永磁偏置磁轴承的H∞混合灵敏度控制研究

姜浩 窦珂

摘 要：阐述了径向四自由度永磁偏置磁轴承的系统结构及工作原理，采用機理建模法建立了控制系统的数学模型并进行简要分析。应用H_∞混合灵敏度控制方法和MATLAB鲁棒控制工具箱设计了永磁偏置磁轴承控制器，并在MATLAB/Simulink平台下对控制系统性能进行了仿真，仿真结果表明：H_∞混合灵敏度控制系统的鲁棒稳定性及抗干扰能力均达到预期指标。

关键词：永磁偏置磁轴承;H_∞混合灵敏度控制

TheH_∞ mixed-sensitivity Control of Permanent Magnetic biased Magnetic Bearings

JIANG Hao，DOU Ke

（NO. 710 R&D Institute CSIC， Yichang 443003， China）

Abstract： The structure and principle of the four-DOF radial Permanent Magnet biased Magnetic Bearings is described.The mathematic model of the control system is established by the physical theory. the control system is designed by TheH_∞ mixed-sensitivity control approach and the MATLAB Robust Control Toolbox， and under the MATLAB/Simulink platform， the performance of the designed controller is simulated， the simulation results show that the prospective robust stability and disturbance suppression performance of theH_∞mixed-sensitivity control system are both reached.

Key words： Permanent Magnets Biased Magnetic Bearings;H_∞mixed-sensitivity Control

0   引言

磁轴承（又称磁力轴承、磁悬浮轴承）是一种能进行主动控制的机电一体化轴承。其基本原理是利用磁场力将转轴悬浮在磁场中，使转轴在空间无机械接触、无磨损的旋转。与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的旋转速度.具有无磨损、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，具有广泛的应用前景^{[1] [2]}。

永磁偏置磁轴承是一种混合磁路型磁轴承，利用永磁材料替代主动磁悬浮轴承中的偏置电流产生静态偏置磁场，具有耗能低、线圈匝数少等特点，具有一定的研究和应用价值。近年来，随着高磁能积稀土永磁材料的发展和成熟，对永磁偏置磁轴承的研究逐渐成为国内外磁轴承领域的研究热点之一^[3]。

控制系统是磁轴承系统的核心，不但决定能否实现系统的稳定而且决定系统的刚度和阻尼，影响系统的动态特性和鲁棒性^[2]。考虑到永磁偏置磁轴承系统被控对象存在以下特点：1）控制电流和转子位移的强烈非线性;2）各自由度之间存在较强的惯性耦合和陀螺效应;3）转子密度不均引起的干扰力及较大负载力变化，因而在永磁偏置磁轴承的控制系统设计中鲁棒稳定性问题和抗干扰问题异常突出。……