摘 要

磁悬浮轴承是通过电磁铁产生的磁场使转轴悬浮的一种高性能轴承，与传统机械轴承相比有许多优势，其工作原理涉及到电磁学、信号处理、电子技术、机械动力学等多种学科。整个磁悬浮轴承系统的核心是它的控制器，对磁悬浮轴承的稳定性起至关重要的作用，目前，磁悬浮轴承的相关技术正在高速发展，但依然存在许多问题亟待解决，其中磁悬浮轴承的轴心位移检测分析就是一个重要问题。

本文的主要内容是针对磁悬浮轴心5个自由度的位移，首先分析位移模式，对位移模型进行仿真；采集各个自由度位移数据，结合信号处理相关知识，对位移数据进行时域和频域等的分析。在此基础上结合MFC等界面展示软件搭建分析系统，实时展示各自由度位移数据，并集成数据分析功能，以及实时位移监控报警、轴承控制等功能。

关键词：磁悬浮轴承；数字信号处理；MFC

Abstract

Magnetic bearing is a kind of high-performance bearing which makes the rotating shaft suspended by the magnetic field generated by electromagnet. Compared with the traditional mechanical bearing, it has many advantages. Its working principle involves electromagnetics, signal processing, electronic technology, mechanical dynamics and other disciplines. The core of the whole magnetic bearing system is its controller, which plays an important role in the stability of the magnetic bearing. At present, the related technology of the magnetic bearing is developing rapidly, but there are still many problems to be solved, among which the axial displacement detection and analysis of the magnetic bearing is an important problem.

The main content of this paper is to analyze the displacement mode of the five degrees of freedom of the maglev axis, simulate the displacement model, collect the displacement data of each degree of freedom, and analyze the displacement data in time domain and frequency domain combined with the relevant knowledge of signal processing. On this basis, combined with MFC and other interface display software, an analysis system is built to display the displacement data of various degrees of freedom in real time, and integrate the data analysis function, as well as the real-time displacement monitoring alarm, bearing control and other functions.

Key words: magnetic bearing; digital signal processing; MFC

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文主要工作 3

1.4论文组织结构 3

第2章 系统的需求分析与整体设计 5

2.1系统的需求分析 5

2.1.1 功能性需求 5

2.1.2 非功能性需求 5

2.2磁悬浮轴承介绍 6

2.2.1磁悬浮轴承的结构 6

2.2.2磁悬浮轴承的工作原理及特点 7

2.3磁悬浮轴心轨迹信号分析系统的整体设计 8

第3章 相关软件及信号处理概念 10

3.1 Microsoft Visual C 6.0 10

3.2 TeeChart 8.0 Pro ActiveX 10

3.3离散傅里叶变换 11

3.4功率密度函数 12

第4章 磁悬浮轴心轨迹信号分析系统的实现 14

4.1系统界面的设计 14

4.2数据载入与显示 16

4.3频谱与功率谱 19

4.4低通滤波 20

第5章 总结与展望 22

5.1论文总结 22

5.2展望未来 22

参考文献 24

致谢 25

附录 26

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着现代工业的飞速发展，广泛用于航空航天，冶金等工业领域的旋转机械正朝着高速度、高精度、智能化的方向发展，对支承转子的关键部件轴承有了更加严格的要求，而传统机械轴承由于表面磨损、机械疲劳、润滑油对轴承表面的化学腐蚀等原因导致形态恶化，使用寿命缩减，这也限制了高速旋转机械的发展，传统的滚动和滑动轴承难以满足工业应用的要求，磁悬浮轴承就应运而生^[1][2]。磁悬浮轴承是通过电磁铁产生的磁场使转轴悬浮的一种高性能轴承，与传统机械轴承相比有许多优势，其工作原理涉及到电磁学、信号处理、电子技术、机械动力学等多种学科。整个磁悬浮轴承系统的核心是它的控制器，对磁悬浮轴承的稳定性起至关重要的作用。主动磁悬浮轴承的转子和定子无任何接触，转子通过电磁铁产生的磁场悬浮在系统中 ^[3]。

主动磁悬浮轴承系统主要分为四个部分，分别为转子、传感器、控制器和执行器，是一个高度机电一体化产品，其中传感器、控制器和执行器组成了磁悬浮轴承的闭环控制系统，具体过程为传感器将磁悬浮轴承的位移变动转换为电信号传递给控制器，控制器在接受到信号后经过计算，发出改变电磁铁中电流大小的信号给执行器，而执行器通过该信号来控制改变电磁铁中的电流大小，来改变磁悬浮轴承所受的磁场力的大小，进而改变磁悬浮轴承的位置，使磁悬浮轴承一直工作在一个相对稳定的位置 ^[4]。这个控制系统为磁悬浮轴承能够正常稳定工作的关键技术，正因如此，一个主动磁悬浮系统的好坏很大程度上取决于该系统中控制体统的好坏。

而今磁悬浮轴承的应用依然存在许多问题，如造价高，轴承的承载能力和刚度问题以及磁悬浮的控制监测问题等，但对其理论分析已经形成了较完整的体系^[5]。主动磁悬浮轴承在真空密闭空间中工作，这导致实验及工作人员不能直接观察转子的运动姿态，而且由于磁悬浮转子的转速非常高，从安全角度出发，远程监控系统是非常必要的。磁悬浮轴心轨迹分析系统不仅可以实时监控磁悬浮轴承的工作状况，还可以通过分析磁悬浮轴承的运动轨迹数据得出磁悬浮轴承的工作状况，方便工作人员及时了解磁悬浮轴承的工作状况并进行相应的调节等。