一、课题研究背景及意义

轴承是当代机械设备中一种重要零部件，随着科技的发展，现代工业要求高产能和高效率，因此高速化是许多设备仪器发展的一个重要方向，磁悬浮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，与传统的机械相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的转速，适用于高速，真空，超净等特殊环境中。由于磁轴承的诸多优点，它在能源交通，机械工业，航空航天等领域具有广泛的应用前景。为了准确测量气隙变化^[1]磁悬浮轴承需要用多个位移传感器，这样使得磁轴承的硬件成本过高，而且位移传感器的存在使得磁轴承的尺寸变大，致使整个系统的动态性能和可靠性降低。因此无传感器轴承应用于轴承转子悬浮的控制系统中来克服上述缺陷是必要的。本课题以此为背景，研究磁轴承无位移传感器控制系统。

二、国内外现状

磁浮轴承的使用寿命长，高精度，无摩擦等优点引起了广泛的关注，目前磁悬浮已应用在众多领域中：在商业应用方面，有发电机、涡轮压缩机、高速离心机、飞轮储能系统和磁浮式微型马达系统等；在工具机方面，已经有高速切削机、研磨机与精密加工等工具机问世；在运输系统，有磁浮列车；在生医工程，磁浮轴承已应用于人工心脏或心室辅助器；在航空太空工程，则有太空望远镜、人造卫星姿态控制用飞船及风洞实验应用等。在未来发展上，则有电动汽机车储能装置、及各储能系统间之能量转换等研究与应用，使得它在各个领域具有广泛的应用前景。 1950年美国弗吉尼亚大学J.W.Beams最早研发成功用于离子机的混合电磁轴承。1977年法国S2M公司开发了世界上第一台用于高速机床的磁悬浮主轴。2002年德国Darmsdat工业大学机电研究所研制出了主动磁轴承电主轴。在航天航空领域，美国，法国，以及日本先后成功地将磁悬浮轴承应用在空间制导和惯性轮以及发动机等核心构件上。 我国对磁悬浮轴承技术的研究开始于20世纪50年代末，目前还处于试验机工业试验运行阶段，还未有成功批量应用于实际机组上的报道。目前，清华大学，武汉理工大学，南京航空航天大学以及北京航空航天大学等多所院校都在致力于磁悬浮轴承的研究工作。^[2] 为了实现磁悬浮的位置可控，需要磁轴承的位移检测系统，位移信号传感器作为磁悬浮轴承系统的一个反馈回路，用来检测转子的位移信号，并将该信号传送给控制器，作为控制器进行控制和调节的参考信号，转子位移无传感器检测通常有两种方法：小信号注入测试法和差动变压器测试法。^[3-4] 位移传感器工作性能的好坏将决定着整个控制系统能否正常工作。位移传感器是磁悬浮轴承系统的重要组成部分，其类型、结构以及安装位置都直接影响检测信号的精度和磁悬浮轴承的性能。由于传感器的价格高和安装难度大，大大限制了磁悬浮轴承在工业上的应用，因而孕育了无传感器磁轴承。

三、发展趋势

我们把从电磁信号中提取出位置信号的磁轴承称为无传感器磁轴承，无传感器轴承颠覆了传感器磁轴承的运用，使其在众多领域有着广泛研究^[5-8]，经研究，获得转子位移信息的的方法主要有参数估计以及状态估计。^[9]1.参数估计 依据定子线圈电感是磁轴承气隙函数，参数估计以电感为估计量。 Mastuda等人根据功率放大器的脉宽调制信号来估计线圈的电感，^[10]但由于要使用开关功率放大器，当磁轴承的功率较小时，功率放大器的噪声会对系统的动静态特性有些影响，为此信号测试方法继而被Sivadasan提出，即将一个高频电压信号加到功率放大器输入端，在线圈电流中产生高频分量，通过测量电流分量幅值获得气隙信号^[11]，但是测试信号幅值较大时会影响系统的稳定性。 2.状态估计状态估计在以线圈电流与线圈电压为观测量和控制量的情况下，被Vischer,Blculcr,Mizuno等人研究指出并达到十分良好的效果^[12]，表现远胜过普通的PD控制磁轴承，但其控制结束高于电流控制磁轴承。此外控制参数也难以调整的难点，但是如能整定好控制参数，无传感器磁轴承必将胜于电流控制磁轴承。 由于线圈的电感是转子位移的函数,故其两端的电压也为转子位移的函数,在磁轴承系统的线性功率放大器的输入端注入高频信号作为转子位置的测试信号,将线圈端电压经过谐振电路提取含有位置信号的高频电压信号,再将电压信号进行半波整流,最后通过低通滤波器得到平滑的转子位移直流信号,由PID控制器转换为转子位移的控制信号。^[13] 应用类似小信号注入的方法实现转子位置的检测，具体做法就是在转矩绕组上加载高频电压信号,在悬浮绕组上检测出感应电流信号,利用电流和位移之间的关系确定转子的位置和方向。^[14]磁轴承将会向低成本，高可靠性，数字控制闭环控制，主动电动磁悬浮轴承控制系统方向发展。^[15]

四、参考文献

[1] 贾起民. 电磁学[M]. 北京：高等教育出版社.2001:74-78.

[2] 曹广忠，潘剑飞，黄苏丹，邱洪 .磁悬浮系统控制算法及实现[M].北京:清华大学出版社. 2013：45-47

[3] 王军. 无传感器磁悬浮轴承的研究[D].南京.南京航天航空大学.2005.