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9.4 性能指标评估

磁悬浮轴承系统在完成调试并稳定运行后，必须对其关键性能指标进行定量化的测量与评估。这些指标是衡量系统设计水平、控制效果及工程实用性的最终标尺，也是不同系统间进行比较和优化的依据。本节将系统阐述悬浮精度、刚度、阻尼、带宽及功耗这五项核心性能指标的物理定义、评估方法、测量原理及数据处理流程。这些评估活动通常在系统处于稳定悬浮和旋转的工作状态下进行。

9.4.1 悬浮精度测量

悬浮精度是指转子在稳态工作条件下，其质心或几何中心相对于目标平衡位置（通常是传感器电零点）的偏移波动范围。它综合反映了系统抵抗各类静态与低频扰动的能力，是衡量定位精度的核心指标。

1. 定义与内涵
悬浮精度通常用位移均方根值或峰峰值来表征。在恒定转速和负载下，采集一段时间内的位移传感器信号x(t)x(t)x(t)，计算其统计特性：

• 稳态偏差均值：xˉ=1T∫0Tx(t)dt\bar{x} = \frac{1}{T}\int_0^T x(t) dtxˉ=T1​∫0T​x(t)dt，反映系统存在的常值静差（如由积分控制器残余误差或恒力扰动引起）。
• 波动幅值（峰峰值）：xpp=max⁡(x(t))−min⁡(x(t))x_{pp} = \max(x(t)) - \min(x(t))xpp​=max(x(t))−min(x(t))，直观反映总的波动范围。
• 均方根值：xrms=1T∫0T(x(t)−xˉ)2dtx_{rms} = \sqrt{\frac{1}{T}\int_0^T (x(t) - \bar{x})^2 dt}xrms​=T1​∫0T​(x(t)−xˉ)2dt​，表征波动的有效值，对随机扰动更敏感。

2. 测量方法

• 仪器：使用已标定的高分辨率位移传感器（如电涡流传感器）及其配套数据采集系统，采样频率需远高于位移波动的最高频率成分。
• 工况：分别在静态悬浮（零转速）和不同工作转速下进行测量。静态悬浮精度反映了系统对重力、传感器零点漂移、电磁力常数不对称等静态因素的抑制能力。旋转状态下的精度则叠加了转子质量不平衡引起的同步振动以及其他动力扰动的影响。
• 数据分析：对采集的位移信号进行时域统计计算。通常还需进行频谱分析，以区分不同频率成分的贡献，例如工频干扰、转速频率及其倍频的不平衡振动、控制回路引起的超低频波动等[1]。高精度系统要求xrmsx_{rms}xrms​在亚微米甚至纳米量级。

9.4.2 刚度测量

刚度定义为系统抵抗外部静力或低频力扰动而产生单位位移所需施加的力，反映了系统的“硬度”。磁轴承的闭环刚度是其主动控制的结果，远高于其开环负刚度。

1. 静态刚度测量
静态刚度通过在转子静止悬浮时施加静态力并测量产生的稳态位移来获得。方法有：

• 砝码加载法（轴向或径向）：如图1(a)所示，在转子特定方向（如轴向）通过滑轮和细绳悬挂已知质量的砝码mmm，施加静力F=mgF = mgF=mg。待系统稳定后，测量位移变化量Δx\Delta xΔx。则该方向上的静态刚度KstaticK_{static}