[发明专利]一种永磁偏置混合磁轴承电流刚度和位移刚度确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁偏置混合磁轴承电流刚度和位移刚度确定方法，可以用于磁悬浮转子控制系统的分析与设计。

背景技术

磁轴承是继滑动轴承、滚动轴承和静压轴承之后发展起来的一种理想的新型轴承，具有无接触、无磨损、高速等优点。磁轴承按照磁力提供方式，可分为永磁磁轴承、主动磁轴承和永磁偏置混合磁轴承。永磁磁轴承的主要缺点是刚度低、不可控，主动磁轴承的主要缺点是体积、功耗大，而永磁偏置混合磁轴承利用永磁体取代主动磁轴承中由励磁电流产生的静态偏置磁场，具有降低功率放大器的损耗，减少电磁铁的安匝数，缩小磁轴承的体积和重量，提高轴承承载能力等优点，应用领域日益广泛，如航天器姿态控制执行机构、高速机床、汽轮发动机、空气压缩机等领域。

由于永磁偏置混合磁轴承系统本质是一个开环不稳定系统，所以需要设计闭环控制器对系统进行调节。控制器设计过程中一个重要的环节就是需要确定系统模型。为了确保系统稳定运行，必然要考虑轴承的力一电流特性和力一位移特性，以便对其承载能力的动态性能进行预测，进而使控制器能精确地反馈信号，维持磁轴承系统的正常工作。

在永磁偏置混合磁轴承控制系统的设计计算中，线性控制理论是一种成熟的设计方法，目前常用的线性化方法是在磁悬浮转子的平衡点附近对系统的力学方程进行线性简化，从而进行控制系统设计。其中，电流刚度和位移刚度是线性模型中的两个参数，也是永磁偏置混合磁轴承控制过程中的两个重要参数。因此电流刚度和位移刚度的参数准确性直接影响到所设计的控制器的性能。

目前有关电流刚度和位移刚度的确定方法主要有两类，一是理论计算法，如在中国专利“ZL200710120705.7”公开的“一种基于涡流效应的磁轴承动态电流刚度确定方法”，这种方法通过利用磁轴承设计参数对电流刚度和位移刚度进行计算，并考虑了涡流效应的影响，但忽视了磁轴承之间磁路耦合、漏磁等影响，不能反映磁轴承控制系统正常工作时的系统特性；二是试验法，通过在磁轴承内安装测力传感器，改变电流大小和转子的在间隙中的位置，测量电磁力的大小，获得电流刚度和位移刚度参数值，这种方法虽然具有物理意义简单明确、精度较高等优点，但受限于机械尺寸大小、安装困难等因素的影响，无法在现有的磁轴承中安装。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有磁轴承电流刚度和位移刚度确定方法的不足，提出一种面向控制的永磁偏置混合磁轴承电流刚度和位移刚度确定方法，可简便、有效地用于控制系统的分析与设计。

本发明的技术解决方案是：一种永磁偏置混合磁轴承电流刚度和位移刚度确定方法，包括以下步骤：

(1)建立磁悬浮转子的简谐运动动力学方程，进行相似变换，得到简化的简谐运动动力学方程；

(2)进行拉普拉斯变化，得到磁悬浮转子简谐运动的振荡频率的平方项与控制器比例增益的关系表达式；

(3)进行悬浮实验，采用比例微分控制，单自由度稳定悬浮磁悬浮转子，逐渐减少控制器的微分系数，直至磁悬浮转子出现持续、稳定的振荡，记录控制器比例增益和简谐运动振荡频率；

(4)改变控制器比例增益，重复步骤(3)，测量多组数据，通过拟合，得到以控制器比例增益为自变量，振荡频率的平方项为因变量的一元线性回归方程为，根据步骤(2)中磁悬浮转子简谐运动的振荡频率的平方项与控制器比例增益的关系表达式，得到永磁偏置混合磁轴承的位移刚度和电流刚度。

本发明的原理是：首先建立磁悬浮转子的简谐运动动力学方程：