磁悬浮轴承通过控制电磁力使转子悬浮起来,从而在定转子之间实现无摩擦、高精度运转。由于具有一系列独特的性能,被称为是支撑技术的一场革命。磁悬浮轴承技术是一门多学科的技术,研究领域涉及到机械学、转子动力学、电磁学、电子学、控制理论和计算机科学等学科。目前,在美国、法国、日本、瑞士等国已获得了工业领域的引用。我国的磁悬浮轴承研究起始于上世纪80年代初,于今已有由20多年的历史,但始终没能实现工业化的生产。因此对磁悬浮轴承系统的研究有重要的意义。本文介绍了磁悬浮轴承的特点以及国内外的发展状况和趋势。在分析了单自由度磁悬浮轴控制原理基础上,重点分析了五自由度磁悬浮轴承的组成及结构;为便于磁悬浮轴承控制的实现,对磁悬浮轴承的电磁力进行了线性化。为实现磁悬浮轴承系统的快速和高精度控制,选用TMS320LF2407为控制系统的主控芯片,采用了集中控制方案;确定了数字控制系统的整体框架;设计了DSP的基本外围电路。在分析比较各种传感器特性的基础上,选择了电涡流传感器作为转子位移的检测元件;分析了电涡流传感器的等效电路、涡流强度和深度、涡流的径向分布、线圈轴上的磁感应强度;设计了传感器的信号处理电路;对于传感器始终存在的偏置耦合问题,提出了传感器差动测量的方法。电磁铁部分,主要开展了电磁铁的机械设计和电气设计。首先分析了电磁铁所需的导磁材料;为减小电磁铁磁极间的耦合,便于电磁铁加工和实现,对电磁铁的磁极数和布置进行了优化设计;根据系统提出的支撑力指标,易于电磁力的实现和控制,选择了电压差动型绕制方式;选定了径向轴承和推力轴承所需导线线径并计算了线圈的匝数。针对磁悬浮轴承控制系统的特点和要求,本设计中采用开关功率放大器,分析了开关功率放大器的基本特点。在实现支撑所需的电磁力基础上,对开关功率放大器电路进行了优化设计,采用三电平软开关的电路结构,以降低主功率器件的功耗、提高系统的动态响应速度、提高稳态电磁力的平稳性;仿真分析表明可以达到预期的效果;最后还建立了功率放大器的小信号模型,为控制系统的调节器设计提供了依据。