磁悬浮轴承控制系统及控制技术研究.pdf
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1、第2 3卷 第9期2023年9月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G7 6-8 1收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 6,修回日期:2 0 2 2-1 1-1 0作者简介:李嘉,研究方向为高速永磁变频传动系统及控制。磁悬浮轴承控制系统及控制技术研究李嘉1)梁涛2)文亮1)贺西1)1)(株洲中车时代电气股份有限公司)2)(重庆美的通用制冷设备有限公司)摘 要 磁悬浮轴承技术因其无接触、无需润滑、无磨损的优良特性特别适用于高速传动应用场景。其通常采用分散的P I D控制,且刚度与阻尼的选择决定了系统的稳定性与动态性能。文章
2、针对典型的磁悬浮轴承控制系统,研究了其控制策略。同时,对不同刚度与阻尼条件下的系统进行了仿真分析。关键词 磁悬浮;电磁轴承;刚度;阻尼D e s i g no fm a g n e t i c s u s p e n s i o nb e a r i n gc o n t r o l s y s t e mL i J i a1)L i a n gT a o2)W e nL i a n g1)H eX i1)1)(Z h u z h o uC R R CT i m e sE l e c t r i cC o.,L t d.)2)(C h o n g q i n gM i d e aG e n e
3、 r a lR e f r i g e r a t i o nE q u i p m e n tC o.,L t d.)A B S T R A C T M a g n e t i cs u s p e n s i o nb e a r i n gt e c h n o l o g y i se s p e c i a l l ys u i t a b l e f o rh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o na p p l i c a t i o n sd u et oi t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s
4、t i c so fn o n-c o n t a c t,n o n-l u b r i c a-t i o na n dn o n-a b r a s i o n.I tu s u a l l ya d o p t sd e c e n t r a l i z e dP I Dc o n t r o l,a n dt h ec h o i c eo f s t i f f-n e s sa n dd a m p i n gd e t e r m i n e st h es t a b i l i t ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t
5、 h es y s t e m.T h i sp a p e rs t u d i e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fat y p i c a lm a g n e t i cb e a r i n gc o n t r o ls y s t e m.A tt h es a m e t i m e,t h es y s t e m w i t hd i f f e r e n ts t i f f n e s sa n dd a m p i n gi ss i m u l a t e d.T h es i m u l a t i o nr e s u
6、 l t sp r o v i d eg u i d a n c e f o r t h ep a r a m e t e rs e l e c t i o no fm a g n e t i cb e a r i n gc o n t r o l s y s t e m.K E Y WO R D S m a g n e t i cs u s p e n s i o n;m a g n e t i cb e a r i n g;s t i f f n e s s;d a m p i n g 电磁悬浮技术,自发明以来已被广泛地研究,其最早在磁悬浮列车上得以工程化实现,而后逐渐诞生了全悬浮系统的概
7、念1。早期的磁悬浮技术侧重于被动悬浮的研究,其刚度小,阻尼差,多用于负载较小的仪器仪表领域2。2 0世纪6 0年代以来,随着新器件、新技术的发明,主动磁悬浮技术不断的完善发展,应用主动磁悬浮技术的电磁轴承技术应运而生。电磁轴承技术因其无接触、无需润滑、无磨损的优良特性备受行业内的青睐,并已逐步的在医疗设备、涡轮机械等领域得以应用3。1 9 7 7年,法国S 2 M公司开发出了世界上第一台高速机床电磁主轴。1 9 8 4年日本NT N工司推出了超高速磨削电磁主轴部件4。而国内的磁悬浮轴承技术起步较晚,但近几年来随着国内学者及工程师的不断努力,轴承技术得到了迅速的发展。目前国内研究磁悬浮技术的高校
8、逐步增多,研究成果也日益丰硕,并且有不少企业逐渐发展起来,研发出有自主知识产权的磁轴承产品,打破了国外技术的垄断,尤其在暖通离心式中央空调、曝气鼓风机等为代表的流体机械领域有系列化产品的批量应用,虽其取得了一定的进展,但同国外相比一些关键指标尚有较大差距。故而,对磁悬浮技术的研究与相关产业的应用仍有很大的实际意义。文献5 研究了一种磁悬浮轴承刚度阻尼的测量方法,可准确的测量系统的刚度与阻尼;文献6 利用等效刚度和等效阻尼概念选择控制系统参数,以简化设计过程;文献7 对磁悬浮轴承的悬浮能力和闭环控制系统进行了分析;文献8 建立了适用于混合控制的磁悬浮轴承在开环控制下的静态刚度测量系统;文献9 研
9、究了磁悬浮轴承支撑刚度对转子临界转速的影响;文献1 0 对基 第9期李嘉 等:磁悬浮轴承控制系统及控制技术研究7 7 于磁悬浮轴承的永磁变频传动系统控制进行了研究,并在磁悬浮离心式变频机组进行了应用验证。但是,国内外已有文献对于磁悬浮系统的阻尼与刚度的选择尚缺乏相关的分析。在磁悬浮轴承新型开关功率放大器(电力电子变换器)的驱动下,磁悬浮轴承的控制设计也需要针对阻尼和刚度的模型开展。文章便针对典型的磁悬浮轴承控制系统,首先分析其控制原理,而后设计了其控制器以及控制策略,最后对于不同刚度与阻尼下的磁悬浮系统的性能进行了仿真分析。仿真结果为磁悬浮控制系统的参数选择提供了指导。1 磁悬浮轴承控制原理1
10、.1 磁悬浮轴承磁悬浮轴承也称电磁轴承或磁力轴承,是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直,轴芯与磁浮线平行,转子的重量能够固定在运转的轨道上,利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑,形成整个转子悬空,固定在特定运转轨道上。一个转子要实现完全的悬浮需在其5个自由度上施加控制力,即需要2个径向轴承和1个推力轴承。磁悬浮轴承示意图如图1所示,其由2个径向磁轴承与1个轴向磁轴承组成。其中每个径向磁轴承控制转子在该轴承平面的2个自由度x、y,轴向磁轴承控制转子沿轴向的自由度z。对于每个自由度,由两个线圈构成一组差动线圈进行控制。对于一个5轴的磁轴承
11、系统,共需分别控制1 0个线圈的电流,来实现控制目的。图1 磁悬浮轴承示意图单自由度差动控制示意图如图2所示,定义力与位移的正方向后,根据磁场能量与虚位移理论可推导出电磁力方程如式(1)。fx=k0(i0+ix)2(s0-x)2-(i0-ix)2(s0+x)2c o s(1)k0=140n2A(2)图2 磁悬浮轴承差动控制式(1)、式(2)中:i0为磁轴承线圈偏置电流(A);ix为线圈中的控制电流(A);s0为平衡位置气隙长度(mm);x为转子位移(mm);为力的方向与轴承界面上磁场方向的夹角;为真空磁导率(4 1 0-7H/m);n为线圈匝数(匝);A为磁场截面积(mm2)。在磁场确定的情况
12、下,轴承磁铁差动控制的磁场力与气隙长度、差分电流相关,控制差分电流便可控制磁场力,进而控制轴承位置。上述方程是关于气隙长度与差动电流的非线性方程,为简化分析,在x远小于s0的情况下,可将其线性化。fx=4k0i0s20ix+4k0i20s30 xc o s=kiix+ksx(3)其中:ki=4k0i0s20(c o s)(4)ks=4k0i20s30(c o s)(5)由牛顿第二定律可得:mx=f=kiix+ksx(6)式(6)即为磁悬浮轴承的力学数学模型,其中m为转子质量;f为电磁力;ki称为电流-力系数;ks称为位移-力系数。1.2 功率放大器拓扑对于不使用永磁偏置的磁轴承系统,由偏置电流
13、产生基本磁场,控制电流一般是远小于偏置电流的,因此,轴承系统中线圈电流是单向的。对于单向电感电流的控制,对于单向电感电流的控制,可采用H型半桥结构进行控制,如图3(a)所示。若两个线圈共用一个控制桥臂,如图3(b)所示,可在达到控制效果的前提下减少所使用的器件,降低成本与整体体积。对于五轴磁悬浮轴承系统,仅需要5组该控制电路,可实现对1 0个线圈电流的控制。7 8 第2 3卷 图3 功放主电路拓扑为了提高控制器集成度,可选择智能功率模块(I PM)作为控制主电路。I PM内部集成了一个三相全桥电路(图4)。实际使用中只需用到其中一半的器件,如图4的粗线器件,因此未用器件的控制信号可以直接接到地
14、。使用I PM可实现磁悬浮轴承的控制,并且提高集成度,降低控制器的体积。在五轴磁轴承系统中,使用5个I PM即可实现分别控制转子各自由度的悬浮控制功能。图4 I PM模块电路拓扑由于两个线圈共用了一个开关桥臂,实际使用时固定中间桥臂的占空比为5 0%,改变其余两开关管的占空比,来控制电流的大小。并且,共用桥臂开关信号与其余信号反相,从而使电路在大部分时间工作在续流模态,可有效减小电流纹波。图5为电流控制原理,数字控制器通过采集到的位置信号以及电流信号,计算出合适的占空比,通过改变其对应开关管的开通与关断,来实现对电流大小的控制,并输出至磁悬浮轴承电流线圈。2 磁悬浮轴承控制策略2.1 磁悬浮轴
15、承控制框图磁轴承控制系统单轴的控制框图如图6所示。由图6可见,控制器需要实现的功能可总结为根据所采集到的位置信号,改变轴承线圈中的电流,使转子位置达到参考位置,实现闭环控制。整个系统可分为:位置信号采集模块、电流信号采集模块、位置图5 电流控制调制原理图6 单轴控制框图外环P I D调节器、电流内环P I调节器、功率放大模块。考虑到系统的完整性及可操作性,还需要添加故障采集模块、通讯模块等。根据上述功能,整个控制器由控制板以及驱动板构成。控制板实现弱电部分的相关功能,驱动板实现强电部分的功能。2.2 P I D参数控制外环为位置环,采用P I D控制,控制内环为电流环采用P I控制。对于电流内
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