CN103573814B - 一种混合磁力轴承及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合磁力轴承及控制方法。解决现有混合磁轴承不能对磁极进行动态分配，平衡性不足的问题。混合磁力轴承包括定子、转子和控制系统，定子包括永磁体阵列和电磁体阵列，电磁体阵列至少由6个以上偶数个电磁体构成，控制系统包括开关对、功放驱动器、数字信号处理器，数字信号处理器包括相连接的ADC单元和CPU单元，每个开关对分别对应连接在一个电磁体线圈上，ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对。本发明的优点是能对磁极属性进行动态分配控制，使得磁轴承的平衡性更好；采用自传感技术，保证了转子系统的稳定性，降低了成本，无需占用空间，维护及校准简单。

Description

一种混合磁力轴承及控制方法

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承领域，尤其是涉及一种对轴承磁极进行多态分配、平衡性更好混合磁力轴承及控制方法。

背景技术

磁悬浮轴承又简称为磁轴承，是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的运转转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑和无污染等优点，特别适合高速、真空、超洁净和核等特殊的应用场合。

磁悬浮轴承按照磁力的提供方式，可分为主动磁轴承(AMB，ActiveMagneticBearing)、被动磁轴承(PMB，PassiveMagneticBearing)和混合磁轴承(HMB，HybridMagneticBearing)。

混合磁轴承利用永久磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，又称为永磁偏置磁轴承，具有降低功率放大器的功耗，减少电磁铁的匝数，缩小磁轴承的体积等优点；同时其电磁线圈就成为了控制线圈，具备更加灵活的控制性能，与之配套的功放也可以进一步减小体积、降低功耗。

目前有许多混合磁轴承，其一般结构包括定子、转子，定子上同一圆周平面上一般只设置3到4个磁极，其在控制上只能是通过控制这些磁极的弹性力来调节转子的平衡，但转子在转动过程中可能会出现陀螺现象，尤其是章动模态，导致磁轴承不平衡，但由于现有磁轴承只能控制磁极表现为支承特性，不易调节，容易造成磁轴承损坏。另外现有混合磁轴承对于转子位置的检测都需要在轴承内放置转子位移传感器，以满足检测要求，但存在传感器成本高，安装及布线占空间，维护及校准比较困难。

如专利号为201220379576.X，名称为一种径向磁轴承电涡流传感器一体化结构的中国实用新型专利，其包括四路径向位移传感器探头、控制转子悬浮的永磁偏置混合磁轴承，该永磁偏置混合磁轴承包括两层的磁极和中间的永磁体构成，每次磁极具有四个，在同一圆周上相隔90度分布。该磁轴承在控制上就是通过控制磁极上的支承力来调节转子的平衡。该专利就存在上述的缺点：定子上同一圆周平面上一般只设置3到4个磁极，在控制上只能通过控制这些磁极的弹性力来调节转子的平衡，但转子在转动过程中可能会出现陀螺现象，尤其是章动模态，导致磁轴承不平衡，不易调节，甚至造成磁轴承损坏；需要在轴承内需放置转子位移传感器来检测转子位置，存在传感器成本高，安装及布线占空间，维护及校准比较困难。

发明内容

本发明主要是解决现有混合磁轴承只能通过控制磁极的支承力来调节转子平衡，不能对磁极进行动态分配，平衡性不足的问题，提供了一种将支承和阻尼属性分离，并能对磁极进行支承和阻尼属性动态分配，平衡性更好的混合磁力轴承，以及该轴承的控制方法。

本发明另一发明目的是解决了现有混合磁轴承检测转子位子需要在轴承内设置转子位移传感器，成本高，安装及布线占空间，维护及校准困难的问题，提供了一种采用自传感技术的混合磁力轴承，以及该轴承的控制方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种混合磁力轴承，包括定子、转子和控制系统，定子包括环绕转子外的永磁体阵列和电磁体阵列，电磁体阵列至少由6个以上偶数个电磁体构成，每个电磁体形成一个磁极，所述控制系统包括与电磁体数量对应的开关对、功放驱动器、数字信号处理器，所述数字信号处理器包括有ADC单元和CPU单元，所述ADC单元与CPU单元连接，所述每个开关对分别对应连接在一个电磁体线圈上，所述ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，所述CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对，

ADC单元：对各电磁体线圈上的电流进行采集，并将这些采集的信息进行模式转换后发送给CPU单元进行处理；

CPU单元：对各电磁体线圈处采集的电流值进行计算处理后得到转子相对各磁极的位移值和位移变化量，CPU单元根据位置值和位移变化量分析转子振动量和章动模态量情况，并判断是否提高相应磁极弹性力以及增加相应磁极的阻尼力，然后CPU单元发送指令给功放驱动器，由功放驱动器控制对应磁极的开关对工作，控制各磁极线圈上的电流大小，从而控制转子系统的弹性力或阻尼力，同时功放驱动器还通过控制开关对工作，在各磁极线圈上叠加自传感所需的高频小信号。多个电磁体环绕构成电磁体阵列，一个电磁体形成一个磁极，形成了多磁极。电磁极对于气隙宽度变化产生支撑刚度即表现为弹性力，并能对转子速度变化产生对应的阻尼。控制电流可以使磁极支撑刚度变为零，从而完全表现为电磁阻尼，因此可以控制相应磁极表现为支撑刚度磁极或是支撑阻尼磁极。采用至少6组以上的偶数组电磁体，本发明控制系统通过控制实现了对这些磁极进行动态分布，使得一些磁极表现为支撑刚度磁极，一些磁极表现为阻尼磁极，将支撑刚度和阻尼分开，实现两者独立。在保持转子平衡的同时，还能通过电磁阻尼的磁极有效抑制强陀螺效应中的章动模态，明显减少转的振动，使得磁轴承的平衡性更好，满足高精度加工的特殊要求。传统磁力轴承转子位置的检测是大多数的都是通过电涡流传感器来完成的，可以满足检测的要求，但存在传感器成本高，安装及布线占空间，维护及校准比较困难，本发明控制系统对转子位移的检测采用自传感技术，内部无需放置任何转子位移传感器，而是通过在线圈上加载高频小信号实现，这使得本发明传感器和轴承磁极的工作面完全重合，这种自传感的方式实现了无相差测量，保证了转子系统的稳定性。功放驱动器控制开关对在线圈上产生自传感所需的高频信号，也产生对电磁体控制的控制电流信号，两个信号是叠加的。

作为一种优选方案，所述开关对连接在电源上，开关对包括两个串联的开关，每个电磁体对应连接一个开关对，电磁体的线圈一端接中心电位点，另一端连接至其对应的开关对两个开关连接之间，所述ADC单元还连接到各开关对与电源负极连接点上。电磁体线圈采用多相星形连接，运用平衡电阻网络构建中心电位，使得各相独立控制，为控制解耦算法提供方便。开关对连接在直流电源正负极间，正电压V_DC+和负电压V_DC-给定的电流加载在电磁体的线圈上，功放驱动器发送驱动信号控制各开关对工作，通过控制开关功率管的电压占空比的不同而产生周期内平均值不同的电流，从而控制线圈上的电流大小。功放驱动器的PWM信号的驱动方式可以有两种：其一是通过正弦波对三角波的调制产生；载波正弦波的初相位使磁极相位依次相差60度并调制其工作电压幅值来形成磁场偏向力，该工作方式是一种交流驱动的磁力相变轴承。其二是通过对各相线圈独立工作其工作电流，形成稳定且可动态调整的电磁场，从而形成磁场偏向力，该工作方式是一种直流或准直流驱动的磁力轴承。功放驱动器的PWM信号，通过改变载波频率使得PWM信号的频率覆盖从低频到高频的叫宽频带，以此来适应磁轴承转子从低速到高速的运行调节。另外数字信号处理器连接至各开关对与电源负极连接的点上，对该点电压进行采集分析，以提供过流保护。

一种混合磁力轴承的控制方法，采用权利要求1或2中磁力轴承，包括对转子位移的检测，对磁极弹性力或阻尼力的调节

转子位移的检测过程为：由CPU单元控制多相开关给各电磁体线圈加载高频小信号，在线圈上产生反应转子位移信号的感生电流，ADC单元采集各电磁体线圈上的电流，传输给CPU单元，CPU单元对采样电流值进行计算得到各电磁体相对转子的位移值和位移变换量；在电磁体线圈上加载高频小信号，在线圈上产生检测磁场，检测磁场在转子上产生涡流，涡流磁场在线圈上产生感生电流，即反应转子位移信号。本发明对转子位移的检测采用自传感技术，内部无需放置任何转子位移传感器，而是通过在线圈上加载高频小信号实现，这使得本发明传感器和轴承磁极的工作面完全重合，这种自传感的方式实现了无相差测量，保证了转子系统的稳定性。本发明自传感所需要的高频小信号，通过线圈产生检测磁场，该磁场相对较弱但变换频率较高，与控制磁场是加性叠加关系。

磁极弹性力或阻尼力的调节：

CPU单元通过位移值和位移变换量计算出转子振动量和章动模态量，将振动量与设定的振动量标准值进行比较；

若振动量大于标准值，则根据位移值信息通过功放驱动器控制相应的表现为弹性力的电磁体线圈上开关对工作状态，改变相应电磁体线圈上的电流，提高相应电磁体的弹性力，直到计算得到的振动量不大于标准值为止；

若振动量不大于标准值，将章动模态量与设定的章动模态量标准值进行比较，若章动模态量大于标准值，则通过功放驱动器控制相应的表现为阻尼力的电磁体线圈上开关对工作状态，改变相应电磁体线圈上的电流，提高相应电磁体的阻尼力，直到计算得到的章动模态量不大于标准值为止。将实时检测到的转子位移量与CPU单元内设定的位移量标准值进行比较，能够计算出转子振动量和章动模态量。电磁体磁极电磁力f与电磁体线圈上控制电流I关系为：其中μ₀是真空磁导率，S是磁路面积，N是线圈匝数，I是线圈加载电流，C₀是电磁体和转子间的初始间隙，L为磁路长度，μ_r是磁性材料的相对磁导率。通过该公式可以计算出表现为弹性力的电磁体在X方向上的电磁合力以及Y方向上的电磁合力。根据阻尼系数可以算出表现为阻尼力的电磁体的阻尼力，该阻尼力与表现为阻尼力的电磁体线圈上控制电流相关。这样就能得到X方向以及Y方向上的平衡控制方程，则通过控制相应电磁体线圈上控制电流使得X方向和Y方向的平衡控制方程的值与正常工作状态下X方向和Y方向的电磁力相等，即实现了平衡控制以及对强陀螺效应的消弭。

作为一种优选方案，所述CPU单元对各电磁铁线圈采样的电流值信息的计算包括：对信息进行抗混叠滤波、快速傅里叶变换、kalman滤波和二阶离散TD，该计算的具体过程为：

a.设置一个或多个测量周期内的采样点数N和采样频率

$f_{s\min }=2\·\frac{{\mathrm{\Ω}}_{max}}{60};$

b.经过ADC单元采样后形成离散的序列i(nT)，记作将转速2倍信号用低通滤波信号滤去得到位移电流信号；

c.若对应某转速Ω下的i(n)是一个以转速为周期的序列，则 $i\left(n\right)=\{\begin{array}{cc}{i}_p\left(n\right)& (0\≤n\≤N-1)\\ 0& else\end{array}=i_p{\left(n\right)}_{N}R\left(n\right),$ 其中N为转速Ω对应下的周期；

d.利用离散傅里叶的频移性质，得到主序列的离散傅里叶变换的形式：I(k)＝{I_p(k-l)R_N(k)+I_p(k+l)R_N(k)}/2，其中

R_N(k)为矩形脉冲序列；

e.利用kalman滤波器加窗取出其中一个序列来代表位移序列，如

I_x(k)＝I_p(k-l)R_N(k)；

将转速的2倍频信号用低通滤波信号滤去即得到位移电流信号i_x(t)；

f.将I_x(k)输入离散的二阶微分跟踪器做最速跟踪，则有： $\left\{\begin{array}{c}{z}_1(k+1)=z_1\left(k\right)+h\·z_2\left(k\right)\\ z_2(k+1)=z_2\left(k\right)+h\mathrm{\γ}\·sat(g\left(k\right),\mathrm{\δ})\end{array}\right.$

其中，

δ＝hγ,δ₁＝hδ,e(k)＝z₁(k)-I(k),w₁(k)＝e(k)+h·z₂(k)

$g\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{z}_2\left(k\right)-\mathrm{sgn}\left(w_1\right(k\left)\right)\frac{\mathrm{\γ}(h-\sqrt{\frac{8\left|z_1\left(k\right)\right|}{\mathrm{\γ}}+h^2})}{2},& \left|z_1\left(k\right)\right|>{\mathrm{\δ}}_1\\ z_2\left(k\right)+\frac{z_1\left(k\right)}{h},& \left|z_1\left(k\right)\right|\≤{\mathrm{\δ}}_1\end{array}\right..$

作为一种优选方案，还包括对电磁体阵列磁极动态分配及多组态的轮动控制，CPU单元动态分配各电磁体磁极表现为支撑或阻尼特性，根据表现为支撑特性的磁极和表现为阻尼特性的磁极的数目搭配关系，设定若干磁极组态，CPU单元对各组态进行组合搭配，对电磁体磁极实现多组态轮动控制。控制系统通过对电磁体磁极的控制，提供在空间上动态旋转的阻尼和支撑特性，使得轴承能够根据轴承所处的状态和转子转速的不同情况下由不同的组合，使得控制更加灵活。对磁极的动态分配，如采用6磁极，则可分配为6极支撑组态或阻尼组态，即6个磁极都表现为支撑属性或阻尼属性。或者可以分配为2+4组态，即四个对称的磁极表现为支撑属性，另两个磁极表现为阻尼属性。或者可以分配为双三角3+3组态，三个位于正三角形三角的磁极表现为支撑属性，另外三个磁极表现为阻尼属性。轮动控制是将各组态进行组合排列，然后CPU单元按照该设定好的各组态排列情况对磁极进行相应的轮动控制。

因此，本发明的优点是：1.将磁极支承和阻尼属性分开，实现独立，能够对磁极属性进行动态分配控制，有效抑制强陀螺效应中的章动模态，明显减少转的振动，使得磁轴承的平衡性更好，满足高精度加工的特殊要求；2.对转子位移的检测采用自传感技术，内部无需放置任何转子位移传感器，使得传感器和轴承磁极的工作面完全重合，实现了无相差测量，保证了转子系统的稳定性，降低了成本，无需占用空间，维护及校准简单。

附图说明

附图1是本发明中控制系统的一种结构示意图；

附图2是本发明中控制方法的一种流程示意图；

附图3是本发明中6极的一种简易结构示意图。

1-数字信号处理器2-开关对3-功放驱动器4-ADC单元5-CPU单元

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种混合磁力轴承，以及该磁力轴承控制方法，轴承包括定子、转子和控制系统，定子包括环绕转子外的永磁体阵列和电磁体阵列，电磁体阵列至少由6个以上偶数个电磁体构成，每个电磁体形成一个磁极。本实施例中以6极轴承为例，如图1所示，控制系统包括与6个开关对、功放驱动器3、数字信号处理器1，数字信号处理器1包括有ADC单元4和CPU单元5，ADC单元与CPU单元连接，每个开关对分别对应连接在一个电磁体线圈上，ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对。该开关对连接在电源上，每个开关对包括两个串联的开关，每个电磁体对应连接一个开关对，电磁体的线圈一端接地，另一端连接至其对应的开关对两个开关连接之间，ADC单元还连接到各开关对与电源负极连接点上。在这些开关对中，三个开关对并联在一起，这样形成两个六相开关，由两个PWM控制。在两个六相开关与电源负极之间分别连接有电阻Rsamp1和电阻Rsamp2，ADC单元还分别连接至这两个六相开关与电源负极之间上。

ADC单元：对各电磁体线圈上的电流进行采集，并将这些采集的信息进行模式转换后发送给CPU单元进行处理；

CPU单元：对各电磁体线圈处采集的电流值进行计算处理后得到转子相对各磁极的位移值和位移变通率，CPU单元根据位置值和位移变通量分析转子振动量和章动模态量情况，并判断是否提高相应磁极弹性力以及增加相应磁极的阻尼力，然后CPU单元发送指令给功放驱动器，由功放驱动器控制对应磁极的开关对工作，控制各磁极线圈上的电流大小，从而控制磁极上弹性力或阻尼力，同时功放驱动器还通过控制开关对工作，在各磁极线圈上产生自传感所需的高频小信号。

磁轴承控制系统的控制方法为：

包括对转子位移的检测，对磁极弹性力或阻尼力的调节

转子位移的检测过程为：由CPU单元控制多相开关给各电磁体线圈加载高频小信号，在线圈上产生反应转子位移信号的感生电流，ADC单元采集各电磁体线圈上的电流，传输给CPU单元，CPU单元对采样电流值进行计算得到各电磁体相对转子的位移值和位移变换量；

CPU单元对采样电流值信息计算包括对信息进行抗混叠滤波、快速傅里叶变换、kalman滤波和二阶离散TD。

该计算的具体过程为：

a.设置一个或多个测量周期内的采样点数N和采样频率

$f_{\mathrm{sm}in}=2\·\frac{{\mathrm{\Ω}}_{max}}{60};$

b.经过ADC单元采样后形成离散的序列i(nT)，记作将转速2倍信号用低通滤波信号滤去得到位移电流信号；

c.若对应某转速Ω下的i(n)是一个以转速为周期的序列，则 $i\left(n\right)=\{\begin{array}{cc}{i}_p\left(n\right)& (0\≤n\≤N-1)\\ 0& else\end{array}=i_p{\left(n\right)}_{N}R\left(n\right),$ 其中N为转速Ω对应下的周期；

d.利用离散傅里叶的频移性质，得到主序列的离散傅里叶变换的形式：I(k)＝{I_p(k-l)R_N(k)+I_p(k+l)R_N(k)}/2，其中

R_N(k)为矩形脉冲序列；

e.利用kalman滤波器加窗取出其中一个序列来代表位移序列，如

I_x(k)＝I_p(k-l)R_N(k)；

将转速的2倍频信号用低通滤波信号滤去即得到位移电流信号i_x(t)；

f.将I_x(k)输入离散的二阶微分跟踪器做最速跟踪，则有： $\left\{\begin{array}{c}{z}_1(k+1)=z_1\left(k\right)+h\·z_2\left(k\right)\\ z_2(k+1)=z_2\left(k\right)+h\mathrm{\γ}\·sat(g\left(k\right),\mathrm{\δ})\end{array}\right.$

其中，

δ＝hγ,δ₁＝hδ,e(k)＝z₁(k)-I(k),w₁(k)＝e(k)+h·z₂(k)

$g\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{z}_2\left(k\right)-\mathrm{sgn}\left(w_1\right(k\left)\right)\frac{\mathrm{\γ}(h-\sqrt{\frac{8\left|z_1\left(k\right)\right|}{\mathrm{\γ}}+h^2})}{2},& \left|z_1\left(k\right)\right|>{\mathrm{\δ}}_1\\ z_2\left(k\right)+\frac{z_1\left(k\right)}{h},& \left|z_1\left(k\right)\right|\≤{\mathrm{\δ}}_1\end{array}\right..$

如图2所示，磁极弹性力或阻尼力的调节：

CPU单元通过位移值和位移变换量计算出转子振动量和章动模态量，将振动量与设定的振动量标准值进行比较；

若振动量大于标准值，则根据位移值信息通过功放驱动器控制相应的表现为弹性力的电磁体线圈上开关对工作状态，改变相应电磁体线圈上的电流，提高相应电磁体的弹性力，直到计算得到的振动量不大于标准值为止；

若振动量不大于标准值，将章动模态量与设定的章动模态量标准值进行比较，若章动模态量大于标准值，则通过功放驱动器控制相应的表现为阻尼力的电磁体线圈上开关对工作状态，改变相应电磁体线圈上的电流，提高相应电磁体的阻尼力，知道计算得到的章动模态量不大于标准值位置。

CPU单元通过控制开关对，对各电磁体线圈输出控制电流，这样动态分配各电磁体磁极表现为支承或阻尼特性。其动态分配方法如下：如图3所示，6个磁极周向逆时针编号为J1、J2、J3、J4、J5、J6，6各磁极组合可以表现为如下形态：

(1)6极支承组态：J1、J2、J3、J4、J5、J6均表现为弹性支承属性。

(2)6极阻尼组态：J1、J2、J3、J4、J5、J6均表现为弹性阻尼属性。

(3)2+4组态：

①J1，J4极对表现为阻尼属性，J2，J3，J5，J6极对表现为弹性支承属性。

②J2，J5极对表现为阻尼属性，J1，J3，J4，J6极对表现为弹性支承属性。

③J3，J4极对表现为阻尼属性，J1，J2，J4，J5极对表现为弹性支承属性。

(4)双三角3+3组态：J1，J3，J5极对表现为阻尼属性或弹性支承属性，J2，J4，J6极对表现为弹性支承属性或阻尼属性。

另外，CPU单元还能对上述四种组态进行组合搭配，然后按照设定好的排列由CPU单元控制各磁极进行轮动控制。轮动控制策略为：

通过(1)，(2)，(3)(①，②，③)，(4)这几种组态构成如下循环：

A：(1)--->(3)--->(4)--->(1)大轮动循环；

B：(1)--->(3)--->(1)小轮动循环；

C：(1)--->(4)--->(1)小轮动循环；

D：①-→②-→③在(3)组态的情况下的内部小循环。

上述的A，B，C，D四种循环模式对应不同的调控状态，在一定条件下四种循环模式可以相互转换。

下面以2+4组态为例，具体说明控制系统对磁极的控制。

如图3所示，假定J1、J3、J4、J6表现为弹性支承力，J2、J5表现为阻尼力。磁极控制电流I与电磁力f的关系如下，

$f=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{SN}}^2{I}^2}{{(2C_0+L/{\mathrm{\μ}}_r)}^2}cos\mathrm{\β}$

其中μ₀是真空磁导率，S是磁路面积，N是线圈匝数，I是线圈加载电流，C₀是电磁体和转子间的初始间隙，L为磁路长度，μ_r是磁性材料的相对磁导率。

于是假设各极的磁路长度相同，在J1和J4磁极在X方向上的电磁合力为：

$f_{x14}=f_{xJ1}+f_{xJ4}={\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{SN}}^2\[\frac{{I_{J1}}^2}{{(2C_0-2x\cos \mathrm{\β}+L/{\mathrm{\μ}}_r)}^2}-\frac{{I_{J4}}^2}{{(2C_0+2x\cos \mathrm{\β}+L/{\mathrm{\μ}}_r)}^2}\]\cos \mathrm{\β}$

其中x是间隙变化量；通过以上关系可以确定阻尼与转子气隙变化和电流之间的关系。同理可得J3和J6采用差动驱动方式下x方向上电磁合力为：

$f_{x36}=f_{xJ3}+f_{xJ6}={\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{SN}}^2\[\frac{{I_{J3}}^2}{{(2C_0-2x_{J3}\cos \mathrm{\β}+L/{\mathrm{\μ}}_r)}^2}\frac{{I_{J6}}^2}{{(2C_0+2x_{J6}\cos \mathrm{\β}+L/{\mathrm{\μ}}_r)}^2}\]\cos \mathrm{\β}$

从而构成由J1，J3，J4，J6用作弹性支承力在x方向上的平衡控制，满足转子动力学方程：

$m\stackrel{\·\·}{x}=f_{x14}+f_{x36}$

其中m为转子质量。以此类推，可以计算J1，J3，J4，J6用作弹性支承力在y方向上的平衡控制：

$m\stackrel{\·\·}{y}=f_{y14}+f_{y36}$

而如若在此刻转子的陀螺效应较强，特别是章动模态，J2，J5表现的电磁阻尼力即可产生消弭章动的作用；差动驱动方式下J2，J5产生电磁力作用机理满足如下方程：

$c\stackrel{\·}{y}=f_{y25}$

其中 $c=\frac{B^2{L}^2}{R}=\frac{1}{R}{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}NL}{y}\right)}^2({I_{j2}}^2-{I_{j5}}^2),$ 这里的c是阻尼系数，R是线圈电阻。

这样可以构成y方向含阻尼的转子动力学方程：

$m\stackrel{\·\·}{y}+c\stackrel{\·}{y}=f_{y14}+f_{y36}+f_{j25}$

CPU单元内设定在X和Y方向上的平衡量；在控制过程中对相应的弹性力磁极线圈的电流进行微调，使得X方向和Y方向的平衡控制方程的值与正常工作状态下的平衡量相等，实现了平衡控制。

在转子位置发生变化时，出现转子某方向上的倾斜，处于转子两端的磁极会分别检测到转子与磁极间气隙的变化，但变化方向是相反的，在对转子位置进行调整的时候，两端的磁极上分别给出相应方向上的调整电源，使得转子位置调整更快、更准确。

本实施例中以6极轴承为例，但并不仅限于6极，还可以是8极、10极，或是更多的偶数极，它们的调节方式也是同6极相似，根据上面描述方法就可以实现，在此不再赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了数字信号处理器、开关对、功放驱动器、ADC单元、CPU单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种混合磁力轴承，包括定子、转子和控制系统，定子包括环绕转子外的永磁体阵列和电磁体阵列，电磁体阵列至少由6个以上偶数个电磁体构成，每个电磁体形成一个磁极，其特征在于：所述控制系统包括与电磁体数量对应的开关对（2）、功放驱动器（3）、数字信号处理器（1），所述数字信号处理器（1）包括有ADC单元（4）和CPU单元（5），所述ADC单元与CPU单元连接，所述每个开关对分别对应连接在一个电磁体线圈上，所述ADC单元分别连接到每个电磁体线圈上，所述CPU单元与功放驱动器连接，功放驱动器控制连接各开关对，

ADC单元：对各电磁体线圈上的电流进行采集，并将这些采集的信息进行模式转换后发送给CPU单元进行处理；

CPU单元：对各电磁体线圈处采集的电流值进行计算处理后得到转子相对各磁极的位移值和位移变化量，CPU单元根据位置值和位移变化量分析转子振动量和章动模态量情况，并判断是否提高相应磁极弹性力以及增加相应磁极的阻尼力，然后CPU单元发送指令给功放驱动器，由功放驱动器控制对应磁极的开关对工作，控制各磁极线圈上的电流大小，从而控制转子系统的上弹性力或阻尼力，同时功放驱动器还通过控制开关对工作，在各磁极线圈上叠加自传感所需的高频小信号。

2.根据权利要求1所述的一种混合磁力轴承，其特征是所述开关对（2）连接在电源上，开关对包括两个串联的开关，每个电磁体对应连接一个开关对，电磁体的线圈一端接中心电位点，另一端连接至其对应的开关对两个开关连接之间。

3.一种混合磁力轴承的控制方法，采用权利要求1或2中磁力轴承，其特征是：包括对转子位移的检测，对磁极弹性力或阻尼力的调节

转子位移的检测过程为：由CPU单元控制多相开关给各电磁体线圈加载高频小信号，在线圈上产生反应转子位移信号的感生电流，ADC单元采集各电磁体线圈上的电流，传输给CPU单元，CPU单元对采样电流值进行计算得到各电磁体相对转子的位移值和位移变化量；

磁极弹性力或阻尼力的调节：

CPU单元通过位移值和位移变化量计算和辨识出转子振动量和章动模态量，将振动量与设定的振动量标准值进行比较；

若振动量大于标准值，则根据位移值信息通过功放驱动器控制相应的表现为弹性力的电磁体线圈上开关对工作状态，改变相应电磁体线圈上的电流，提高相应电磁体的弹性力，直到计算得到的振动量不大于标准值为止；

若振动量不大于标准值，将章动模态量与设定的章动模态量标准值进行比较，若章动模态量大于标准值，则通过功放驱动器控制相应的表现为阻尼力的电磁体线圈上开关对工作状态，改变相应电磁体线圈上的电流，提高相应电磁体的阻尼力，直到计算得到的章动模态量不大于标准值为止。

4.根据权利要求3所述的一种混合磁力轴承控制方法，其特征是所述CPU单元对各电磁铁线圈采样的电流值信息的计算包括：对信息进行抗混叠滤波、快速傅里叶变换、kalman滤波和二阶离散TD，该计算的具体过程为：

a.设置一个或多个测量周期内的采样点数N和采样频率

$f_{s\min }=2\·\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\max }}{60};$

b.经过ADC单元采样后形成离散的序列i(nT)，记作

将转速2倍频信号用低通滤波信号滤去得到位移电流信号；

c.若对应某转速Ω下的i(n)是一个以转速为周期的序列，则

$i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{i}_p\left(n\right)& (0\≤n\≤N-1)\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.=i_p{\left(n\right)}_{N}R\left(n\right),$ 其中N为转速Ω对应下的周期；

d.利用离散傅里叶的频移性质，得到主序列的离散傅里叶变换的形式：I(k)＝{I_p(k-l)R_N(k)+I_p(k+l)R_N(k)}/2，其中

R_N(k)为矩形脉冲序列；

e.利用kalman滤波器加窗取出其中一个序列来代表位移序列，如

I_x(k)＝I_p(k-l)R_N(k)；

将转速的2倍频信号用低通滤波信号滤去即得到位移电流信号i_x(t)；

f.将I_x(k)输入离散的二阶微分跟踪器

做最速跟踪，则有： $\left\{\begin{array}{c}{z}_1(k+1)=z_1\left(k\right)+h\·z_2\left(k\right)\\ z_2(k+1)=z_2\left(k\right)+\mathrm{h\γ}\·\mathrm{sat}(g\left(k\right),\mathrm{\δ})\end{array}\right.$

其中，

δ＝hγ,δ₁＝hδ,e(k)＝z₁(k)-I(k),w₁(k)＝e(k)+h·z₂(k)

$g\left(k\right)=\left\{\begin{array}{c}{z}_2\left(k\right)-\mathrm{sgn}\left(w_1\left(k\right)\right)\frac{\mathrm{\γ}(h-\sqrt{\frac{8\left|z_1\left(k\right)\right|}{\mathrm{\γ}}}+h^2)}{2},\left|z_1\left(k\right)\right|>{\mathrm{\δ}}_1\\ z_2\left(k\right)+\frac{z_1\left(k\right)}{h},\left|z_1\left(k\right)\right|\≤{\mathrm{\δ}}_1\end{array}\right.$

。

5.根据权利要求3或4所述的一种混合磁力轴承控制方法，其特征是还包括对电磁体阵列磁极动态分配及多组态的轮动控制，CPU单元动态分配各电磁体磁极表现为支撑或阻尼特性，根据表现为支承特性的磁极和表现为阻尼特性的磁极的数目搭配关系，设定若干磁极组态，CPU单元对各组态进行组合搭配，对电磁体磁极实现多组态轮动控制。