磁悬浮径向轴承内部电磁力自动控制系统

马子奕，杜朋洁*，祝百年

（1.唐山工业职业技术学院 自动化工程系，唐山 063000；2.中车唐山机车车辆有限公司 工程研究中心，唐山 063000）

0 引言

在电生磁原理的支持下，磁悬浮技术利用磁力与重力之间的反向作用，控制物体保持悬浮的状态。从轴承的功能角度来看，径向轴承主要承受径向载荷产生的力，综合了磁悬浮作用的径向轴承与支撑结构间产生电磁互感，通过电磁力之间的作用，发挥磁悬浮支撑轴向的作用。随着磁悬浮技术适用规格不断增强，生成的电磁力数值不断增加，调和轴承的运行方式控制轴承内部电磁力成为了当下的研究重点[1]。

现阶段针对磁悬浮轴承的设计应用仍处于研究发展阶段，在多种控制算法的支持下，设计衍生了多种电磁力控制系统。控制系统通过控制轴承的转速，并综合多种控制算法调节电磁作用过程中产生的惯性磁悬浮转子。从磁悬浮径向轴承控制系统的发展阶段来看，最初控制系统以支持径向轴承运行的电路为控制对象，通过间接控制电路系数，实现对电磁力的控制[2]。经过阶段性的发展后，磁悬浮技术设计应用了模/数采集电路结构，控制系统以采集得到的各项数字运算数值，实现对电磁力的控制。经过阶段性的应用测试发现，现有的自动控制系统可控制的电磁力数值较小，由此可知，设计磁悬浮径向轴承内部电磁力自动控制系统具有发展意义。

1 自动控制系统硬件设计

1.1 设计数字控制器结构

磁悬浮径向轴承内存在前后端两个组成结构，在通电处理后，径向电磁力在轴承内部产生了两个互相垂直的激磁通道，按照通道的径向端，在轴承的前后端放置两个轴向传感器，并利用A/D采集电路结构内的信号，控制轴承外的激磁线圈为10路，并采用高速光耦分隔传感器的强电与弱电，产生一定的隔离保护作用。为保证径向轴承的控制作用，采用DSP芯片作为数字控制器的微控制器，并连接型号为TMS320F2812的信号处理器，利用处理器内的乘法累加处理过程，控制数字控制器的时钟工作频率为120MHz，在芯片内运行低频时钟，并采用片内锁相环倍频控制微控制器的运行电压为3.3V，设计形成的控制器结构如下图所示：

图1 设计数字控制器结构

在上图设计的数字控制器结构内，利用内置16通道的A/D转换器，设定12位的转换单元，实现径向轴承前后端的同步采样。设定径向轴承的转换时间为60ns，并在外部存储器内放置两个事件功能管理单元[3]，在数字I/O的输出端口上放置两个通用异步串口，并在CAN总线接口处独立配置两个独立SPI同步串口，实现控制指令的实时传输，数值控制器结构设计完毕后，组建磁悬浮径向轴承的驱动电路。

1.2 组建磁悬浮径向轴承驱动电路

根据上述径向轴承传感器的运行参数，在设计径向轴的电磁驱动电路时，参考大功率的驱动电路结构选型，控制驱动电路采用光耦隔离的方式，选用型号为TLP250的驱动芯片作为核心，保证输出侧的电压为10V，并控制驱动电路内的运行电阻为500pF，在驱动芯片后增加二级功率放大电路，形成的驱动电路结构如下图所示：

图2 设计的驱动电路结构

根据上图设计的驱动电路结构内，斩波器的主电路选用两象限的H结构，并保持开关为导通状态。维持电磁铁线圈为负载状态，控制传感器的气隙输出与径向轴承间保持固定的位移，并按照传感器的输出反映控制电磁铁线圈的电流数值。为了调和驱动电路结构内产生的瞬态脉冲分量，在输出端口VC2之间布设电流传感器，并按照控制器的时钟周期，采集测量脉动电流数值[4]。根据磁悬浮涡流响应原理，采用非接触式传感器抑制电路驱动中产生的噪声，控制驱动电路输出端的输出电压为3V，并根据给定的钳位保护，平衡驱动电路中存在的电压。控制驱动电路结构保持稳定运行后，调试驱动电路与数字控制器兼容，并研究自动控制系统的软件。

2 自动控制系统软件设计

2.1 修正电磁力响应灵敏度

在上述硬件结构的影响下，自动控制系统存在微分控制过程，在电流比例数值的影响下，存在如下的数值关系：

上述数值关系中，Gs表示微分控制函数，K0表示控制比例放大系数，Tf表示一阶低通滤波系数，S表示干扰激励参数，Ki表示反馈触发参数，Ts表示积分滤波系数。按照控制器组件电涡流式运行过程，并根据上述确定得到的放大关系，确定径向轴承产生的功放电流，数值关系可表示为：

上述数值关系中，I0表示径向轴承产生的功放电流，R表示硬件结构中的电阻参数，C表示驱动电流中的电容数值，其余参数保持原有含义不变。按照该功放电流数值，运用任意闭合形式的磁感线，积分处理功放电流，得到磁悬浮产生的磁感线路径，数值关系可表示为：

其中，τ表示闭合回路产生的磁感线路径，a表示径向轴承形成闭合路径产生的区域，J表示传导电流密度矢量，D表示电通密度参数，t表示磁通运行时间。按照高斯通定律，在响应时间与生成磁感线之间建立感应数值关系，数值关系可表示为：

其中，E表示建立的感应函数，V表示闭合磁感应产生的区域，ρ表示电荷体密度，B表示磁感应强度数值，H表示磁通量产生的有向积分。控制各自循环感性产生定量的电磁参数，对径向轴承产生的电磁力形成数值修正，利用修正后的响应电磁力灵敏度，实现系统的自动控制功能。

2.2 控制功能实现

使用上述修正后的电磁响应，引用磁场矢量，并标定径向轴承内的磁位，单位磁位产生的磁通密度数值可表示为：

上述数值关系中，Br表示径向长度电磁力数值，Bz表示径向无源区域产生的电磁力，z表示径向轴承的长度，r表示无源区域的半径，其余参数保持原有含义不变。结合轴承周期产生的谐振，运用PID控制将实际产生的径向分量处理为二类函数[5]，通过控制该二类函数中的系数，对径向轴承产生输出控制。综合上述处理，最终完成对电磁力自动控制系统的设计。

3 系统测试

3.1 搭建控制系统测试平台

选用磁轴承控制电路、电涡流位移传感器以及放大电路作为磁悬浮径向轴承的辅助运行结构。按照径向轴承开环稳定裕度数值，设置轴承内各项物理参数，物理参数如表1所示：

表1 设置径向轴承物理参数

根据上表对应的参数组成，将其作为平台搭建参数，将支持径向轴承工作的控制电路以及供电电源串联，形成的磁悬浮径向轴承硬件测试结构如图3所示：

图3 搭建形成的径向轴承测试结构

在上图搭建的径向轴承测试结构内，使用控制板的输出端连接线，串联用于测试分析的示波器，并控制示波器连接用于分析的上位机。成功调试上位机与径向轴承硬件结构后，准备基于模型修正的自动控制系统、基于电磁力反馈的自动控制系统以及设计的自动控制系统参与测试，模拟设定多种测试环境，对比三种自动控制系统的性能。

3.2 间隙干扰测试

按照上述搭建的控制系统测试平台环境，在设定间隙干扰测试环境时，选用直径为2.5mm、长度为60mm的实心铁棒，并控制该铁棒保持径向匀速运动，上位机调用传感器探头采集磁悬浮轴承内的各项数据，并运行测试准备的三项自动控制系统的控制策略，以控制系统运行前后示波器输出的波形结构作为最终的控制测试结果，测试结果如图4所示：

图4 三种控制系统输出电流波形结果

根据设定的间隙干扰条件，可观察得到三种自动控制系统的气隙的变化区间在4mm～10mm之间，由上图所示的电流波形测试结果可知，在三种自动控制系统的控制环境下，径向轴承内部均会产生振动，在经过阶段时间的气隙干扰后，径向轴承内部的电磁力趋向稳定，保持在悬浮状态，其间隙干扰条件下电流的峰值数值相差不大，大约在4mm左右。基于模型修正的自动控制系统在受到外部干扰时，电流数值在恢复平缓时，产生了一定的时延，该种自动控制系统受到的外部间隙干扰较大。基于电磁力反馈的自动控制系统在间隙数值变化时，引起的电流变化的幅值较大，该种自动控制系统的控制效果较差。而所设计的自动控制系统气隙参数产生变化后，控制得到的径向轴承流经电流较敏感，实际控制效果较佳。

3.3 电磁力控制结果

根据上述测量得到的电流数值，保持上述各项环境参数不变，固定磁悬浮径向轴承的工作气隙为0.30mm，控制径向轴承驱动电流数值由0.1A逐渐增大至10A，根据测试设定的各项参数，确定径向轴承内部电磁力数值，数值关系可表示为：

上述数值关系中，D表示计算得到的径向轴承内部电磁力数值，Ne表示轴传递的转速，ZH表示基准自感，n表示径向轴承内的匝数，Rm表示轴承材料的抗拉强度系数，F表示径向轴承的推进系数，C表示真空磁导率，MR表示膜电阻。按照上述定义的数值关系，整理上述驱动电流条件下输出的电磁力数值作为标准数值，整理上述三种自动控制系统在相同电流条件下可控制的电磁力数值，得到三种自动控制系统电磁力控制结果，数值结果如图5所示。

图5 三种控制系统电磁力控制数值结果

按照上述设定的测试环境，设定径向轴承的驱动电流区间变化，根据设定的标准电磁力数值关系，计算得到待控制的电磁力数值，调用承载运行自动控制系统的上位机，并整理输出自动控制系统的剩余的电磁力数值，以标准电磁力数值与输出的电磁力数值之差作为自动控制系统可控制的电磁力结果。由上图得到的数值差可知，基于模型修正的自动控制系统与计算得到的轴承输出电磁力数值差在46N左右，该种自动控制系统可控制的电磁力数值较小。基于电磁力反馈的控制系统与标准输出电磁力间产生的数值差为68N，该种自动控制系统实际可控制的电磁力数值较大。而设计的自动控制系统可控制的电磁力数值为80N，与两种参与测试的控制系统相比，该种自动控制系统可自主控制的电磁力数值最大。

4 结语

结合磁悬浮径向轴承的结构特点，针对其内部电磁力设计自动控制系统。通过设定间隙干扰的测试环境，可知所设计的自动控制系统受到的干扰较小，且实际控制的电磁力数值最大。在未来研究电磁力控制工作中，希望设计的自动控制系统可为其提供理论支持。