CN103174746A - 一种主动型磁悬浮轴承系统及控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动型磁悬浮轴承系统，包括：磁悬浮轴承本体，用于实现转轴的悬浮；位移传感器，用于采集转子的位移信息；控制器模块，与所述功放大器模块连接，用于控制定子电磁铁中电流的大小与方向；功率放大器模块，与所述磁悬浮转轴本体连接，用于在控制绕组中产生相应的电流。根据偏置磁场建立方式的不同，永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料来建立偏置磁场，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗。较好的适应了磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，并极好的发挥了优势。此外，本发明结构简单，操作方便，稳定性和可靠性强。
Description
技术领域
本发明属于电磁电路领域，尤其涉及一种主动型磁悬浮轴承系统及控制电路。
背景技术
根据悬浮力是否可以主动控制，磁悬浮轴承可划分为两种类型：被动型磁悬浮轴承和主动型磁悬浮轴，被动型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力(如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间)来实现转轴的悬浮。其结构简单，功率损耗少，但阻尼与刚度也相对较小。除超导磁悬浮轴承外，单纯采用被动型磁悬浮轴承是无法实现物体的稳定平衡的，至少会留下一个自由度是不稳定的，因此需要在一个方向上采用机械轴承或主动型磁悬浮轴承才能实现稳定的悬浮，为了简化磁悬浮轴承系统的结构并降低功率损耗，通常在负载较小，对位移控制精度要求不高的场合采用被动型磁悬浮轴承；主动型磁悬浮轴承主要是通过主动控制定、转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，在主动型磁悬浮轴承中存在控制磁场和偏置磁场，根据偏置磁场建立方式的不同，主动型磁悬浮轴承可分为电磁偏置型与永磁偏置型。永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料来建立偏置磁场，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗，随着磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，混合型磁悬浮轴承的特点使它在这些领域有着不可替代的优势。
发明内容
本发明的目的在于利用一种主动型磁悬浮轴承系统及控制电路，旨在解决现有对磁悬浮轴承性能要求高的问题。
本发明的目的在于提供一种主动型磁悬浮轴承系统，所述主动型磁悬浮轴承系统包括：
磁悬浮轴承本体，用于实现转轴的悬浮；
位移传感器，与所述控制器模块连接，用于采集转子的位移信息；
控制器模块，与所述功放大器模块连接，用于控制定子电磁铁中电流的大小与方向；
功率放大器模块，与所述磁悬浮转轴本体连接，用于在控制绕组中产生相应的电流。
进一步、所述磁悬浮轴承本体还包括电磁铁和转子。
进一步、所述功率放大器模块还包括线性放大器模块和开关功率放大器模块。
进一步、所述控制器模块采用模拟PID控制器。
进一步、所述位移传感器采用电涡流位移传感器。
进一步、所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的比例电路的具体连接为：运算放大器IC4的正向输入端3引脚经过电阻R13接地，运算放大器IC4的反向输入端2引脚一部分经过电阻R11接输入电源Ui，同时一部分经过电阻R12连接到滑动变阻器Rw2的滑动端a端，运算放大器IC4的输出端6引脚一部分经过滑动变阻器Rw2接地，一部分接输出电源U1。
进一步、所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的积分电路的具体连接为：运算放大器IC5的正向输入端3引脚经过电阻R14接电源U1，运算放大器IC5的反向输入端2引脚经过滑动变阻器Rw3接地，在滑动变阻器Rw3与运算放大器IC5的反向输入端2引脚连接的一端与滑动变阻器Rw3的滑动端b端，同时滑动变阻器Rw3的滑动端b端经过电容C11与运算放大器IC5的输出端6引脚引脚相连，运算放大器IC5的输出端输出电源U2。
进一步、所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的微分电路的具体连接为：运算放大器的正向输入端3引脚经过电阻R15接电源U1，运算放大器的反向输入端2引脚一部分经过电阻R16、电容C2直接接地，同时一部分经过电阻R17连接运算放大器的输出端6引脚，运算放大器的输出端输出电源U3，同时运算放大器的输出端与电阻R16、电容C2之间处连接有滑动变阻器Rw4，在滑动变阻器Rw4与运算放大器的输出端6引脚连接的一端处连接到滑动变阻器Rw4的滑动端c端。
本发明提供的主动型磁悬浮轴承系统及控制电路，根据偏置磁场建立方式的不同，永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料来建立偏置磁场，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗。较好的适应了磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，并极好的发挥了优势，此外，本发明结构简单，操作方便，稳定性和可靠性强，有着很好的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的主动型磁悬浮轴承系统的结构框图；
图2是本发明实施例提供的主动型磁悬浮轴承系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的控制器模块的比例电路图；
图4是本发明实施例提供的控制器模块的积分电路图；
图5是本发明实施例提供的控制器模块的微分电路图；
图6是本发明实施例提供的混合型轴向径向磁悬浮轴承拓扑结构正视图；
图7是本发明实施例提供的混合型轴向径向磁悬浮轴承拓扑结构左视图；
图8是本发明实施例提供的永磁偏置型轴向-径向磁悬浮轴承的控制磁场与偏置磁场示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种主动型磁悬浮轴承系统，该主动型磁悬浮轴承系统包括：
磁悬浮轴承本体，用于实现转轴的悬浮；
位移传感器，与控制器模块连接，用于采集转子的位移信息；
控制器模块，与功放大器模块连接，用于控制定子电磁铁中电流的大小与方向；
功率放大器模块，与磁悬浮转轴本体连接，用于在控制绕组中产生相应的电流。
作为本发明实施例的一优化方案，磁悬浮轴承本体还包括电磁铁和转子。
作为本发明实施例的一优化方案，功率放大器模块还包括线性放大器模块和开关功率放大器模块。
作为本发明实施例的一优化方案，控制器模块采用模拟PID控制器。
作为本发明实施例的一优化方案，位移传感器采用电涡流位移传感器。
作为本发明实施例的一优化方案，主动型磁悬浮轴承控制器模块的比例电路的具体连接为：运算放大器IC4的正向输入端3引脚经过电阻R13接地，运算放大器IC4的反向输入端2引脚一部分经过电阻R11接输入电源Ui，同时一部分经过电阻R12连接到滑动变阻器Rw2的滑动端a端，运算放大器IC4的输出端6引脚一部分经过滑动变阻器Rw2接地，一部分接输出电源U1。
作为本发明实施例的一优化方案，主动型磁悬浮轴承控制器模块的积分电路的具体连接为：运算放大器IC5的正向输入端3引脚经过电阻R14接电源U1，运算放大器IC5的反向输入端2引脚经过滑动变阻器Rw3接地，在滑动变阻器Rw3与运算放大器IC5的反向输入端2引脚连接的一端与滑动变阻器Rw3的滑动端b端，同时滑动变阻器Rw3的滑动端b端经过电容C11与运算放大器IC5的输出端6引脚引脚相连，运算放大器IC5的输出端输出电源U2。
作为本发明实施例的一优化方案，主动型磁悬浮轴承控制器模块的微分电路的具体连接为：运算放大器的正向输入端3引脚经过电阻R15接电源U1，运算放大器的反向输入端2引脚一部分经过电阻R16、电容C2直接接地，同时一部分经过电阻R17连接运算放大器的输出端6引脚，运算放大器的输出端输出电源U3，同时运算放大器的输出端与电阻R16、电容C2之间处连接有滑动变阻器Rw4，在滑动变阻器Rw4与运算放大器的输出端6引脚连接的一端处连接到滑动变阻器Rw4的滑动端c端。
作为本发明实施例的一优化方案，
作为本发明实施例的一优化方案，
作为本发明实施例的一优化方案，
以下参照附图1，对本发明实施例主动型磁悬浮轴承系统及控制电路作进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明实施例的主动型磁悬浮轴承系统主要由磁悬浮轴承本体1、位移传感器2、控制器模块3和功率放大器模块4组成；磁悬浮轴承本体1，即包括电磁铁和转子，与位移传感器2相连接；位移传感器2，用于采集转子的位移信息，与控制器3相连；控制器3，根据转轴的位移信号来实时控制定子电磁铁中电流的大小与方向，与功率放大器4相连接；功率放大器4，根据控制器的输出信号在控制绕组中产生相应的电流，与磁悬浮轴承本体1的电磁铁相连接。
如图3所示，为PID控制器中的比例电路图。运算放大器IC4的正向输入端3引脚经过电阻R13接地，运算放大器IC4的反向输入端2引脚一部分经过电阻R11接输入电源Ui，同时一部分经过电阻R12连接到滑动变阻器Rw2的滑动端a端，
运算放大器IC4的输出端6引脚一部分经过滑动变阻器Rw2接地，一部分接输出电源U1。
比例电路的传递函数为：
当上式中a从0调到1时，可改变输入电压的放大倍数。
如图4所示，为PID控制器中的积分电路图。运算放大器IC5的正向输入端3引脚经过电阻R14接电源U1，运算放大器IC5的反向输入端2引脚经过滑动变阻器Rw3接地，在滑动变阻器Rw3与运算放大器IC5的反向输入端2引脚连接的一端与滑动变阻器Rw3的滑动端b端，同时滑动变阻器Rw3的滑动端b端经过电容C11与运算放大器IC5的输出端6引脚引脚相连，运算放大器IC5的输出端输出电源U2。
积分电路的传递函数为：
当上式中b从0调到1时，可改变输入电压的放大倍数。
如图5所示，为PID控制器中的微分电路图。运算放大器的正向输入端3引脚经过电阻R15接电源U1，运算放大器的反向输入端2引脚一部分经过电阻R16、电容C2直接接地，同时一部分经过电阻R17连接运算放大器的输出端6引脚，运算放大器的输出端输出电源U3，同时运算放大器的输出端与电阻R16、电容C2之间处连接有滑动变阻器Rw4，在滑动变阻器Rw4与运算放大器的输出端6引脚连接的一端处连接到滑动变阻器Rw4的滑动端c端。
其传递函数为：
当上式中c从0调到1时，可改变输入电压的放大倍数。
如图6和图7所示，本发明中的轴向-径向磁悬浮轴承采用永磁偏置型磁悬浮轴承，其拓扑结构如图7所示，其中，定子套筒5、转子铁心7、定子圆盘11、轴向磁极10均由实心软磁材料制成，定子磁轭9、径向磁极8由硅钢片叠压而成。四个径向气隙位于径向磁极8与转子铁心7之间，径向气隙中存在偏置磁场与径向控制磁场；两个轴向气隙位于轴向磁极10与转子铁心7之间，轴向气隙中存在偏置磁场与轴向控制磁场，永磁环由钕铁硼制成，轴向控制绕组14与径向控制绕组6由漆包线绕制而成。
如图8所示，悬浮轴承内部的控制磁场与偏置磁场，径向充磁的永磁环(外N极内S极)通过定子套筒5、定子圆盘11、轴向磁极10、轴向气隙、转子铁心7、径向气隙、径向磁极8及定子磁轭9形成闭合磁路，在磁悬浮轴承中建立偏置磁场，偏置磁场的方向与分布如图8(c)所示，由于结构的对称性，当转子铁心7位于中心位置，控制电流为零时，四个径向气隙与两个轴向气隙中的偏置磁场磁通密度分别相等，转子铁心7受到的悬浮力为零；轴向自由度的悬浮原理分析如下：轴向控制绕组14中通入电流的方向及产生的控制磁场如图8(a)所示。控制磁场通过定子套筒5、定子圆盘11、轴向磁极10、轴向气隙及转子铁心7形成闭合磁路；结合图8(c)可知：左轴向气隙中控制磁场与偏置磁场方向相同，磁场增强；右轴向气隙中控制磁场与偏置磁场方向相反，磁场减弱，此时，转子铁心7受到的悬浮力向左。若轴向控制绕组14中通入的电流的方向与图中所示相反，则转子铁心7受到的悬浮力向右；因此，只要转子铁心7受到的轴向负载不超过磁悬浮轴承的承载力，轴向-径向磁悬浮轴承都能产生大小和方向可控的轴向悬浮力，实现转子铁心7在轴向的稳定悬浮；径向自由度的控制原理分析如下：以垂直方向为例，上下两个径向磁极上的控制绕组串联相接，且通电后产生的磁场方向一致。垂直方向控制绕组中通入电流的方向及产生的控制磁场如图8(b)所示，控制磁场通过径向磁极8、定子磁轭9、径向气隙及转子铁心7形成闭合磁路；结合图8(c)可知，上径向气隙中控制磁场与偏置磁场方向相反，磁场减弱；下径向气隙中控制磁场与偏置磁场方向相同，磁场增强，此时，转子铁心7受到的悬浮力向下。若通入的电流方向与图中所示相反，则转子铁心7受到的悬浮力向上；因此，只要转子铁心7受到的径向负载不超过磁悬浮轴承的承载力，轴向-径向磁悬浮轴承都能产生大小和方向可控的径向悬浮力，实现转子铁心7在径向的稳定悬浮；本发明中的位移传感器2采用电涡流位移传感器，它是一种非接触的线性化计量工具，电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流位移传感器系统中的前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场，当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
主动型磁悬浮轴承的工作原理为：控制器模块3根据转轴的位移信号来实时控制定子电磁铁中电流的大小与方向，使转轴稳定悬浮于某一位置，因此一套完整的主动型磁悬浮轴承系统通常由磁悬浮轴承本体1、位移传感器2、控制器模块3以及功率放大器模块4组成。
本发明的使用原理为：控制器模块3采用模拟PID控制器，PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定，PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，这个控制器模块3把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值，和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定，本发明中的功率放大器模块4为磁悬浮轴承专用功率放大器，其作用是根据控制器的输出信号在控制绕组中产生相应的电流，从而产生一定的悬浮力，使得转子稳定悬浮在平衡位置，按器件和工作原理不同，功率放大器模块4可分为线性功率放大器和开关功率放大器。开关功放的拓扑结构主要有单臂式、半桥式和全桥式以及它们的改进形式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述主动型磁悬浮轴承系统包括：
磁悬浮轴承本体，用于实现转轴的悬浮；
位移传感器，与所述控制器模块连接，用于采集转子的位移信息；
控制器模块，与所述功放大器模块连接，用于控制定子电磁铁中电流的大小与方向；
功率放大器模块，与所述磁悬浮转轴本体连接，用于在控制绕组中产生相应的电流。
2.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述磁悬浮轴承本体还包括电磁铁和转子。
3.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述功率放大器模块还包括线性放大器模块和开关功率放大器模块。
4.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述控制器模块采用模拟PID控制器。
5.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述位移传感器采用电涡流位移传感器。
6.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的比例电路的具体连接为：
运算放大器IC4的正向输入端3引脚经过电阻R13接地，运算放大器IC4的反向输入端2引脚一部分经过电阻R11接输入电源Ui，同时一部分经过电阻R12连接到滑动变阻器Rw2的滑动端a端，运算放大器IC4的输出端6引脚一部分经过滑动变阻器Rw2接地，一部分接输出电源U1。
7.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的积分电路的具体连接为：
运算放大器IC5的正向输入端3引脚经过电阻R14接电源U1，运算放大器IC5的反向输入端2引脚经过滑动变阻器Rw3接地，在滑动变阻器Rw3与运算放大器IC5的反向输入端2引脚连接的一端与滑动变阻器Rw3的滑动端b端，同时滑动变阻器Rw3的滑动端b端经过电容C11与运算放大器IC5的输出端6引脚引脚相连，运算放大器IC5的输出端输出电源U2。
8.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的微分电路的具体连接为：
运算放大器的正向输入端3引脚经过电阻R15接电源U1，运算放大器的反向输入端2引脚一部分经过电阻R16、电容C2直接接地，同时一部分经过电阻R17连接运算放大器的输出端6引脚，运算放大器的输出端输出电源U3，同时运算放大器的输出端与电阻R16、电容C2之间处连接有滑动变阻器Rw4，在滑动变阻器Rw4与运算放大器的输出端6引脚连接的一端处连接到滑动变阻器Rw4的滑动端c端。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130626 |