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)的設想一直沒得到發(fā)展。20世紀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用。隨著磁懸浮軸承的應用日趨成熟，一些適合工業(yè)場合應用的低能耗、低成本的高性能磁軸承及相應的控制器逐漸出現(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，實際應用時對磁軸承系統(tǒng)的功耗提出了更高的要求。
1) 新型拓撲結(jié)構(gòu)磁軸承：設計新型低功耗磁軸承，其拓撲形式的選擇與應用場合密切相關(guān)，對應用需求進行分析，選擇并設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)應是未來主要的研究內(nèi)容。
對于同極磁軸承，可以設計將其定子槽閉合，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。可將四磁極變換為三磁極，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。可以通過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。因此可以設計盤形、球形，甚至不規(guī)則型磁軸承，滿足不同應用場合的新型拓撲結(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，當受到允許范圍內(nèi)的靜態(tài)力時，通過適當調(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)不同負載對應的最優(yōu)控制參數(shù)及其實現(xiàn)零功率懸浮時對應的間隙，設計變負載質(zhì)量條件下PD環(huán)參數(shù)的自適應機制。
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)速己遠遠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)造分級的自適應相移陷波器，每級陷波器對應一個陷波頻率，再將陷波器級聯(lián)，分別設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，可設計單自由度振動自適應控制方法，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)自適應跟蹤。
3) μ控制器：將μ控制器應用到磁軸承柔性轉(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，得到磁軸承系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的修正模型，然后將陀螺效應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，設計増益預調(diào)的反饋控制策略，基于所創(chuàng)建的與線性控制相對應的反饋通道增益及帶寬參數(shù)表。
3.3 高性能控制器設計
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?？刂破鳌⑸窠?jīng)網(wǎng)絡控制器、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用中最實用且常用的控制器。
2) 復合型高性能控制器：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)絡控制，無模型自適應控制器，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，有學者提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)位移自檢測，但神經(jīng)網(wǎng)絡還存在依賴樣本數(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，在磁軸承位移預測建模與轉(zhuǎn)子位置估計中具有廣泛的應用前景，且具有較高的預測精度。
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)設計方法、建模方法及控制系統(tǒng)設計規(guī)范的規(guī)律可循。未來研究重點應集中在針對無傳感器磁軸承進行統(tǒng)一分類、且應逐步形成比較規(guī)范的通用參數(shù)設計、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，由于非對稱安裝導致位移采集算法上需要精確解耦，增加了控制器設計的難度，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)設計、數(shù)學模型、控制系統(tǒng)設計及控制系統(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。
