主动型磁悬浮轴承的设计与控制技术研究

磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，具有无摩擦、无磨损、无污染、低能耗、低噪声以及寿命长等优点，因而在航空航天、真空技术、精密机床、机械工业以及机器人等高科技领域具有广泛的应用前景。本文的主要任务是对磁悬浮轴承的优化设计与控制技术进行研究，主要工作如下： 首先，分析磁轴承系统的结构和工作原理，在平衡点附近建立了单自由度转子的传递函数模型，并在此基础上，建立了磁悬浮轴承径向四自由度转子的数学模型。 然后，介绍磁轴承系统关键部件的组成和设计，建立单自由度磁悬浮轴承模拟控制器系统的实验平台，并进行了实验分析研究；以数字信号处理器TMS320LF2407为核心，设计出完整的数控磁轴承软硬件系统，包括变参数PID控制器的设计和仿真研究，并完成了单自由度数控磁轴承系统的实验调试，实现了转子的稳定悬浮：针对数字控制系统的精度问题探讨了改善措施。 其次，为进一步增强主动磁轴承系统的鲁棒性和稳定性，改善系统的控制品质，本文提出了有效可行的滑模变结构控制方案，并进行了仿真实验。另外与常规PID控制器、变参数PID控制器的仿真结果进行了分析比较，研究发现滑模变结构控制器以其独特的控制方法应用在磁轴承系统中具有良好的动态品质和强鲁棒性。本文所研制的数控磁悬浮轴承系统具有结构简单、性能稳定、噪音小、可扩展性强、实时调试方便等特点，并实现了单自由度磁轴承的稳定悬浮，稳态位移误差小于2.2μm。