磁懸浮軸承(磁軸承)與傳統(tǒng)機械軸承不同，其不存在機械接觸，是利用永磁體或通電線圈實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮的一種新型高性能無接觸支承軸承。對影響磁軸承系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題—結(jié)構(gòu)和懸浮力建模方法進行較為全面的概述，針對未來磁軸承系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題及相關(guān)措施進行介紹。
01磁軸承研究現(xiàn)狀
1842年，“物體能在可以提供磁場力的永磁體的作用下實現(xiàn)六個自由度的穩(wěn)定懸浮狀態(tài)”，這一設(shè)想曾經(jīng)被文獻[1]證明其具有不可能性，因此磁懸浮技術(shù)的設(shè)想一直沒得到發(fā)展。20世紀(jì)60年代中期，磁懸浮技術(shù)的發(fā)展有所突破并同時開展了2個方向的研究：磁懸浮列車和磁懸浮軸承。開展磁懸浮列車的研究工作主要集中在德國、英國、日本。磁軸承的快速發(fā)展最早起源于太空中對軸承的特殊要求，因此在一些空間慣性輪、衛(wèi)星導(dǎo)向輪、宇宙飛船動量或能量存儲飛輪等指航天器中磁軸承得到了廣泛應(yīng)用。隨著磁懸浮軸承的應(yīng)用日趨成熟，一些適合工業(yè)場合應(yīng)用的低能耗、低成本的高性能磁軸承及相應(yīng)的控制器逐漸出現(xiàn)。
02磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)
磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)是影響磁軸承系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵問題，按照磁懸浮軸承系統(tǒng)有無傳感器和磁力提供方式對磁懸浮軸承進行分類介紹。
表1 磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的類型
03未來研究趨勢
隨著相關(guān)技術(shù)的提高，實際應(yīng)用對磁軸承系統(tǒng)的性能已提出了越來越高的要求，在已經(jīng)形成大量磁軸承產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，未來磁軸承系統(tǒng)的研究趨勢如下。
3.1 低功耗磁軸承及其控制策略研究
功耗的增加會使軸承線圈發(fā)熱，引起轉(zhuǎn)子的熱膨脹和傳感器溫漂，影響轉(zhuǎn)子的控制精度。為進一步提高磁軸承產(chǎn)品的質(zhì)量，延長磁軸承產(chǎn)品的壽命，實際應(yīng)用時對磁軸承系統(tǒng)的功耗提出了更高的要求。
1) 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)磁軸承：設(shè)計新型低功耗磁軸承，其拓?fù)湫问降倪x擇與應(yīng)用場合密切相關(guān)，對應(yīng)用需求進行分析，選擇并設(shè)計出適合于某場合的功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的低功耗磁軸承結(jié)構(gòu)應(yīng)是未來主要的研究內(nèi)容。
對于同極磁軸承，可以設(shè)計將其定子槽閉合，減少偏置磁通在磁極間的變化，降低轉(zhuǎn)子鐵心中的鐵損，降低整個磁軸承的損耗，但控制繞組的嵌線相對困難，需采用穿線方式?？蓪⑺拇艠O變換為三磁極，利用三相逆變器作為開關(guān)功放，但自由度之間磁路要耦合，并且同等承載力的情況下，三磁極磁軸承的軸向長度要長。對于異極磁軸承，其優(yōu)點是漏磁較小，軸向長度相比于同極性磁軸承相對較短，有助于轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的提高?？梢酝ㄟ^將永磁體間隔加裝在定子磁極或定子磁軛上，制成異極性磁軸承，但需考慮永磁磁極的被動控制。因此可以設(shè)計盤形、球形，甚至不規(guī)則型磁軸承，滿足不同應(yīng)用場合的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2) 降低偏置電流：對于混合磁軸承來說，最常用的降低功耗的方法是降低其偏置電流。例如通過引入非線性控制算法(如設(shè)計TSK模糊控制器、變偏置電流控制器、雙曲線型偏置控制器、PWM調(diào)制的PID控制器)智能地改變偏置電流，形成基于開關(guān)控制策略的智能偏置控制器。
3) 零功率控制策略：使轉(zhuǎn)子在懸浮時電磁線圈中的電流近似為零，當(dāng)受到允許范圍內(nèi)的靜態(tài)力時，通過適當(dāng)調(diào)整懸浮氣隙，始終保持線圈中電流在零附近小幅振動。例如將電流積分項視為外環(huán)獨立控制，其電流反饋采用最速電流環(huán)，使線圈電流能快速跟蹤控制電壓變化，減少電感滯后作用。根據(jù)不同負(fù)載對應(yīng)的最優(yōu)控制參數(shù)及其實現(xiàn)零功率懸浮時對應(yīng)的間隙，設(shè)計變負(fù)載質(zhì)量條件下PD環(huán)參數(shù)的自適應(yīng)機制。
3.2 高速轉(zhuǎn)子的抑制振動研究
雖然理論上磁軸承轉(zhuǎn)子可以實現(xiàn)繞慣性軸轉(zhuǎn)動，但是受限于加工精度和材料不均等因素，不可避免地存在轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、傳感器噪聲等因素，會造成轉(zhuǎn)子慣性矢量產(chǎn)生誤差，產(chǎn)生擾動力和力矩。尤其磁軸承轉(zhuǎn)子允許的工作轉(zhuǎn)速己遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通軸承的工作轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生較明顯的陀螺效應(yīng)和振動干擾，這是高轉(zhuǎn)速磁軸承系統(tǒng)控制面臨的另一主要挑戰(zhàn)。此外，轉(zhuǎn)子在高速下工作將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的柔性化，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)多個臨界區(qū)，一般情況下將磁軸承-轉(zhuǎn)子當(dāng)作剛性轉(zhuǎn)子的分析將產(chǎn)生較大的誤差，上述這些問題將使控制器的設(shè)計更加困難。
1) 限波器：可針對磁懸浮轉(zhuǎn)子位移傳感器諧波噪聲引起的多頻擾動問題，根據(jù)多頻擾動特性，構(gòu)造分級的自適應(yīng)相移陷波器，每級陷波器對應(yīng)一個陷波頻率，再將陷波器級聯(lián)，分別設(shè)置相角補償矩陣解決閉環(huán)控制回路在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定性問題。
2) 解耦控制：可采取解耦振動控制的方法以減弱轉(zhuǎn)子不平衡振動。通過建模分析，把轉(zhuǎn)子的徑向不平衡振動分解為2個互相正交方向的獨立振動，各方向的振動均表現(xiàn)為與轉(zhuǎn)速同頻的單頻率振動（簡諧振動）。因此，可設(shè)計單自由度振動自適應(yīng)控制方法，在已知頻率前提下，對單頻率簡諧振動實現(xiàn)有效抑制。并且在振動變化時，能夠?qū)φ駝拥姆岛拖辔粚崿F(xiàn)自適應(yīng)跟蹤。
3) μ控制器：將μ控制器應(yīng)用到磁軸承柔性轉(zhuǎn)子控制上，可使磁軸承系統(tǒng)獲得更高的剛度。
4) 建立柔性轉(zhuǎn)子模型：可通過有限元法計算轉(zhuǎn)子的頻率響應(yīng)，得到磁軸承系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的修正模型，然后將陀螺效應(yīng)的五自由度磁軸承柔性轉(zhuǎn)子簡化為4個剛性模態(tài)和6個柔性模態(tài)組成的系統(tǒng)，為設(shè)計控制器建立精確的柔性轉(zhuǎn)子模型。
5) 反饋控制策略: 可針對不同磁懸浮轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，設(shè)計増益預(yù)調(diào)的反饋控制策略，基于所創(chuàng)建的與線性控制相對應(yīng)的反饋通道增益及帶寬參數(shù)表。
3.3 高性能控制器設(shè)計
隨著控制技術(shù)的發(fā)展，幾乎所有經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論中的控制方法都可以應(yīng)用于磁軸承系統(tǒng)的控制中。
1) 單一型高性能控制器：PID控制器、H∞控制器、LQG控制器、μ控制器、滑?？刂破?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊控制器、解耦控制器等。未來單一型高性能控制器仍是實際應(yīng)用中最實用且常用的控制器。
2) 復(fù)合型高性能控制器：近些年多種單一型控制器組合而成的復(fù)合型高性能控制器取得了廣泛關(guān)注，也是未來控制器發(fā)展的必然趨勢，可以同時發(fā)揮多種單一型控制器的優(yōu)點，克服各控制器的缺點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補的高性能控制器。例如粗集模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，無模型自適應(yīng)控制器，TS-PID模糊控制器，基于各種改進遺傳算法的PID控制器等，或開發(fā)出更多新型復(fù)合型控制器。
3.4 無傳感器磁軸承系統(tǒng)的研制
目前主流的無傳感器磁軸承系統(tǒng)自檢測方法有：高頻信號注入法、凸極追蹤、占空比補償、狀態(tài)觀測、卡爾曼濾波器等多種方法。其中高頻信號注入、凸極追蹤和占空比補償法需要附加電路和特殊信號處理技術(shù)才能實現(xiàn)位移的估計。而狀態(tài)觀測、卡爾曼濾波等方法依賴精確模型，且對控制器要求非常高。由于磁軸承易受外界干擾，具有非線性和參數(shù)不確定性，這些方法的實際應(yīng)用效果并不理想，存在魯棒性差、動態(tài)性能和信噪比低等問題。為此，有學(xué)者提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)位移自檢測，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還存在依賴樣本數(shù)據(jù)、易陷入局部極值等缺陷。而支持向量機方法具有不依賴對象模型，結(jié)構(gòu)簡單，泛化能力強等優(yōu)點，非常適合解決小樣本、非線性及高維函數(shù)擬合問題，在磁軸承位移預(yù)測建模與轉(zhuǎn)子位置估計中具有廣泛的應(yīng)用前景，且具有較高的預(yù)測精度。
雖然無傳感器磁軸承的種類繁多，但目前沒有形成統(tǒng)一的參數(shù)設(shè)計方法、建模方法及控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范的規(guī)律可循。未來研究重點應(yīng)集中在針對無傳感器磁軸承進行統(tǒng)一分類、且應(yīng)逐步形成比較規(guī)范的通用參數(shù)設(shè)計、建模方法及控制平臺的搭建規(guī)律。成熟統(tǒng)一的無傳感器磁軸承產(chǎn)品若實現(xiàn)量產(chǎn)，可以更好地實現(xiàn)低能耗、低成本的磁軸承的社會需求。原因如下：
● 傳感器的消失可使轉(zhuǎn)子的徑軸向尺寸變小，尤其軸向尺寸上的精簡可大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；
● 磁軸承系統(tǒng)的成本很大部分取決于傳感器，且其受環(huán)境影響極強、極易發(fā)生零點漂移及機械故障，無傳感器磁軸承的開發(fā)與應(yīng)用可大大提高磁軸承系統(tǒng)的可靠性，降低整體系統(tǒng)成本；
● 有傳感器磁軸承系統(tǒng)中采集轉(zhuǎn)子位移信號時，需要解決由于安裝位置導(dǎo)致的耦合性問題。尤其對于徑向?qū)ΨQ安裝的磁軸承來說，為了增加測量的精確性，增加了傳感器的個數(shù)且增加了成本。而對于非對稱安裝的傳感器來說，由于非對稱安裝導(dǎo)致位移采集算法上需要精確解耦，增加了控制器設(shè)計的難度，而無傳感器磁軸承恰無此類問題。綜上所述，研究在無傳感器下的磁軸承的參數(shù)設(shè)計、數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)設(shè)計及控制系統(tǒng)平臺的搭建是需要進一步解決的問題。
高速、高精、低能耗、低成本對磁軸承系統(tǒng)是需要迫切解決的關(guān)鍵問題，未來對磁軸承系統(tǒng)的發(fā)展要求仍是確保磁軸承系統(tǒng)的精度、速度更高，且功耗和成本更低。
