CN102829116B - 减小磁力轴承系统中基座振动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁力轴承系统技术领域，公开了一种减小磁力轴承系统中基座振动的方法，包括步骤：S1、采集磁力轴承系统中转子的当前位移值和当前转动角频率，以及磁力轴承系统中磁力轴承的当前电流值；S2、根据所述当前位移值、当前转动角频率和当前电流值计算用于减小磁力轴承系统中基座振动的补偿值；S3、将所述补偿值与预设的转子工作点的位置值相加，得到补偿后的设定工作点位置；S4、根据补偿后的设定工作点位置和转子当前位移值计算输出电流指令；S5、将输出电流指令转换成电流值；S6、将所述电流值转换成控制所述转子位置的电磁力，利用所述电磁力控制所述转子位置，从而减小基座的振动。本发明可以减小基座的振动。

Description

减小磁力轴承系统中基座振动的方法

技术领域

本发明涉及磁力轴承系统技术领域，特别是涉及一种减小磁力轴承系统中基座振动的方法。

背景技术

磁力轴承系统是一种无摩擦、不需润滑的轴承系统，适用于某些具有特殊需求的旋转机械，目前磁力轴承的应用已日益广泛。磁力轴承系统工作时，转子受电磁力作用而保持在悬浮状态，与定子组件无接触。磁力轴承本身是不稳定的，因此需要实时地根据转子的位置调节电磁力，才能保证转子稳定地悬浮在工作位置。磁力轴承的电磁力的调节是通过调节轴承电流实现的。

传统的磁力轴承控制方法中，一般只是根据转子的位置以及转子位置变化的速度调节轴承电磁力。当转子高速旋转时，在不平衡力的作用下，转子将偏离工作位置，而此时控制方法只是被动地调节转子位置，力图将转子轴线恢复到设定的工作位置。由于调节转子位置是通过调节磁力轴承的电磁力实现的，当磁力轴承将电磁力施加于转子时，转子也将同样大小的反作用力施加于磁力轴承。当转子高速旋转时，为了调节转子位置，磁力轴承将高频交变的电磁力施加于转子，并受到同样大小的高频交变的反作用力。这种反作用力通过磁力轴承组件传递到系统机架，并使基座产生一定幅度的振动。在一些旋转机械应用场合，对基座振动幅度要求较高，此时采用传统控制策略的磁力轴承系统因基座振动较大，将无法满足应用要求。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何减小磁力轴承系统中基座的振动。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种减小磁力轴承系统中基座振动的方法，包括以下步骤：

S1、采集磁力轴承系统中转子的当前位移值和当前转动角频率，以及磁力轴承系统中磁力轴承的当前电流值；

S2、根据所述当前位移值、当前转动角频率和当前电流值计算用于减小磁力轴承系统中基座振动的补偿值，并根据预设的转子工作点位置计算控制指令；

S3、将所述补偿值与预设的转子工作点的位置值相加，得到补偿后的设定工作点位置；

S4、根据补偿后的设定工作点位置和转子当前位移值计算输出电流指令；

S5、将输出电流指令转换成电流值；

S6、将所述电流值转换成控制所述转子位置的电磁力，利用所述电磁力控制所述转子位置，从而减小基座的振动。

优选地，步骤S2中计算所述补偿值具体包括：

S21、设定遗忘因子λ、采样周期T_S以及加权因子α；

S22、初始化迭代步数k＝0、逆协方差矩阵 $P\left(0\right)=\left[\begin{array}{cc}C& 0\\ 0& C\end{array}\right]$ 以及补偿系数向量 ${\mathrm{\θ}}_c\left(0\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right],$ 其中C>0；

S23、令k＝k+1；

S24、计算径向磁力轴承总电流其中i_x(k)为磁力轴承当前在径向X方向的电流，i_y(k)为磁力轴承当前在径向Y方向的电流；

S25、计算转子的轴线偏离所述工作点的位移值其中x(k)表示转子当前在X方向的位移值，y(k)表示转子当前在Y方向的位移值；

S26、计算加权电流-位移偏差

S27、令 $\mathrm{\φ}\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{k\Ω}{T}_S\\ \cos \mathrm{k\Ω}{T}_S\end{array}\right],$ 其中Ω表示转子的当前转动角频率，并计算g(k)＝P(k-1)φ(k)(λ+φ(k)^T P(k-1)φ(k))^-1；

S28、计算θ_c(k)＝θ_c(k-1)+g(k)ε(k)；

S29、计算P(k)＝λ^-1P(k-1)-λ^-1g(k)φ(k)^T P(k-1)；

S30、计算补偿值v(k)＝θ_c(k)^Tφ(k)；

S31、返回步骤S23继续计算，直到k达到预设值。

优选地，利用所述磁力轴承系统中的位移传感器采集所述转子当前在X方向的位移值以及转子当前在Y方向的位移值。

优选地，利用磁力轴承系统中的电流传感器采集磁力轴承当前在径向X方向和Y方向的电流。

优选地，利用磁力轴承系统中的转速传感器采集转子的当前转动角频率。

优选地，利用磁力轴承系统中的功率放大器将输出电流指令转换成电流值。

优选地，利用磁力轴承系统中的磁力轴承将所述电流值转换成控制所述转子位置的电磁力。

（三）有益效果

上述技术方案具有如下优点：本发明根据磁力轴承系统中的传感器检测到的转子位移和转速及磁力轴承电流，产生一个位置补偿信号，然后将位置补偿值与预设的转子工作点的位置值相加后作用于磁力轴承系统中的控制器，从而抵偿掉不平衡力的影响，减小磁力轴承系统中转子的振动，从而减小基座的振动。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是图1中计算补偿值的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

转子动力学表明，当转子旋转速度充分高时，将会出现所谓的自定心效应，即在理想情况下，即使不对转子施加任何外力，转子轴线也能稳定地围绕工作位置回转，而不会远离工作位置。另一方面，磁力轴承系统中转子与定子组件存在一定间隙，可以允许转子轴线稍微偏离工作位置。因此在转子高速旋转时，可以适当减小作用于转子的电磁力，主要依靠转子的自定心效应维持转子稳定旋转。

针对传统控制策略下基座振动幅度大的问题，本发明提出一种控制方法，其基本原理是根据传感器检测到的施加于转子的电磁力、转子位置及转角，产生一个位置补偿信号，然后将位置补偿信号作为控制指令作用于控制器，从而在保证转子稳定旋转的前提下，尽量减小施加于转子的电磁力，从而减小基座振动。

如图1所示，本发明提供一种减小磁力轴承系统中基座振动的方法，包括以下步骤：

S1、采集磁力轴承系统中转子的当前位移值和当前转动角频率以及磁力轴承系统中磁力轴承的当前电流值；

S2、根据所述当前位移值、当前转动角频率和当前电流值计算用于减小磁力轴承系统中基座振动的补偿值，所计算出的补偿值为与位置值对应的数字；

S3、将补偿值与预设的转子工作点的位置值相加，得到补偿后的设定工作点位置，所计算出的补偿后的设定工作点位置为与位置值对应的数字；

S4、根据补偿后的设定工作点位置和转子当前位移值计算输出电流指令，计算输出电流指令的过程为现有技术，所计算出的输出电流指令为与电流值对应的数字；

S5、将输出电流指令转换成电流值；

S6、将电流值转换成控制转子位置的电磁力，利用电磁力控制转子的位置，从而减小基座的振动。

上述磁力轴承系统，包括机架、转子、驱动电机、磁力轴承、电流传感器、位移传感器、转速传感器、功率放大器、控制器，电流传感器设置在功率放大器上，电流传感器的输出端电连接到控制器上，位移传感器和转速传感器均设置在机架上，位移传感器和转速传感器的输出端电连接到控制器上，控制器的指令输出电连接到功率放大器上，磁力轴承设置在机架上，磁力轴承的输入端电连接到功率放大器上，转子与驱动电机通过联轴器机械连接，除与驱动电机连接外，在工作状态下转子与系统内其他部件无机械接触，保持一定间隙，控制器内预设置有一转子位置控制模块和一基座振动补偿模块。所述基座振动补偿模块用于实现补偿值的计算。基座为机架的一部分，位于机架的下部。需要说明的是，基座振动补偿模块也可以设置在磁力轴承系统之外，这种情况下，控制器就不包含基座振动补偿模块。

在转子正常悬浮且稳定旋转时，启动基座振动补偿模块，实现对基座振动的补偿。执行本发明的方法时，基座振动补偿模块与转子位置控制模块以固定的采样周期循环进行。每个循环周期内所述位移传感器和转速传感器采集的转子位移值和转动角频率首先进入基座振动补偿模，由其计算补偿值以及补偿后的设定工作点位置，随后将补偿后的设定工作点位置输出到转子位置控制模块，所述转子位置控制模块计算输出电流指令，并将输出电流指令发送给功率放大器，由功率放大器将输出电流指令转化成电流值，磁力轴承将所述电流值转换成控制所述转子转动的电磁力，利用所述电磁力控制所述转子旋转。

如图2所示，步骤S2中计算所述补偿值具体包括：

S21、设定遗忘因子λ、采样周期T_S以及加权因子α，0<λ<1；

S22、初始化迭代步数k＝0、逆协方差矩阵 $P\left(0\right)=\left[\begin{array}{cc}C& 0\\ 0& C\end{array}\right]$ 以及补偿系数向量 ${\mathrm{\&theta;}}_c\left(0\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right],$ 其中C>0；

S23、令k＝k+1；

S24、计算径向磁力轴承总电流其中i_x(k)为磁力轴承当前在径向X方向的电流，i_y(k)为磁力轴承当前在径向Y方向的电流；

S25、计算转子的轴线偏离所述工作点的位移值其中x(k)表示转子当前在X方向的位移值，y(k)表示转子当前在Y方向的位移值；

S26、计算加权电流-位移偏差

S27、令 $\mathrm{\&phi;}\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{k\&Omega;}{T}_S\\ \cos \mathrm{k\&Omega;}{T}_S\end{array}\right],$ 其中Ω表示转子的当前转动角频率，并计算g(k)＝P(k-1)φ(k)(λ+φ(k)^TP(k-1)φ(k))^-1；

S28、计算θ_c(k)＝θ_c(k-1)+g(k)ε(k)；

S29、计算P(k)＝λ^-1P(k-1)-λ^-1g(k)φ(k)^TP(k-1)；

S30、计算补偿值v(k)＝θ_c(k)^Tφ(k)；

S31、返回步骤S23继续计算，直到k达到预设值。

本发明并非将与转子的工作点对应的控制指令作用于控制器，而是根据转子的位移实时计算同频补偿值，并将补偿值与预设的转子工作点的位置值相加后相加后作用于控制器。这种方式实质上是根据转子位移对不平衡力对转子的影响进行实时预估，并根据预估值计算控制指令，从而使转子的运动尽可能顺应自定心的趋势，减小了作用于转子上的电磁力，也就是减小了磁力轴承所受的反作用力。因此，本发明的优点在于采用本发明可使磁力轴承系统基座振动较小。

由以上实施例可以看出，本发明根据磁力轴承系统中的传感器检测到的转子位移和转速及磁力轴承电流，产生一个位置补偿信号，然后将位置补偿值与预设的转子工作点的位置值相加后相加作用于磁力轴承系统中的控制器，从而抵偿掉不平衡力的影响，减小磁力轴承系统中转子的振动，从而减小基座的振动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种减小磁力轴承系统中基座振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集磁力轴承系统中转子的当前位移值和当前转动角频率，以及磁力轴承系统中磁力轴承的当前电流值；

S2、根据所述当前位移值、当前转动角频率和当前电流值计算用于减小磁力轴承系统中基座振动的补偿值；

其中，步骤S2中计算所述补偿值具体包括：

S21、设定遗忘因子λ、采样周期T_S以及加权因子α；

S22、初始化迭代步数k＝0、逆协方差矩阵 $P\left(0\right)=\left[\begin{array}{cc}C& 0\\ 0& C\end{array}\right]$ 以及补偿系数向量 ${\mathrm{\&theta;}}_c\left(0\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right],$ 其中C>0；

S23、令k＝k+1；

S24、计算径向磁力轴承总电流其中i_x(k)为磁力轴承当前在径向X方向的电流，i_y(k)为磁力轴承当前在径向Y方向的电流；

S25、计算转子的轴线偏离所述工作点的位移值其中x(k)表示转子当前在X方向的位移值，y(k)表示转子当前在Y方向的位移值；

S26、计算加权电流-位移偏差

S27、令 $\mathrm{\&phi;}\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{k\&Omega;}{T}_S\\ \cos \mathrm{k\&Omega;}{T}_S\end{array}\right],$ 其中Ω表示转子的当前转动角频率，并计算g(k)＝P(k-1)φ(k)(λ+φ(k)^TP(k-1)φ(k))^-1；

S28、计算θ_c(k)＝θ_c(k-1)+g(k)ε(k)；

S29、计算P(k)＝λ^-1P(k-1)-λ^-1g(k)φ(k)^TP(k-1)；

S30、计算补偿值v(k)＝θ_c(k)^Tφ(k)；

S31、返回步骤S23继续计算，直到k达到预设值；

S3、将所述补偿值与预设的转子工作点的位置值相加，得到补偿后的设定工作点位置；

S4、根据补偿后的设定工作点位置和转子当前位移值计算输出电流指令；

S5、将输出电流指令转换成电流值；

S6、将所述电流值转换成控制所述转子位置的电磁力，利用所述电磁力控制所述转子位置，从而减小基座的振动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述磁力轴承系统中的位移传感器采集所述转子当前在X方向的位移值以及转子当前在Y方向的位移值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用磁力轴承系统中的电流传感器采集磁力轴承当前在径向X方向和Y方向的电流。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用磁力轴承系统中的转速传感器采集转子的当前转动角频率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用磁力轴承系统中的功率放大器将输出电流指令转换成电流值。

6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，利用磁力轴承系统中的磁力轴承将所述电流值转换成控制所述转子位置的电磁力。