CN101568892A - 用于磁悬浮中负阻尼补偿的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

磁悬浮控制系统(100)包括：传感器(106)，被配置用于测量在电磁铁与平台之间的间隙，并生成间隙测量信号。间隙滤波器(112)被配置用于接收所述间隙测量信号，并提供相位超前信号，该相位超前信号估计并计及所述间隙测量信号与补偿动作之间的延时。估计块(114)被配置用于接收所述相位超前信号，并按照所述相位超前信号提供所述补偿动作，以使得负刚度和负阻尼效应在所述控制系统中被补偿。

Description

用于磁悬浮中负阻尼补偿的控制系统和方法

本公开内容涉及磁悬浮，更具体地，涉及用于补偿负阻尼的控制系统和方法。

磁悬浮(Maglev)是指利用磁场来推斥物体以抵抗其它力-诸如举例而言重力-的系统或装置。磁悬浮可在运输系统中被采用，其中车辆被悬浮并沿轨道推进。其它应用可包括半导体加工工艺(例如，悬浮一个晶片支撑台板)、非接触轴承(例如，磁悬浮轴)、或医疗设备(例如，CT扫描仪)。

刚度(stiffness)是材料在被按压时回推的能力，例如，弹簧对抗压缩。这种性状确定了材料的强度和阻尼振动的能力。这是正刚度。某些材料或系统具有“负刚度”：它们的结构已经被以这样的方式弯曲(buckle)或扭曲(contort)，即：如果施加压力，则其存储的能量仅导致在相同方向上的更大压缩，例如弹簧，当你开始压它时，它自己就折叠(collapse)了。

在磁悬浮中，磁芯与被悬浮物体之间的间隙被说成是固有地具有负刚度。在磁悬浮系统中，负刚度可以通过能够抵消负刚度效应的校准公式而被补偿。然而，在间隙被测量的时间与间隙被补偿的时间之间引入的延时常常导致负阻尼。负阻尼不能以与负刚度相同的方式来解释。因此，在磁悬浮系统中存在补偿负阻尼的需求。

按照本实施例，磁悬浮控制系统包括：传感器，被配置用于测量电磁铁与平台(stage)之间的间隙，并生成间隙测量信号。间隙滤波器被配置用于接收所述间隙测量信号，并提供相位超前信号(phase lead signal)，该相位超前信号估计并计及(account for)所述间隙测量信号与补偿动作之间的延时。估计块被配置用于接收所述相位超前信号，并按照所述相位超前信号提供补偿动作，以使得负刚度和负阻尼效应在所述控制系统中都得到补偿。

一种用于控制磁悬浮系统中的间隙的方法包括：生成磁场以便按照实现的电流(realized current)来悬浮平台并保持所述平台与电磁铁芯之间的间隙；测量所述间隙以便输出间隙测量信号；滤波所述间隙测量信号，以便按照过去的测量结果提供相位超前信号，以计及间隙测量信号与补偿动作之间的延时；以及按照所述相位超前信号生成所述实现的电流以便在调节间隙时补偿负刚度和负阻尼。

在替换实施例中，间隙测量可被重建，以便允许估计所述间隙测量而不需要并置的(collocated)传感器。所述实现的电流优选地按照所述相位超前信号生成，并且从估计块输出的计算的电流被放大，这里所述计算的电流是基于所述相位超前信号。所述方法可包括减小由于滤波步骤而引入的噪声。所述方法还可包括从以前的间隙测量结果外推延时，以使得所述相位超前信号是基于所述外推的延时。

本公开内容的这些和其它目的、特征及优点将从其说明性实施例的以下的详细描述变得明白，所述说明性实施例要结合附图阅读。

本公开内容将参照以下的附图详细给出优选实施例的如下说明，其中：

图1是显示按照一个实施例的磁悬浮系统的方框图/流程图；

图2是显示按照更详细的实施例的磁悬浮系统的方框图/流程图；

图3是幅度(dB)或相位角(度)与频率的关系曲线的图，其显示了对于按照图2中的间隙滤波器的不同配置的参考信号及响应；以及

图4是显示用于控制磁悬浮系统中的间隙的一个示例方法的流程图。

本公开内容描述适于在磁悬浮系统中使用的控制系统，其中负阻尼通过如下方式补偿：预先考虑在测量和补偿被悬浮部件或装置(此后称为机械设施(plant))与磁芯(此后称为设施芯(plant core))间的间隙波动之间的延时。在一个特别有用的实施例中，由间隙滤波器预先考虑延时，所述间隙滤波器提供相位超前以便抵消在系统中经受的负阻尼。代替或附加于所述间隙滤波器，过去的测量结果或间隙预测准则可被采用来更精确地预测实际的间隙，以便帮助消除所述负阻尼。应当理解，本发明将就特定的磁悬浮系统来描述；然而，本发明的教导要广泛得多，且可应用于任何可能因在反馈环中引入延时而具有负阻尼的磁悬浮系统。还应当理解，说明性的示例电路可以被修改以包括附加部件或所述部件可被集成在一个或多个集成电路芯片上。另外，所描绘的部件可以以软件或是在独立的装置或电路上实现。在特别有用的实施例中，附图中描绘的单元可以以硬件和软件的各种组合来实现，并提供可以被组合到单个单元或多个单元中的功能。

现在参照附图，图上同样的数字代表相同的或类似的单元，初始地参考图1，图1是显示按照一个说明性实施例的磁悬浮系统10的高级示意图。电磁铁芯26包括绕组或线圈24，其接收经校正的电流，以便调节由所述铁芯26生成的磁场。来自放大器22的经校正的电流起到反馈的作用，以便对所述铁芯26与平台12之间的间隙14进行调节。所述间隙14由位置传感器16进行测量。

使用电磁铁芯(E-芯)26而具有磁悬浮的平台12呈现固有的负刚度。可以采用校准方案来抵消所述负刚度效应，其可包括引入预定义的校准延时。这可包括提供控制方程中的校准常数或参数，其将力F表示为有效间隙z及电流I的函数。还可采用包括旋转和间隙不完整性的更复杂的方案来补偿此负刚度。如果负刚度被抵消，带有在测量所述位置与使用该位置来产生一个力之间的延时，那么将会存在负阻尼。

对于间隙中小的扰动，阻尼等于刚度乘以在测量间隙14的位置与使用该位置来补偿之间的延时。因为刚度是负的，所以阻尼也是负的。

$F_t=F_{t-1}+\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δt}$

$F_t=F_{t-1}+\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dz}}\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δt}$

$F_t=F_{t-1}+(-2\frac{F}{z}\mathrm{\Δt})\·\stackrel{\·}{z}$

其中F_t是在时间t作用于被悬浮物体的标称的力，F_t-1是在时间t-1的标称的力，F是瞬时力，Δt是所述测量与所述补偿之间的延时，z是瞬时间隙，

(或

)是间隙的瞬时改变，(

)是刚度，以及(

)是负阻尼的阻尼系数。应当指出，阻尼是绝对的(absolute)并且也依赖于磁悬浮的标称刚度，而不依赖于被补偿的刚度。

简化的校准公式表明，所述刚度固有地是负的：

$F=\mathrm{Ci}\frac{I^2}{{\mathrm{gap}}^2}=\mathrm{Ci}\frac{I^2}{z^2}$ 有z＝gap    (间隙)

                                   (2)

$\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dz}}=-2\mathrm{Ci}\frac{I^2}{z^3}=-2\mathrm{Ci}\frac{I^2}{z^2}\frac{I}{z}=-2\frac{F}{z}$

其中Ci是校准常数，以及I是线圈电流。作为力函数的微分的结果，刚度将是负的。因为在方程(1)中刚度是负的，所以阻尼也是负的。按照本原理，此后描述的实施例将提供对于该负阻尼的补偿。补偿模块18被包括来提供不仅对抗负刚度也对抗负阻尼的补偿。在来自位置传感器16的间隙测量信号被补偿后，经补偿的信号被控制器20用来确定输出线圈电流。所述线圈电流可以在用来激励线圈24之前被放大器22放大。

参照图2，磁悬浮系统100被示例性地描绘以阐述按照本原理的构思。本领域技术人员已知的、组成所述系统结构的各个块部件的细节将仅以足够理解本发明的细节来描述。系统100的一些部分或全部可以在中央运行(central motion)计算机(例如，个人计算机)上实现或分布在单机控制器上。系统100包括磁芯或设施芯102。设施芯102可包括E-芯或响应于反馈电流的其它磁装置，例如在其上下有绕组(未示出)。所述绕组接收电流I_Realized，其包括正如下面将更详细地说明的经放大和补偿的信号。设施芯102对机械设施装置(平台)104施加磁力F_Real。机械设施104可包括车辆、平台，诸如用于半导体加工工艺的台板(platen)、旋转轴等等。在所述设施芯102与所述设施机构104之间保持间隙Gap_Real。所述设施芯102与所述设施机构104组成系统100的内部环路120，其建立所述系统100的机械/物理方面的模型。内部环路120可包括实际的物理部件或可包括数字建模的部件。Gap_Real可能经受由于工作条件引起的波动、旋转或其它偏转。这些波动被确定并按照外部环路130校正或补偿。

外部环路130包括至少一个传感器106。传感器106可包括光学传感器、感应传感器、机械传感器或任何其它装置或软件模块，用来估计间隙距离和所述间隙随时间的波动。传感器106可以是测量位置的任何装置(例如，感应传感器)。传感器106输出测量的间隙Gap_Measured。所述间隙测量结果可以是模拟或数字信号。如果信号是模拟的，则优选地通过模拟-数字转换器108将其转换成数字信号。间隙重建模块110允许传感器106不必与E-芯102的间隙并置。当间隙测量与实际的间隙并置时，间隙重建110是任选的。如果传感器106没有与E-芯102的间隙并置，则间隙重建110计算所述间隙(Gap_calculated)，以便计及位置差异。

在外部环路130(例如，计算环路)中相对于内部环路120(其为真实的设施)的任何延时均引起负阻尼。间隙滤波器112可用来生成相位超前信号113，以便补偿间隙延时。在一个应用中，平台104被操控或者要不然就经受方向、力或加速度的改变。此时，需要来自间隙重建110的间隙估计，以便用于间隙滤波器112。间隙滤波器112使所述Gap_Calculated信号超前(lead)，以便计及测量的间隙(Gap_Measured)与I_Realized信号之间的延时。间隙滤波器112可以是简单的超前滤波器(lead filter)、高阶滤波器(用于更高的精度)或是根据几个过去的测量对所述间隙在未来的估计。间隙滤波器112可以以这样的方式实现，以便对所述系统内遇到的全部延时进行补偿。

间隙滤波器112输出的经调节的相位被输入到估计块114，其将输出电流I_Calculated作为施加到平台104的力F与间隙(相位超前信号113)的函数来预测，以便提供期望的恢复力。由于存在间隙滤波器112，所以延时被补偿，导致更精确的电流估计。这减小或消除了负阻尼。取决于实现，I_Calculated可以是数字的，并由数字-模拟转换器116转换成模拟信号(电压或电流)。可以采用放大器118来放大或者要不然便修改I_Calculated，以便把I_Realized提供到内部环路120中的所述芯102。

任何产生相位超前的间隙滤波器112很可能将放大噪声。不过，这可以通过使用已知的方法由放大器118中的模拟滤波器抵消。结果是：得到相位超前并补偿阻尼，而在增益中没有可见的负效应。系统100可用于许多不同的应用，例如，在车辆系统中，在半导体加工工艺装置中，在非接触轴承系统、医学成像设备中等等。

参照图3，间隙滤波器的各种实现的效果可以在伯德(Bode)图中看到。基线图202显示在不具有间隙滤波器时输入到估计块的延时的幅度和相位。曲线204、206和208显示在具有间隙滤波器的不同配置时输入到估计块的延时的幅度和相位，且渐增地显示对相位延时的补偿。更多的补偿需要间隙滤波器的更高的增益。并且，在这种情形下，在曲线图的左面可看见剩余的负刚度211，此处线条变得水平。对于所有曲线，幅度相对而言是相同的。

参照图4，举例描述用于控制磁悬浮系统中的间隙的方法。在方框302，根据实现的电流生成磁场，用来悬浮平台并保持平台与电磁铁芯之间的间隙。电磁铁芯包括线圈绕组，其由实现的电流激励，以便对间隙进行调节。在方框304，由一个或多个传感器测量所述间隙，以便输出间隙测量信号。在方框306，如果需要的话，所述间隙测量可以任选地重建，以便允许在测量与滤波步骤之间校准所述间隙测量。这可能是由于在间隙测量信号被间隙滤波器滤波之前对间隙测量信号进行信号转换或其它延时或改变导致的结果。

在方框308，间隙测量信号被间隙滤波器滤波，以便按照延时，例如通过使用过去的测量结果/历史，来提供相位超前信号。滤波器被设计成计及间隙测量信号与补偿动作之间的延时。所述补偿动作优选地由估计块来执行，其计算用于绕组电流的输出电流以便调节/保持所述间隙。在方框310，从以前的间隙测量外推延时量(例如，相移)，以使得相位超前信号是基于外推的延时。这可以通过如下方式实现：使用查找表或其它存储器存储装置以便根据过去的历史确定或外推一个动作。方框310是任选的。

在方框312，由估计块按照所述相位超前信号生成校正电流或计算的电流(或电压)，以便补偿在调节所述间隙时的负刚度和负阻尼。(电流可以由电压代表)。在方框314，校正电流按照所述相位超前信号生成，它可包括放大从估计块输出的计算的电流，其中所述计算的电流是基于所述相位超前信号。放大器被使用来放大计算的(校正)电流输出并可以在方框316中减小由滤波步骤引入的噪声。在方框318，实现的电流从放大器输出。

在解释所附权利要求时，应当理解：

a.词“包括”并不排除不同于在给定的权利要求中列出的那些元素或动作的其它元素或动作的存在；

b.在元素前面的词“一个”不排除多个这样的元素的存在；

c.在权利要求中的任何参考符号不限制其范围；

d.几个“装置”可以由同一项或硬件或软件实现的结构或功能来代表；以及

e.不打算要求任何特定的动作顺序，除非特别指出。

在描述了用于磁悬浮中负阻尼补偿的控制系统和方法的优选实施例(旨在示例而非限制)后，应当指出，本领域技术人员可以根据以上的教导作出修改和变化。因此需要理解的是，在所公开的本公开内容的特定实施例中可以作出改变，这些改变仍旧处在如所附权利要求概述的、这里公开的实施例的范围和精神内。在这样描述了由专利法要求的细节和特性后，要求和期望通过专利证书保护的内容在所附的权利要求中阐述。

Claims (20)

1.一种磁悬浮控制系统(100)，包括：

传感器(106)，被配置用于测量电磁铁与平台之间的间隙，并生成间隙测量信号；

间隙滤波器(112)，被配置用于接收所述间隙测量信号，并提供相位超前信号(113)，该相位超前信号估计并计及所述间隙测量信号与补偿动作之间的延时；以及

估计块(114)，被配置用于接收所述相位超前信号，并按照所述相位超前信号提供所述补偿动作，以使得负刚度和负阻尼效应在所述控制系统中被补偿。

2.如在权利要求1中引述的控制系统，还包括间隙重建模块(110)，被配置用于提供在测量时间与所述间隙滤波器的滤波时间之间的校准。

3.如在权利要求1中引述的控制系统，其中所述补偿动作包括按照所述相位超前信号修改输出信号(I_Calculated)。

4.如在权利要求3中引述的控制系统，还包括放大器(118)，被配置用于接收所述输出信号。

5.如在权利要求4中引述的控制系统，其中所述放大器(118)减小由所述间隙滤波器(112)引入的噪声。

6.如在权利要求1中引述的控制系统，其中所述间隙滤波器(112)从以前的间隙测量延时外推延时，以使得所述相位超前信号是基于所述外推的延时。

7.一种磁悬浮系统(110)，包括：

电磁铁芯(102)，被配置用于生成磁场，以便按照实现的电流悬浮平台(104)，并保持所述平台与所述电磁铁芯之间的间隙；

传感器(106)，被配置用于测量所述间隙并生成间隙测量信号；

间隙滤波器(112)，被配置用于接收所述间隙测量信号，并按照过去的测量结果调节所述间隙测量信号，以便提供相位超前信号(113)，用以计及所述间隙测量信号与补偿动作之间的延时；以及

估计块(114)，被配置用于接收所述相位超前信号，并输出计算的电流(I_Calculated)，该计算的电流被放大以提供所述实现的电流，使得负刚度和负阻尼在所述控制系统中被补偿。

8.如在权利要求7中引述的系统，还包括间隙重建模块(110)，被配置用于提供在测量时间与所述间隙滤波器的滤波时间之间的校准。

9.如在权利要求7中引述的系统，其中所述计算的电流(I_Calculated)按照所述相位超前信号(113)被修改。

10.如在权利要求7中引述的系统，其中所述放大器(118)减小由所述间隙滤波器(112)引入的噪声。

11.如在权利要求7中引述的系统，其中所述间隙滤波器(112)从以前的间隙测量延时外推延时，以使得所述相位超前信号是基于所述外推的延时。

12.如在权利要求7中引述的系统，其中所述电磁铁芯(102)和所述平台(104)在车辆系统中采用。

13.如在权利要求7中引述的系统，其中所述电磁铁芯(102)和所述平台(104)在半导体加工工艺装置中采用。

14.如在权利要求7中引述的系统，其中所述电磁铁芯(102)和所述平台(104)在非接触轴承系统中采用。

15.如在权利要求7中引述的系统，其中所述电磁铁芯(102)和所述平台(104)在医学成像系统中采用。

16.一种用于控制磁悬浮系统中的间隙的方法，包括：

生成(302)磁场，以便按照实现的电流来悬浮平台并保持所述平台与电磁铁芯之间的间隙；

测量(304)所述间隙以便输出间隙测量信号；

滤波(308)所述间隙测量信号以便按照过去的测量结果提供相位超前信号，用以计及所述间隙测量信号与补偿动作之间的延时；以及

按照所述相位超前信号生成(312)所述实现的电流以便在调节所述间隙时补偿负刚度和负阻尼。

17.如在权利要求16中引述的方法，还包括重建(306)所述间隙测量，以便允许估计所述间隙测量，而不需要并置的传感器。

18.如在权利要求16中引述的方法，其中按照所述相位超前信号生成(302)所述实现的电流包括：放大从估计块输出的计算的电流，其中所述计算的电流是基于所述相位超前信号。

19.如在权利要求18中引述的方法，还包括减小(316)由所述滤波步骤引入的噪声。

20.如在权利要求16中引述的方法，还包括从以前的间隙测量结果外推(310)延时，以使得所述相位超前信号是基于所述外推的延时。

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