y + m ） F bx l2 l l ¨ a y = （ ma + 1 ） F a y + （ 1 － ma mb ） F b y 。 （ 4 ） y Jx m m Jx 2 l l l ¨ b y = （ 1 － ma mb ） F a y + （ mb + 1 ） F b y y m J Jx m x 1 ¨ z = m Fz