CN102830633B

CN102830633B - 一种抑制磁力轴承系统低频振荡的控制方法及系统

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Publication number: CN102830633B
Application number: CN201210301145.6A
Authority: CN
Inventors: 孙喆; 周燕; 时振刚; 石磊; 于溯源
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: CN102830633A

Abstract

本发明提供一种磁力轴承控制系统及方法，其包括转子位置监测单元，用于记录转子位置振荡波形，并根据所述振荡波形计算振荡频率f_O；参数计算单元，用于设定采样周期T_S，相位补偿频带半频宽f_B，根据系统振荡频率f_O、采样周期T_S以及相位补偿频带半频宽f_B计算低频振荡抑制单元参数；位移传感器组件，用于采集转子的位移值；低频振荡抑制单元，用于根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数计算经过低频抑制后的信号；转子位置控制单元，用于根据所述经过低频抑制后的信号计算磁力轴承所需的电流值；转子悬浮单元，用于根据所述电流值悬浮所述转子。本发明通过对控制器进行相位补偿，消除了磁力轴承中的可能存在的低频振荡。

Description

一种抑制磁力轴承系统低频振荡的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及轴承系统的控制技术领域，尤其涉及一种抑制磁力轴承系统低频振荡的控制方法及系统。

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。

控制理论指出，将一定频率的正弦信号输入到一个线性系统中，输出仍是正弦信号，频率与输入信号相同，但幅度与相位与输入信号不同。输出信号幅度与输入信号幅度之比称为系统的放大倍数，输出信号相位与输入信号相位之差称为系统相移。系统的放大倍数和相移与输入信号频率有关。一个负反馈控制系统中的从输入量到反馈量的所有环节组成的系统称为开环系统。如果对于某特定频率的信号，开环系统的输出信号相位比输入信号延迟180°，且放大倍数大于1，则系统对于该频率的信号实质上是正反馈的，系统将不稳定，并以与该频率接近的频率振荡发散。当系统存在非线性环节时，则可能以与该频率接近的频率持续振荡。

磁力轴承控制器通过传感器检测到的转子位移，实时地调节磁力轴承的电磁力，以实现转子的稳定悬浮。受到结构限制，位移传感器通常无法与磁力轴承布置在同一位置，二者沿转子轴向有一定的距离。在这种情况下，转子的某个弯曲模态的节点有可能正好位于传感器与轴承之间，也就是说，在这个弯曲模态下，传感器测量到的位移与轴承处的实际位移方向相反。此时，整个磁力轴承系统在该固有频率附近形成了正反馈，可能出现与该模态固有频率接近的振荡。此外，大型磁力轴承系统的传感器引出线和磁力轴承动力线通常较长，当电磁兼容设计不合理时可能馈入某些特定频率的干扰信号，也可能引发系统振荡。上述振荡源一般难以从根源上进行抑制，因此需要在控制算法中需要对这些振荡源引发的振荡加以抑制。

发明内容

（一）技术问题

本发明解决了现有技术中磁力轴承系统中由系统相移、传感器噪声、转子弯曲模态、系统非线性等引起的低频振动。

（二）技术方案

本发明提供一种磁力轴承控制系统，其包括有转子，还包括：

转子位置监测单元，用于记录转子位置振荡波形，并根据所述振荡波形计算振荡频率f_O；

参数计算单元，用于设定采样周期T_S，相位补偿频带半频宽f_B，根据系统振荡频率f_O、采样周期T_S以及相位补偿频带半频宽f_B计算低频振荡抑制单元参数；

位移传感器单元，用于采集转子的位移值；

低频振荡抑制单元，用于根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数计算经过低频抑制后的信号；

转子位置控制单元，用于根据所述经过低频抑制后的信号计算磁力轴承所需的电流值；

转子悬浮单元，用于根据所述电流值悬浮所述转子。

可选的，该系统还包括振荡判断单元，用于判断磁力轴承是否发生振荡。

可选的，在发生振荡的情况下，启动所述转子位置检测单元和低频振荡抑制单元。

本发明还提供一种磁力轴承控制方法，其包括如下步骤：

S1.记录转子位置振荡波形，并根据所述振荡波形计算振荡频率f_O；

S2.设定采样周期T_S，相位补偿频带半频宽f_B，根据系统振荡频率f_O、采样周期T_S以及相位补偿频带半频宽f_B计算低频振荡抑制单元参数；

S3.采集转子的位移值；

S4.根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数计算经过低频抑制后的信号；

S5.根据所述经过低频抑制后的信号计算磁力轴承所需的电流值；

S6.根据所述电流值悬浮所述转子。

可选的，在步骤S6之后还包括步骤：

S7.判断磁力轴承是否发生低频振荡，如果是，则返回步骤S2，如此循环，直至系统不发生低频振荡为止。

可选的，在所述步骤S2中，低频振荡抑制单元参数包括a₀，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，其中，

a_{0} = 4 + {4 T}_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2},

a_{2} = (- 8 + 2 T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 8 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0},

a_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0},

b_{1} = (4 + 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

b_{2} = (- 8 + 2 T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 8 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

b_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

f₁＝f_O-f_B，f₂＝f_O+f_B。

可选的，所述步骤S4进一步包括：

S41.初始化迭代步数k=0，信号缓存x_B(1)＝x_B(2)=0，输出缓存u_B(1)=u_B(2)=0；

S42.令k=k+1；

S43.采集转子位移x(k)；

S44.计算经过低频抑制后的信号：

x_R(k)=b₁x(k)+b₂u_B(1)+b₃u_B(2)-a₂x_B(1)-a₃x_B(2)

可选的，所述步骤S7包括：

S71.按照下式进行缓存移位：

u_B(2)=u_B(1),u_B(1)=x(k)

x_B(2)=x_B(1),x_B(1)=x_R(k)

S72.返回步骤（2）。

可选的，在步骤S1之前还包括：

S0.判断磁力轴承是否发生振荡，在发生振荡的情况下执行所述步骤S1。

（三）技术效果

本发明通过对控制器进行相位补偿，消除了磁力轴承中的可能存在的低频振荡。本发明的技术方案实现简单，效果良好，尤其适合于解决难以从根源上消除的低频振荡问题。

附图说明

图1表示本发明所述磁力轴承控制方法的流程图；

图2表示本发明所述磁力轴承控制系统的结构图。

具体实施方式

对于系统中存在的振荡，可以从两方面抑制：其一为减小放大倍数，其二为减小系统相移。前者比较直接，实现简单。但对于低频振荡，由于振荡频率出现在系统正常工作频段内，则可能对系统性能带来很大影响，甚至使系统不能工作。因此本发明采用减小系统相移的方法抑制低频振荡，其基本原理是在控制算法中加入相位补偿，减小对特定频率的信号的相移，从而抑制系统特定频率的振荡。本发明通过控制算法抑制磁力轴承系统中的低频振荡，所述低频振荡指频率小于磁力轴承系统最大工作转速所对应频率的系统振荡现象。

实施例1：

本发明还提供一种磁力轴承系统，其包括机架、转子、原动机及其驱动器、磁力轴承、转子位移传感器、功率放大器、监测计算机、控制计算机，转子位移传感器设置在所述机架上，转子位移传感器的输出端电连接所述到控制计算机上，同时也连接到监测计算机上，控制计算机的指令输出电连接到功率放大器上，磁力轴承设置在所述机架上，磁力轴承的输入端电连接到功率放大器上，转子与原动机固联或通过联轴器机械连接，除与原动机连接外，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，控制计算机内预设置有一转子位置控制单元和一低频振荡抑制单元，监测计算机内预设置有一转子位置监测软件，执行下述流程：

1.悬浮转子，若磁力轴承系统不发生低频振荡，则无需启动低频振荡抑制单元；若发生振荡，通过位置监测软件记录转子位置振荡波形，据此计算振荡频率f_O；

2.设定采样周期T_S（单位s），相位补偿频带半频宽f_B（单位Hz）根据系统振荡频率f_O计算低频振荡抑制单元参数，计算

f₁=f_O-f_B，f₂=f_O+f_B，

a_{0} = 4 + {4 T}_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2},

a_{2} = (- 8 + 2 T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 8 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0},

a_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0},

b_{1} = (4 + 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

b_{2} = (- 8 + 2 T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 8 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

b_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

3.启动低频振荡抑制单元，启动转子悬浮程序，悬浮转子，若磁力轴承系统不发生低频振荡，则采用当前低频振荡抑制单元；若仍发生低频振荡，则返回第2步，调整低频振荡抑制单元，直至系统不发生低频振荡为止。

所述步骤4中的低频振荡抑制单元与转子位置控制单元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组件采集的转子位移值首先进入低频振荡抑制单元，由其计算经过低频抑制后的信号，随后将其输出到转子位置控制单元，用所述的转子位置控制单元计算磁力轴承组件所需的电流值，并将其输出至所述功率放大器，实现对转子的控制。以上所述步骤中用到了所述步骤4中计算得到的参数，所述步骤4计算经过低频抑制后的信号的步骤如下：

（1）初始化迭代步数k=0，信号缓存x_B(1)＝x_B(2)=0，输出缓存u_B(1)=u_B(2)=0；

（2）令k=k+1；

（3）通过所述的转子位移传感器采集转子位移x(k)；

（4）计算经过低频抑制后的信号：

x_R(k)=b₁x(k)+b₂u_B(1)+b₃u_B(2)-a₂x_B(1)-a₃x_B(2)

将此信号输出值转子位移控制单元，实现对转子的控制。

（5）如果仍存在低频振荡，则按照下式进行缓存移位：

u_B(2)=u_B(1),u_B(1)=x(k)

x_B(2)=x_B(1),x_B(1)=x_R(k)

返回步骤（2）。

实施例2：

转子位置监测单元(100)，用于记录转子位置振荡波形，并根据所述振荡波形计算振荡频率f_O；

参数计算单元(200)，用于设定采样周期T_S，相位补偿频带半频宽f_B，根据系统振荡频率f_O、采样周期T_S以及相位补偿频带半频宽f_B计算低频振荡抑制单元参数；

位移传感器单元(300)，用于采集转子的位移值；

低频振荡抑制单元(400)，用于根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数计算经过低频抑制后的信号；

转子位置控制单元(500)，用于根据所述经过低频抑制后的信号计算磁力轴承所需的电流值；

转子悬浮单元(600)，用于根据所述电流值悬浮所述转子。

实施例3：

本发明还提供一种磁力轴承控制方法，其包括如下步骤：

S3.采集转子的位移值；

S6.根据所述电流值悬浮所述转子。

可选的，在步骤S6之后还包括步骤：

a_{0} = 4 + {4 T}_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2},

a_{2} = (- 8 + 2 T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 8 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0},

a_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0},

b_{1} = (4 + 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

b_{2} = (- 8 + 2 T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 8 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

b_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{O} + T_{S}^{2} f_{O}^{2} + 4 π^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0},

f₁=f_O-f_B，f₂=f_O+f_B。

可选的，所述步骤S4进一步包括：

S42.令k=k+1；

S43.采集转子位移x(k)；

S44.计算经过低频抑制后的信号：

x_R(k)=b₁x(k)+b₂u_B(1)+b₃u_B(2)-a₂x_B(1)-a₃x_B(2)

可选的，所述步骤S7包括：

S71.按照下式进行缓存移位：

u_B(2)=u_B(1),u_B(1)=x(k)

x_B(2)=x_B(1),x_B(1)=x_R(k)

S72.返回步骤（2）。

可选的，在步骤S1之前还包括：

本发明通过对控制器进行相位补偿，消除了磁力轴承中的可能存在的低频振荡。本发明的技术方案实现简单，效果良好，尤其适合于解决难以从根源上消除的低频振荡问题。本发明通过对磁力轴承系统控制器的相位进行补偿实现抑制低频振动的目的，对控制器的放大倍数影响很小，对补偿频带以外的相位影响也很小，也就是说，本发明基本不影响控制器的性能，也不影响整个磁力轴承系统的工作性能。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种磁力轴承控制系统，其包括有转子，特征在于还包括：

转子位置监测单元，用于记录转子位置振荡波形，并根据所述振荡波形计算系统振荡频率f_O；

参数计算单元，用于设定采样周期T_S，相位补偿频带半频宽f_B，根据系统振荡频率f_O、采样周期T_S以及相位补偿频带半频宽f_B计算低频振荡抑制单元参数，所述低频振荡抑制单元参数包括a₀，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃；

其中，

a_{0} = 4 + {4 T}_{S} f_{o} + T_{S}^{2} f_{o}^{2} + {4 π}^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}

，

a_{2} = (- 8 + {2 T}_{S}^{2} f_{o}^{2} + {8 π}^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0}

，

a_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{o} + T_{S}^{2} f_{o}^{2} + {2 π}^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0}

，

b_{1} = (4 + 4 T_{S} f_{o} + T_{S}^{2} f_{o}^{2} + {4 π}^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0}

，

b_{2} = (- 8 + {2 T}_{S}^{2} f_{o}^{2} + {8 π}^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0}

，

b_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{o} + T_{S}^{2} f_{o}^{2} + {4 π}^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0}

，f₁=f_O-f_B，f₂=f_O+f_B；

位移传感器单元，用于采集转子的位移值；

低频振荡抑制单元，用于根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数计算经过低频抑制后的信号，具体为：

初始化迭代步数k=0，信号缓存x_B(1)=x_B(2)=0，输出缓存u_B(1)=u_B(2)=0；

令k=k+1；

采集转子位移x(k)；

计算经过低频抑制后的信号：

x_R(k)=b₁x(k)+b₂u_B(1)+b₃u_B(2)-a₂x_B(1)-a₃x_B(2)；

转子悬浮单元，用于根据所述电流值悬浮所述转子。

2.如权利要求1所述的磁力轴承控制系统，其特征在于还包括振荡判断单元，用于判断磁力轴承是否发生振荡。

3.如权利要求1或2所述的磁力轴承控制系统，其特征在于在发生振荡的情况下，启动所述转子位置检测单元和低频振荡抑制单元。

4.一种磁力轴承控制方法，其特征在于包括如下步骤：

S2.设定采样周期T_S，相位补偿频带半频宽fB，根据系统振荡频率fO、采样周期TS以及相位补偿频带半频宽fB计算低频振荡抑制单元参数，所述低频振荡抑制单元参数包括a0，a2，a3，b1，b2，b3；

其中，

a_{0} = 4 + {4 T}_{S} f_{o} + T_{S}^{2} f_{o}^{2} + {4 π}^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}

，

a_{2} = (- 8 + {2 T}_{S}^{2} f_{o}^{2} + {8 π}^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0}

，

a_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{o} + T_{S}^{2} f_{o}^{2} + {2 π}^{2} T_{S}^{2} f_{2}^{2}) / a_{0}

，

b_{1} = (4 + 4 T_{S} f_{o} + T_{S}^{2} f_{o}^{2} + {4 π}^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0}

，

b_{2} = (- 8 + {2 T}_{S}^{2} f_{o}^{2} + {8 π}^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0}

，

b_{3} = (4 - 4 T_{S} f_{o} + T_{S}^{2} f_{o}^{2} + {4 π}^{2} T_{S}^{2} f_{1}^{2}) / a_{0}

，f₁=f_O-f_B，f₂=f_O+f_B；

S3.采集转子的位移值；

S4.根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数计算经过低频抑制后的信号，具体为：

令k=k+1；

采集转子位移x(k)；

计算经过低频抑制后的信号：

x_R(k)=b₁x(k)+b₂u_B(1)+b₃u_B(2)-a₂x_B(1)-a₃x_B(2)；

S6.根据所述电流值悬浮所述转子。

5.如权利要求4所述的磁力轴承控制方法，其特征还在于在步骤S6之后还包括步骤：

6.如权利要求5所述的磁力轴承控制方法，其特征还在于，所述步骤S7包括：

S71.按照下式进行缓存移位：

u_B(2)=u_B(1),u_B(1)=x(k)

x_B(2)=x_B(1),x_B(1)=x_R(k)

S72.返回步骤S2。

7.如权利要求4所述的磁力轴承控制方法，其特征还在于在步骤S1之前还包括：