图一:磁悬浮轴承
虽然相比传统机械轴承来说,磁悬浮轴承具有诸多优势,但它也存在一些工程实际问题。例如,它的固有特性在本质上存在较强的非线性,难以实现有效的控制。由于磁悬浮轴承是由“多组电磁线圈+动态平衡控制”构成的复杂的磁机电复合控制系统,其良好的动态性能是以“控制”为基础的。
为研究磁悬浮轴承的运动控制问题,需要对实际系统进行简化与抽象。下面从一组电磁线圈(垂直方向)入手,对磁悬浮轴承在垂直方向“电磁力/电流-轴杆位置”的动态特性进行分析,其简化的物理模型如图二所示。
磁悬浮轴承的简化物理模型
图二中将轴杆抽象成一个匀质金属小棒,起动电磁铁时,轴杆受到上方电磁力的吸引而克服重力的作用,实现磁悬浮。可以看出,此问题为单自由度问题,因而依据经典力学的牛顿定律即可求解。
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