文 献 综 述

1. 主动型磁悬浮轴承的PID控制策略研究课题背景与意义

从20世纪70年代起,在不同经济领域内,对于信息技术及相关人才的需求就一直呈急骤上升趋势"越来越多的专家学者致力于机械电子学的研究,以及运用机械电子学这一工具从事各种新产品的开发以满足于经济发展的需要磁悬浮轴承就是典型的机械电子产品之一。和许多新技术一样,电磁轴承技术的发展同样受到现代工业对新一代支承技术需求的驱动[1]。

随着现代工业的发展,对于轴承转子系统的性能的要求也越来越高,这些性能的要求体现在各个方面,有的场合要求轴承能达到很高的转速,有些需要轴承能工作在温度极高或温度极低的环境中,有些则需要轴承具有高可靠性及稳定性和可控性,比如在航天航空领域,这一系列的要求,总的来说主要是要求轴承系统具有如下一些特点:一、轴承的速度必须达到一定的高度,至少达到每分钟万转以上,二、轴承旋转过程中要有很好的回转精度,其偏离中心位置不能大于某个规定的范围,三、转子系统可以利用控制理论设计出良好的控制系统进行控制,四、转子运行过程中必须有良好的可靠性!稳定性!能够在各种恶劣的环境中正常工作。对于传统的支撑轴承来说,这些要求几乎是不可实现的,在这种情况下,一种新型的轴承系统应运而生一磁悬浮轴承。

磁悬浮轴承之所以能够满足以上的要求是由其自身特点决定的,磁悬浮轴承的工作原理是依靠电磁力将转子悬浮于轴承气隙中,很显然其不存在机械摩擦,这一方面使其运行过程中机械阻力很少从而能达到很高的转速,第二个方面,没有摩擦就不会产生摩擦热量,从而又使其可以工作在高温环境中,同时不需要像传统机械轴承那样配置冷却系统,也不需要润滑。与传统接触式轴承相比,磁悬浮轴承的最大转速大约能达到其6倍。[2]第三个方面、由于没有机械接触,就不存在机械磨损,这可以大大延长轴承的使用寿命。磁悬浮轴承的控制系统可以采用先进的数字化控制系统进行控制,电子设备的可靠性相比于机械零部件要高很多,这使得磁悬浮轴承的可靠性能得到大大提高,综合以上的分析可知,磁悬浮轴承的特点决定了其优于传统接触式轴承的优点,这些优点正好能够满足如前所述的新时代下对轴承转子系统系能的要求。

尽管磁悬浮轴承具有以上诸多优势,但由于其涉及的学科门类众多,是一个极其复杂的机电一体化系统,磁悬浮轴承系统各方面的技术都还不成熟,因而还没有投入大规模的工业应用[3],基于以上所述,对于磁悬浮轴承的研究具有重要的意义。

2. 主动型磁悬浮轴承的PID控制策略研究课题的国内外研究现状的介绍以及应用

磁悬浮轴承的优越性能推涨了国际上各国对其进行研究的热情和投入,在投入大量的人力和物力对其进行研究后,取得了很大的进展,陆陆续续在市场上出现了高性能的磁悬浮轴承产品,在欧美发达国家出现了比如高速电机、斯特林制冷机、高速车床,[4]等等比较成熟的磁悬浮轴承设备。这些产品主要都是用于工业生产的设备或者航天航空领域的器件,民用产品却相对较少。

针对磁悬浮轴承的研究进展,国际上近年来都会定期召开相关会议"八十年代末期第一届磁悬浮轴承会议召开后,到九十年代,每年都会召开一次会议。欧美发达国家以及日本等国对于磁悬浮轴承技术的研究更是积极,其研究水平也处于国际一前列,它们的研究成果,大大地推动了磁悬浮轴承技术从处于实验室研究阶段走向实际应用的前进步伐,工业上的应用更是成为磁悬浮轴承技术的率先应用点。如今,磁轴承技术水平正朝着小型化以及特殊化方向发展。例如著名的硬盘生产商美国的Seagate公司正在开发可应用于硬盘商的小型磁轴承。这种轴承可以达到最高转速1100Orpm,这种磁悬浮轴承便是在以DSP为基础的数字控制系统来实现的。美国弗吉尼亚大学的电子工程系与犹它大学的人造心脏实验室,合作开发了用于人造心脏血液循环泵的磁轴承。它的径向尺寸为6.07cm,宽度为1.OZCm,是磁轴承小型化应用中的典范。随着人们对磁轴承性能的逐渐掌握,磁轴承的应用领域也逐步扩大,技术水平也不断地提高。[5]