第 ２５卷 第 ６期
２００４年 １２月
河 南 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｒｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖ０１．２５ Ｎｏ．６
Ｄｅｃ． ２Ｏｏ４
文章编号 ：１６７２—６８７１（２００４）０６—００２０—０４
主动磁 悬浮轴 承控 制 系统设计
李 杰 ，刘 文 胜
（河南 科 技大 学 电子 信息 工 程学 院 ，河南 洛 阳 ４７１００３）
摘 要 ：介 绍 了 主动磁 悬 浮轴 承 系统 的组 成 和基 本原 理 。在建 立 单 自由度 主动 磁悬 浮轴 承 系统 数学 模 型的基 础
上 ，分 析 了 目前 应 用 的 ＰＩＤ控 制器 的不足 ，并提 出 了一种 改 进型 ＰＩＤ控 制器 。仿 真结果 表 明 ，这 种 控 制 器 比 目
前应 用 的 ＰＩＤ控制 器有 更 优 良的动 态性 能 。
关键 词 ：磁 悬 浮轴 承 ；ＰＩＤ控 制 器 ；计算 机 化仿 真
中图分 类号 ：ＴＰ２７３ 文献 标识 码 ：Ａ
０ 前 言
主动磁 悬浮轴承 ＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｔｉｎｇ）是一复杂 的机 电耦合 系统 ，是通过定 子线圈产生 磁场
力使轴悬 浮起来且轴 心线位置 由控制 系统控制 的机 电一 体化新型轴承 。由于其具有无摩 擦 、转 速高 、不
需要 润滑和密封 、无环境 污染 、寿命 长等优点 ，而被广泛应 用 于航 天 、半导 体工业 、核 工业 、化工 等领 域。
高速 ＡＭＢ系统是多变量 、强耦 合和非线性 的系统 ，所 以对其 控制 器设 计要求很 高 。传 统磁 悬浮 轴承 系
统解耦 后 的单 自由 度 控 制 采 用 ＰＤ或 ＰＩＤ控 制 器［１．２］，但 存 在 对 扰 动 特 别 敏 感 和 超 调 量 较 大 的缺
点 ３＿６ｌ。本文在建立 主动磁悬浮轴承径 向单 自由度数 学模 型 的基 础上 ，针对 目前 应用 的 ＰＩＤ控 制器 的
不足 ，给出一 种 改进 型 的 ＰＩＤ控制 器 ，并对这 种 ＰＩＤ控制下 的单 自由度磁 悬浮 轴承 系统进 行 了仿 真 分
析 。
１ 磁 悬 浮 轴 承 系统 的 组成 及 工 作 原理
主动磁悬 浮轴承 系统 主要 由电磁铁 、转子 、转子位置传 感器 、控制 器 、Ａ／Ｄ转换 器 、Ｄ／Ａ转换 器和 功
率放大器组成 ，如图 １所 示 。
系统 中的转 子有 六 个 自由度 ，除 了绕 中心 轴 电磁铁
的旋转 自由度 由 电机 定 子磁 场控 制外 ，其余 五 个
自由度都要 由磁 轴承来 控制。各个 自由度 的控 制
电路在结构 上 基 本 相 同 ，分 析 时 常 以 单 自由度 磁
悬浮 系统 作 为 对 象 。
控制 原理 ：当转子 中心发生偏 移时 ，由传感 器
检测转子 轴心位 置 的偏 差 信号 ，并 通过 反馈 与 参
考信号 比较 ，控 制器根据偏差 信号进 行 调节 ，经适
当的增 益 和相 位调 节 后送 入功 率放 大 电路 ，最 终 图１ 磁悬浮轴承控制系统结构图
输 出 一个 控 制 电流 调 节 电磁 铁 的磁 场 力 ，使转子 回 到 中心 位 置 。
２ 数 学模 型
本 文以径 向单 自由度磁悬浮轴 承系统为研究对 象 ，其 电磁铁 的激磁 电流包 括偏 置 电流和控 制电流。
基金 项 目 ：河南 省教 育 厅 自然科学 基金 资助项 目（２００１４７００００５）
作者 简介 ：李 杰 （１９７３一），男 ，河南 洛阳人 ，硕 士生 ；刘文 胜（１９４５一），男 ，内蒙 凉城 人 ，教授 ，主要 研 究 方 向为 变频 技 术 和运 动 控 制
系统 ．
收 稿 日期 ：２００４—０４—２８
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