文 献 综 述

一、 磁悬浮轴承简介

磁悬浮轴承系统，也称为”磁轴承”、”电磁轴承”或”磁力轴承”等，它是一种利用电磁力将转子稳定悬浮起来，且轴心位置可以用控制系统控制的新型轴承，是集机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机科学于一体的最具代表性的机电一体化产品，被称为是高技术的结晶。目前，在工业上广泛应用的磁悬浮轴承有3种：被动磁悬浮轴承(PMB)，主动磁悬浮轴承(AMB)和混合磁悬浮轴（HMB）。磁悬浮轴承是一种利用可控电磁力使轴稳定悬浮起来的高性能新型轴承，与传统轴承相比，具有无机械摩擦、无需润滑、转速高、无污染、功耗低和寿命长等优点，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、机器人等领域有着广泛的应用前景[1]。

二、 磁悬浮轴承系统的结构和工作原理

磁悬浮轴承系统其结构和工作原理如下：永久磁铁提供偏置磁场使磁悬浮轴承转子在静磁场吸力作用下处于悬浮的平衡位置（中间位置），这个位置也称为参考位置；而线圈绕组则在控制系统的作用下提供控制磁场使转子始终处于稳定的平衡状态．当转子偏离其参考位置时，传感器检测出转子偏离参考位置的位移，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将该控制信号变换成控制电流，该电流流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通；由结构的对称性可知该磁通可以在气隙增加处与永磁磁通叠加，同时在气隙减小处与永磁磁通叠减，由此使得转子重新返回到原来的平衡位置[1]．

三．磁悬浮轴承系统的研究背景及意义

磁悬浮技术是一种典型的机电一体化技术，它将机械设计、转子动力学、控制理论、电力电子、电磁学、测试技术、计算机技术及数字信号处理技术等多项学科的知识完美的结合在一起，形成了典型的机电一体化的高科技产品。随着现代科学技术如传感器、控制技术（尤其是数字控制技术）、低温和高温超导技术的发展，磁悬浮技术迅速崛起，并引起世界各国投入大量的人力和物力进行研究和开发。主动磁悬浮轴承，具备了无磨损、无需润滑、精度高、功耗只占普通轴承的10%，阻尼、刚度可调可控，便于智能控制等许多不可替代的突出优点。由于磁悬浮轴承系统是复杂的机电一体化系统，所以对其进行精确的分析研究是一项困难的工作，而利用虚拟样机技术对磁悬浮轴承系统进行仿真是一种获得其有关特征的简便、有效的手段。在制造物理样机之前，就可以在虚拟环境中模拟现实中的测试过程，能够及早的发现设计缺陷，实现优化设计，在实现创新的同时，降低了开发成本，缩短了开发周期，不仅节省了时间和金钱，还可以大幅度的提高设计质量。

四．磁悬浮轴承系统的研究现状与趋势

利用磁力使物体处于无接触悬浮状态(即磁悬浮)的设想由来已久，人们为了实现这种设想，经历了百余年的探索。国内外对磁悬浮轴承的研究主要集中在如下几个方面：(1)新材料的研制。磁性材料对磁力轴承性能产生很大的影响，磁力轴承的转速度不仅受磁性材料的强度限制，、而且还与电磁力大小和磁性材料的导磁率有关。此外，磁力轴承的功耗也受到磁性材料涡流损耗的影响。因此，新材料的研制已经成为磁力轴承技术突破这些限制的重要途径之一。(2)系统建模。在磁力轴承转子系统建模时，不再是基于悬浮物体的解耦控制，而是更多的考虑了整个系统各种状态之间的耦合效应。 (3)转子动力学分析。由于转子动力学受到控制系统参数的影响，因此，在理论分析时，磁力轴承的研究更为重视转子动力学分析，从而能够进一步改善控制方法．近年来的磁力轴承的研究考虑了非线性的影响，用非线性理论对磁力轴承认转子系统的平衡点和周期解，以及稳定性进行判别。(4)磁场分析。磁力轴承是利用电磁力工作的，轴承中电磁场的强度及分布都是人们所关注的。目前，对电磁场的分析主要采用有限元法。它们要分析磁力轴承中的磁场分布，磁场强度与控制电流的静动态关系，以及磁力轴承中由于涡电流带来的损耗和发热情况。(5)控制系统方面。控制系统设计是磁力轴承技术的核心，它的好坏直接影响到整个系统的性能。(6)控制理论。理论研究涉及到经典控制和现代控制理论。(7)工业应用。目前磁悬浮轴承不仅限于理论分析，磁力轴承的工业应用也越来越受到重视。

五．磁悬浮轴承系统控制研究中常用的方法及其优缺点比较

控制研究中涉及到两个方面：一是控制系统设计，它是磁力轴承技术的核心，它的好坏直接影响到整个系统的性能。在主动磁力轴承系统中，控制方式主要有模拟控制和数字

控制两种。由于具有硬件集成度高，参数修改方便，控制性能好等优点，数字控制在正常情况下逐步替代传统的模拟控制器，而成为当代磁力轴承的发展主流。目前应用最普遍的是数字信号处理器(DSP)，它的高速运算能力能够为磁力轴承的控制提供足够高的精度[12]；二是控制理论研究。理论研究涉及到经典控制和现代控制理论。目前研究的

热点主要集中在新型PID，模糊控制，自适应控制，迭代学习控制，TDC(时延控制)SMC(滑模控制)，综合及各种方法的综合应用等。PID控制应用比较普遍，传统的PID控制结构简单，易于实现，其稳定性好，但也存在很多缺点，如当被控的非先行对象模型参数发生变化或存在不确定因素时，其控制效果将会变得很差甚至不再稳定．针对非线性主动磁力轴承系统的控制方法主要有自适应控制，模糊控制及滑模控制。第六届磁力轴承国际会议中还出现了基因算法与神经网络在磁力轴承应用的论文，如多目标基因算法在线性化调整PID控制器，基因算法在线性调节AMB控制器，以及单神经元PID参数自校正控制[8]。

六．磁悬浮轴承系统控制未来研究展望

从磁悬浮轴承的原理、特点及组成部分不难看出, 它已经不是传统意义上的单个零件, 而是一个复杂的高科技机电一体化产物。磁悬浮轴承特有的优点使之在现代化新能源领域、机床领域、航空航天、在动力领域(如离心压缩机、分子涡流泵、汽轮发动机等大型设备上) 也有广泛的应用。可以预见, 磁悬浮轴承在近几年将会成为世界各国研究的热点, 也将会越来越广泛地被应用于现代化的高科技领域[1]。

参考文献

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3.曹建荣,虞烈,谢友柏.主动磁悬浮推力轴承的状态反馈线性化控制[J].西安交通大学学报,2000,34(10):67-71.

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5.刘雪冬，刘泉，胡业发．磁悬浮轴承转子位置无传感器自动检测的研究武汉理工大学学报，2003，25(1)：62--64．

6.张志涌，徐彦琴．MATLAB教程一基于6．x版本．北京：航空航天大学出版社'200I

7． 贾起民. 电磁学. 北京：高等教育出版社，2001

8. 满红, 梁迎春, 冀勇, 孙淑娟等.自动控制原理. 北京：清华大学出版社，2011

9． 赵光宙.现代控制理论. 北京：机械工业出版社，2010

10．薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用. 北京：清华大学出版社,2003

11． 李国勇. 基于MATLAB的控制系统. 北京：电子工业出版社，2012

12． 郭永环, 范希营. 磁悬浮轴承控制系统研究[J]. 煤矿机械，2006, 27(8): 119-121

13． 秦红玲, 李志雄，袁松. 磁悬浮轴承系统的模糊滑模变结构控制研究[J]. 计算仿真, 2011, 28(4): 185-189

14.杨静,何钦象等，主动型磁浮轴承的非线性模糊控制，机械科学与技术,2000.03

19卷（2期）：244-245

15.章卫国，杨向忠，模糊控制理论及应用，西安，西北工业大学出版社，1999