主动型磁悬浮轴承系统模拟控制器的设计【开题报告】

开题报告

电气工程及其自动化

主动型磁悬浮轴承系统模拟控制器的设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

1、选题的背景与意义：

自18世纪末，人们就对磁悬浮技术有所了解。1842年英国剑桥大学的恩休（Earnshaw）就提出了磁悬浮的概念，并证明了铁磁体不可能仅由另一个永久磁铁而在六个自由度上都保持自由稳定的悬浮，必须至少有一个自由度被机械或其他约束所消除。自此人们就对磁悬浮有了一个了解，在历经近200年的发展磁悬浮在现代的生产生活中有着广泛的应用。在机械电子领域的发展更是突破性的，1937年久游人提出的磁悬浮轴承的相关概念，这就是我们现在的磁悬浮列车的前生。在机械工业领域也有着广泛的应用，SKF公司的磁轴承的控制器所用控制规律为自适应控制，其产品适用的范围：承载力50～2500N、转速1,800～100,000r/min，工作温度低于220℃。NASA是美国航天局，他们开展磁悬浮研究已有几十年，主要用于航天上，研究领域包括火箭发动机和磁悬浮轨道推进系统（2002年9月已完成在磁悬浮轨道上加2g加速度下可使火箭的初始发射速度达到643～965km/h）。在国内，有根据两个点电荷之间作用力关系，以径向磁化径向磁轴承为例，建立了径向磁轴承的数值积分模型；结合等效磁荷法，根据两个点电荷之间作用力关系，以轴向磁化径向磁轴承为例，建立了径向磁轴承的数值积分模型；用有限元法进行了永磁轴承的转子-磁体在高速运转状态下的应力和变形分析，求得其极限转速（60000r/min），为永磁轴承系统设计提供了有价值的设计依据。轴向磁化类型的径向永磁轴承结构，设计该类型永磁轴承支承转子系统，并以此为中心进行了相关的理论公式推导、仿真分析研究和实验验证，最后进行了初步的永磁悬浮轴承-转子系统动力学特性分析等研究。

为了提高电主轴的转速，人们对机械轴承及其润滑问题进行了大量的研究：角度接触的铁质轴承、陶瓷滚珠轴承、脂润滑、油雾润滑等。迄今为止，高速电主轴中机械轴承的寿命问题仍然是个难题。为了使电主轴在高转速下延长寿命，开展了气浮轴承电主轴、静压轴承电主轴和磁悬浮轴承电主轴方面的研究，其中磁悬浮轴承电主轴由于具有高转速、长寿命等突出优点引起科技工作者的关注。随着控制技术、材料科学、电力电子技术等的飞速发展，为研究和实际应用磁悬浮轴承技术提供了可行的条件，使得磁悬浮轴承电主轴成为当今高科技研究方向之一。

2、研究的基本内容

研究的基本内容：

1、对于主动型磁悬浮轴承的分类发展前景的分析，在论文中提出普遍的单自由度磁轴承的分

析研究同时还分析了四自由度等多自由度的系统。

2、对控制器的研究设计，设计出磁悬浮轴承系统模拟控制器的硬件电路并绘制出电路原理图，

将模拟控制器应用到单自由度磁悬浮实验平台，并进行实验调试，实验分析。

3、建立单自由度磁悬浮轴承模拟控制器系统的实验平台，并进行实验分析研究，完成单自由度

数控磁轴承系统的实验调试，实现转子的稳定悬浮。

3、研究的方法与技术路线：

研究方法：

通过查阅资料了解相关方面的探测产品设计方法，进行比较研究，选择合适的方案。通过模拟实验，实现控制器对设计产品的控制，从而达到对设计的目的。

技术路线：

4、研究步骤、方法及措施

1.分析磁悬浮轴承的结构和工作原理；

2.以单自由度轴承系统为研究对象，研究其工作原理，并建立单自由度磁悬浮轴承系统的数学模

型；

3.设计磁悬浮轴承系统的各组成部件；

4.设计出模拟控制器的硬件电路，将设计出的模拟控制器应用到磁悬浮轴承系统中并进行实验分

析研究。

四、参考文献

[1] 施韦策G,布鲁勒H ,特拉克斯勒A.主动磁轴承基础、性能及应用[M].虞烈,袁崇军译.新时代出版

社.

[2] 虞烈.可控磁悬浮转子系统[M].北京：科学出版社,2003.

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[7] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京：高等教育出版社.

[8] 崔玮.Protel 99 SE电路原理图与电路板设计教程[M] . 北京：海洋出版社.