CN103671543A - 用于主动磁轴承的装置和命令过程 - Google Patents

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Abstract

这种用于主动磁轴承的命令过程，所述磁轴承包括：形成定子的一系列电磁致动器，各致动器适合于对转子施加径向力，形成转子的铁磁体，在电磁致动器之间保持无接触并且适合于设置成围绕旋转轴线旋转，转子特别适合于经受进动移动。传感器，适合于检测转子的径向位移，并且发出表示所述转子相对于致动器的径向位置的位置信号。包括下列阶段：计算至少一个致动器命令信号，命令信号的计算由将至少一个传递函数应用于位置信号组成，传递函数包含多个校正系数。在致动器的输入点应用所计算的所述或者每个命令信号。在这个过程中，至少一个校正系数持续地取决于转子的旋转速度，并且所述或者每个命令信号适合于命令转子的进动移动的连续偏移。

Description

用于主动磁轴承的装置和命令过程
本发明涉及用于磁轴承的命令过程，这个磁轴承包括：
-   形成定子的多个电磁致动器，各致动器接收其命令的输入信号并且适合于对转子施加径向力。
-   形成转子的铁磁体，在电磁致动器之间保持为无接触并且适合于设置成围绕旋转轴线旋转，该转子特别适合于在垂直于旋转轴线运用和施加的径向力所引起的径向动量的作用下经受行进（procession ）移动。
-   传感器，用于检测径向位移并且用于发出表示转子相对于致动器的径向位置的位置信号。
该过程包括下列阶段：
-   基于位置信号来计算致动器的至少一个命令信号，计算命令信号包括将至少一个传递函数应用于位置信号，该传递函数包括多个校正系数。
-   对致动器的输入应用所计算的一个或每个命令信号，以用于控制转子的径向位置。
本发明还涉及用于主动磁轴承的命令装置，该磁轴承包括：
-   形成定子的多个电磁致动器，各致动器接收其命令的输入信号并且适合于对转子施加径向力。
-   形成转子的铁磁体，在电磁致动器之间保持为无接触并且适合于设置成围绕旋转轴线旋转，该转子特别适合于在垂直旋转轴线运用和施加的径向力所引起的径向动量的作用下经受行进移动。
-   传感器，用于检测转子的径向位移并且用于发出表示转子相对于致动器的径向位置的位置信号。
该命令装置包含基于位置信号的计算设备，计算设备适合于将至少一个传递函数应用于位置信号，传递函数包含多个校正系数，该命令装置适合于在致动器的入口上应用致动器的所述或每个命令信号，以便指导转子的径向位置。
例如，主动磁轴承允许通常是电动机轴的活动主体在固定位置保持在提升状态。它允许发动机转子的轴围绕旋转轴线没有摩擦或接触地转动。在超高速马达的特定域中，这种类型的轴承帮助极大地增加移动机械部件的使用期限，并且因而限制对这些部件的维护操作。
现有技术涉及上述类型的磁轴承的命令过程。在这种过程期间，致动器指导转子围绕其旋转轴线的旋转，这个旋转对应于转子的给定自由度。转子的五个其它自由度的激励是必须通过命令设备来校正的不合需要的中断。为此，标准形式的命令设备包括用于转子的各自由度的一个命令单元，转子的各自由度的命令因而与其他自由度的命令分离。但是，对于高转子旋转速度，这类命令过程已经证明是不适合的。实际上，由于转子的陀螺效应所引起的进动（precession）移动，耦合在自由度之间发生。对于这些旋转速度，通过这些标准命令过程来对转子移动的校正因此是比较不稳定的。另外，与转子关联的电动机的性能显著降低。
为了克服这个问题，文献EP 1 771 667 B1描述用于磁轴承的命令过程，其中通过命令来考虑与进动移动相结合的转子进动的方法。更具体来说，建模不同校正器，各校正器考虑采取外部不确定性形式的转子的进动模式。因此，命令过程涉及对于转子的给定旋转速度来选择最适合的校正器。在这种过程中，转子的进动移动的校正可证明是选择性稳定的，特别是在接近对校正器设计的旋转速度中。但是，这种命令过程不保证遍及转子的旋转速度的全范围的校正稳定性，特别是当从一个校正器传递到另一个时。另外，由于转子进动模式基于外部不确定性，所以这些不确定性也构成最终校正的不稳定源。
本发明的目标是提出一种用于主动磁轴承的命令过程，该命令过程确定转子进动移动的校正稳定性，而与转子的转动速度无关。
为此，本发明的主题是上述类型的命令过程，其中至少一个校正系数持续地取决于转子的旋转速度，并且其中所述或每个命令信号适合于命令转子进动移动的连续偏移。
按照本发明的其它有利方面，命令过程包括独立地或者按照所有技术可能组合所获得的下列特性的一个或多个：
-   所述校正系数是围绕旋转轴线的转子的惯性矩的函数。
-   所述校正系数是围绕与旋转轴线垂直的轴线的转子的惯性矩的函数。
-   在计算致动器的至少一个命令信号期间，同时计算致动器的至少第一和第二命令信号，第一命令信号适合于在第一致动器的入口上注入，所述第一致动器适合于按照与旋转轴线垂直的第一轴线在转子上引起力，第二命令信号适合于在与第一致动器不同的第二致动器的入口上注入，所述第二致动器适合于按照与第一轴线和旋转轴线垂直的第二轴线在转子上引起力。
-   至少一个致动器命令信号的计算阶段包含用于转子相对于致动器倾斜的至少第一和第二命令信号的基于位置信号的中间计算阶段，用于倾斜的第一和第二命令信号适合于命令转子分别围绕第一和第二轴线的倾斜，第一和第二致动器命令信号分别基于第一和第二倾斜命令信号来分别计算。
-   至少一个致动器命令信号的计算阶段包含相对于致动器的至少第一和第二转子倾斜移动信号的基于位置信号的中间计算阶段，第一和第二倾斜移动信号表示转子分别围绕第一和第二轴线的倾斜，各倾斜命令信号基于第一和第二倾斜移动信号来计算，第一和第二倾斜移动信号为了计算第一和第二倾斜命令信号的目的而被单独处理。 
本发明的主题也是上述类型的命令装置，其中至少一个校正系数持续地取决于转子的旋转速度，使得命令装置适合于经由所述或每个命令信号来指导转子进动移动的连续偏移。
按照本发明的其它有利方面，命令装置包含独立地或者按照所有技术可能组合所获得的下列特性的一个或多个：
-   计算设备适合于同时计算致动器的至少第一和第二命令信号，第一命令信号适合于在第一致动器的入口上注入，所述致动器适合于按照与旋转轴线垂直的第一轴线在转子上引起力，第二命令信号适合于在与第一致动器不同的第二致动器的入口上注入，第二致动器适合于按照与第一轴线和旋转轴线垂直的第二轴线在转子上引起力。
-   计算设备包含倾斜命令单元，倾斜命令单元适合于基于位置信号来计算用于转子相对于致动器倾斜的至少第一和第二命令信号，第一和第二倾斜命令信号分别适合于命令转子分别围绕第一轴线和第二轴线的倾斜。
-   计算设备包含信号转换单元，信号转换单元适合于分别基于第一和第二倾斜命令信号来分别计算第一致动器命令信号的分量以及第二致动器命令信号的分量。
-   计算设备包含信号转换元件，信号转换元件适合于计算相对于致动器的转子倾斜移动的至少第一和第二信号，第一和第二倾斜移动信号分别表示转子分别围绕第一和第二轴线的倾斜，并且适合于传送给倾斜命令单元。
-   倾斜命令单元适合于单独处理第一和第二倾斜移动信号以用于计算倾斜的第一和第二命令信号。
根据本公开的一方面，一种用于主动磁轴承(10)的命令过程，所述磁轴承(10)包括：-形成定子的一系列电磁致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)，各致动器接收输入信号作为其命令，并且适合于对所述转子(12)运用径向力。-形成转子的铁磁体(12)，在所述电磁转子之间保持为无接触并且适合于设置成围绕旋转轴线(Z-Z’)旋转，所述转子(12)特别适合于在垂直于所述旋转轴线(Z-Z’)所运用和增加的径向力所引起的径向动量的作用下经受进动移动。-传感器(16A，16B，16C，16D)，适合于检测所述转子(12)的径向位移，并且发出表示所述转子(12)相对于所述致动器的所述径向位置的位置信号(X1，X2，Y1，Y2)。所述过程包括下列阶段：-基于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)来计算(78，80，82，84，86)至少一个致动器命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)，所述命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)的计算由向所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)应用至少一个传递函数(CФ1，CФ2)来组成，所述传递函数包括一系列校正系数。-向致动器的所述输入点应用(88)所述或者每个所计算命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)，以用于控制所述转子(12)的所述径向位置。其特征在于，至少一个校正系数持续地取决于所述转子(12)的旋转速度，并且所述或者每个命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)适合于命令所述转子(12)的所述进动移动的连续偏移。
优选地，其特征在于，所述校正系数是围绕所述旋转轴线(Z-Z’)的所述转子(12)的惯性矩的函数。
优选地，其特征在于，所述校正系数是围绕与所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的轴线的所述转子(12)的惯性矩的函数。
优选地，其特征在于，在至少一个致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)的所述计算阶段，同时计算至少第一(IX1，IX2)和第二(IY1，IY2)致动器命令信号，所述第一命令信号(IX1，IX2)适合于在第一致动器(18A，18B，20A，20B)的输入点注入，所述第一致动器(18A，18B，20A，20B)适合于按照与所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的第一轴线(x)在所述转子上引起力，所述第二命令信号(IY1，IY2)适合于在与所述第一致动器(18A，18B，20A，20B)不同的第二致动器(22A，22B，24A，24B)的输入点注入，所述第二致动器(22A，22B，24A，24B)适合于按照与所述第一轴线(x)和所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的第二轴线(y)在所述转子上引起力。 
优选地，其特征在于，至少一个致动器信号的所述计算阶段包含相对于所述致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)的所述转子(12)的倾斜的至少第一(AФX)和第二(AФY)命令信号的基于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)的中间计算阶段(82)，所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号分别适合于命令所述转子(12)分别围绕所述第一轴线(x)和第二轴线(y)的倾斜，所述第一(IX1，IX2)和第二(IY1，IY2)致动器命令信号分别基于所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号来计算。
优选地，其特征在于，至少一个致动器信号的所述计算阶段包含相对于所述致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)的至少第一(SФX)和第二(SФY)转子(12)倾斜移动信号的基于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)的中间计算阶段(80)，所述第一(SФX)和第二(SФY)倾斜移动信号分别表示所述转子(12)分别围绕所述第一轴线(x)和第二轴线(y)的倾斜，各倾斜命令信号(AФX，AФY)基于所述第一(SФX)和第二(SФY)倾斜移动信号来计算，所述第一(SФX)和第二(SФY)倾斜移动信号被单独处理以用于计算所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号。
根据本公开的另一方面，一种用于主动磁轴承(10)的命令装置(28)，所述磁轴承(10)包括：-形成定子的一系列电磁致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)，各致动器接收其命令的输入信号，并且适合于对所述转子(12)运用径向力。-形成转子的铁磁体(12)，在所述电磁致动器之间保持为无接触并且适合于设置成围绕旋转轴线(Z-Z’)旋转，所述转子(12)特别适合于在垂直于所述旋转轴线(Z-Z’)所运用和施加的径向力所引起的径向动量的作用下经受进动移动。-传感器(16A，16B，16C，16D)，适合于检测所述转子(12)的径向位移，并且适合于发出表示所述转子(12)相对于所述致动器的所述径向位置的位置信号(X1，X2，Y1，Y2)。所述命令装置(28)包含基于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)来计算至少一个致动器命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)的设备(34，36)，所述计算设备(34，36)适合于将至少一个传递函数(CФ1，CФ2)应用于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)，所述传递函数(CФ1，CФ2)包含多个校正系数，所述命令装置(28)适合于在致动器的输入点应用所述或者每个致动器命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)，以便指导所述转子(12)的所述径向位置。其特征在于，至少一个校正系数持续地取决于所述转子(12)的旋转速度，使得所述命令装置(28)适合于经由所述或者每个命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)来指导所述转子(12)的所述进动移动的连续偏移。
优选地，其特征在于，所述计算设备(34，36)至少适合于同时计算至少第一(IX1，IX2)和第二(IY1，IY2)致动器命令信号，所述第一命令信号(IX1，IX2)适合于在第一致动器(18A，18B，20A，20B)的输入点注入，所述第一致动器(18A，18B，20A，20B)适合于按照与所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的第一轴线(x)在所述转子(12)上引起力，所述第二命令信号(IY1，IY2)适合于在与所述第一致动器(22A，22B，24A，24B)不同的第二致动器(22A，22B，24A，24B)的输入点注入，所述第二致动器(22A，22B，24A，24B)适合于按照与所述第一轴线(x)和所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的第二轴线(y)在所述转子(12)上引起力。
优选地，其特征在于，所述计算设备(34，36)包括倾斜命令单元(48)，这个倾斜命令单元(48)适合于基于位置信号(X1，X2，Y1，Y2)来计算相对于所述致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)的至少第一(AФX)和第二(AФY)转子(12)倾斜命令信号，所述第一(AФX)和第二(AФY)转子(12)倾斜命令信号分别适合于命令所述转子（12）分别围绕所述第一(x)和第二轴线(y)的倾斜。
优选地，其特征在于，所述计算设备(34，36)包括信号转换单元(50)，所述信号转换单元(50)适合于分别基于所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号来计算所述第一致动器命令信号(IX1，IX2)的分量(AX1’’，AX2’’)以及所述第二致动器命令信号(IY1，IY2)的分量(AY1’’, AY2’’)。
优选地，其特征在于，所述计算设备(34，36)包括信号转换元件(46)，所述信号转换元件(46)适合于计算相对于所述致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)的至少第一(SФX)和第二(SФY)转子(12)倾斜移动信号(12)，所述第一(SФX)和第二(SФY)倾斜移动信号分别表示所述转子(12)分别围绕所述第一轴线(x)和第二轴线(y)的倾斜，并且适合于传送给所述倾斜命令单元(48)。
优选地，其特征在于，所述倾斜命令单元(48)适合于单独处理所述第一(SФX)和第二(SФY)倾斜移动信号以用于计算所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号。
附图说明
通过阅读完全作为非限制性示例给出并且参照附图进行的以下描述，本发明的这些特性和优点将变得显而易见，其中：
-   图1是按照本发明、由主动磁轴承和轴承命令装置所组成的装置的示意表示，轴承包括八个电磁致动器以及在致动器之间保持为无接触的转子。
-   图2是图1的命令装置的示意表示，其中包括用于转子相对于致动器的倾斜的命令单元。
-   图3是图2的倾斜命令单元的示意表示，以及
-   图4是表示按照本发明的命令过程的流程图。
具体实施方式
图1表示包括主动磁轴承10以及命令轴承10的设备11的装置1。在可能的使用示例中，主动磁轴承10是径向的，例如适合于支承旋转电机中的转轴。电机呈现超过3 MW、例如8 MW的标称功率，连同超过每分钟8000转、例如每分钟14000转的旋转速度。
轴承10包含转子12。在实现的示例中，转子12由旋转电机的转轴组成，并且以旋转速度?围绕轴线Z-Z’旋转地移动，轴线Z-Z’与转子12的最大维平行。在描述的后续部分中，将术语“轴线方向”给予由轴线Z-Z’所定义的方向，以及将术语“径向方向”给予由垂直于轴线Z-Z’的轴线所定义的任何方向。此外还相对于轴线Z-Z’来定义正交参考x-y-z，如图1所示。 
转子12例如由铁磁材料制成，以及在描述的后续部分中比作表示六自由度的刚性固体。转子12的自由度之一对应于围绕轴线Z-Z’的旋转。按照标准形式，这个自由度由电磁致动器来独立控制，这未在图中示出。转子12呈现极惯性矩Jp和横向惯性矩Jt。极惯性矩Jp定义为转子12围绕轴线Z-Z’的惯性矩。同时，横向惯性矩Jt定义为转子12围绕属于平面x-y的与轴线Z-Z’垂直的轴线的惯性矩。 
轴承10还包括第一致动器单元14A、第二致动器单元14B、第一传感器16A、第二传感器16B、第三传感器16C和第四传感器16D。致动器单元14A、14B适合于按照方向x和y对转子12施加径向力，并且因而适合于将转子12保持为悬浮。传感器16A、16B、16C、16D适合于按照所确定方向在特定点来测量转子12相对于致动器单元14A、14B的位置。它们还适合于传递电子位置信号，这些信号表示转子12相对于致动器单元14A、14B的径向位置。
各致动单元14A、14B包括至少一个电磁致动器。在可能的使用的示例中，致动单元14A、14B分别包括各自的第一电磁致动器18A和18B、各自的第二电磁致动器20A和20B、各自的第三电磁致动器22A和22B以及各自的第四电磁致动器24A和24B。 
如本身已知，各致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B包含关于转子12的磁路周围缠绕的激励线圈，以便向转子施加径向力。磁路例如由铁磁材料组成。
各致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B在其线圈的入口点接收输入信号、更具体来说是输入命令电流。第一和第二致动器18A、20A和18B、20B分别接收各自的第一输入信号IX1和第二输入信号IX2。第三和第四致动器22A、24A和22B、24B分别接收各自的第三输入信号IY1和第四输入信号IY2。
八个致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B相对彼此固定，并且共同形成定子。它们适合于将转子12保持为悬浮，转子12在八个致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B之间保持为无接触。                               
第一致动器18A、18B分别适合于沿方向+x分别对转子12的高和低区域运用径向力。第二致动器20A、20B分别适合于沿方向-x分别对转子12的高和低区域运用径向力。第三致动器22A、22B分别适合于沿方向+y分别对转子12的高和低区域运用径向力。第四致动器24A、24B分别适合于沿方向-y分别对转子12的高和低区域运用径向力。
由致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B对转子12所运用的径向力在转子12上引起径向动量。这个径向动量施加在与旋转轴线Z-Z’垂直的径向平面径向x-y中，并且引起转子的自由度之间、特别是与围绕轴线x和y的旋转对应的自由度之间的耦合。这些耦合对应于转子12的进动移动，特别是直接和间接进动移动，即例如通常称作“陀螺效应”。
由传感器16A、16B、16C、16D所发出的电子位置信号表示转子12相对于致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B的径向位置。
第一传感器16A、第二传感器16B分别适合于各自测量转子12沿轴线x的上部区域的位置和下部区域的位置。它分别发送表示这个位置的电子信号X1、X2。第三传感器16C、第四传感器16D分别适合于各自测量转子12沿轴线y的上部区域的位置和下部区域的位置。第三传感器16C、第四传感器16D分别发送表示这个位置的各自电子信号Y1、Y2。
在所考虑的实现方法中，命令设备11一方面连接到各传感器16A、16B、16C、16D以便拾取位置信号X1、X2、Y1、Y2，以及另一方面连接到各致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B。命令设备11适合于计算来自致动器的命令信号，并且适合于将这个命令信号应用于各致动器的输入以用于控制转子12的径向位置。
命令设备11包含第一减法器26A、第二减法器26B、第三减法器26C和第四减法器26D。命令设备11还包含连接在减法器26A、26B、26C、26D的出口与致动器输入点之间的致动器命令装置28。
各减法器26A、26B、26C和26D分别在其非反转输入点分别接收参考信号X1ref、X2ref、Y1ref、Y2ref，以及在其反转输入点分别接收信号X1、X2、Y1、Y2。按照标准形式，参考信号X1ref、X2ref分别对应于转子12沿轴线x的相应上部区域和下部区域中的指令信号。同样地，参考信号de Y1ref、Y2ref分别对应于转子12沿轴线y的相应上部区域和下部区域中的指令信号。各减法器26A、26B、26C、26D分别在其输出点分别提供相应误差信号SX1、SX2、SY1、SY2。
命令装置28在其输入点接收四个误差信号SX1、SX2、SY1、SY2。它适合于计算输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2，并且适合于将输入点的这些信号应用于致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B，如以下所述。
如图2所示，命令装置28包含第一输入端子29A、第二输入端子29B、第三输入端子29C和第四输入端子29D。它还包含第一输出端子30A、第二输出端子30B、第三输出端子30C和第四输出端子30D。命令装置28还包含第一中间命令信号计算元件32、第二中间命令信号计算元件34以及连接到计算元件32、34的出口的命令信号计算模块36。      
如按照标准形式已知，第一计算元件32在其输入点接收误差信号SX1、SX2、SY1、SY2，并且适合于生成致动器的中间命令信号AX1’、AX2’、AY1’、AY2’。中间命令信号AX1’、AX2’、AY1’、AY2’适合于命令转子12上的“负刚度”效应的偏移，这种效应是已知的，并且通过在致动器线圈中循环的电流所引起。第一计算元件包含第一放大器38A、第二放大器38B、第三放大器38C和第四放大器38D。
放大器38A、38B、38C、38D分别连接到相应输入端子29A、29B、29C、29D，并且适合于在其输出点分别提供中间命令信号AX1’、AX2’、AY1’、AY2’。
第一放大器38A和第三放大器38C分别适合于将信号SX1、SY1分别与常数增益K’1相乘。第二放大器38B和第四放大器38D分别适合于将信号SX2、SY2分别与不同于增益K’1的常数增益K’2相乘。增益K’1和K’2的值按照现有技术的标准方法来选择。
第二计算元件34在其输入点接收误差信号SX1、SX2、SY1、SY2，并且适合于生成致动器的中间命令信号AX1、AX2、AY1、AY2。中间命令信号AX1、AX2、AY1、AY2适合于命令转子12的径向平移移动和旋转移动的偏移。第二计算元件包含第一40A和第二40B加法放大器模块、第一42A和第二42B调节器以及第一44A和第二44B命令信号分离器。它还包含分别串联连接的信号转换元件46、倾斜命令单元48和信号转换单元50。第二计算元件34还包含第一加法放大器52A、第二加法放大器52B、第三加法放大器54A和第四加法放大器54B。
第一加法放大器模块40A和第二加法放大器40B一方面分别相应连接到两个输入端子29A、29B和29C、29D，以及另一方面分别连接到第一调节器42A和第二调节器42B。它们在一个输入点分别接收误差信号SX1、SY1并且在其其他输入点分别接收信号SX2、SY2，以及在其输出点分别提供信号STX、STY。第一加法放大器模块40A和第二加法放大器模块40B分别适合于将不同加权系数应用于其输入点之一处存在的各信号，并且适合于将所产生信号相加在一起以分别提供信号STX、STY。
第一调节器42A和第二调节器42B的输出点分别相应连接到第一分离器44A和第二分离器44B的输入点。如已知，各调节器例如为PID类型(比例积分微分)，这种类型的调节器用作反馈调节系统的调节中的范数。各调节器42A、42B呈现例如采用拉普拉斯变换表示为                                               
Figure 126095DEST_PATH_IMAGE002
的传递函数C1(p)，其中Kp1、Ki1、Kd1和Kd1‘是常数增益，如已知。第一调节器42A和第二调节器42B适合于在其输出点分别提供分别用于转子12分别沿轴线x和轴线y的平移移动的命令信号ATX、ATY。因此，第一调节器42A和第二调节器42B分别适合于独立指导转子12分别沿轴线x和轴线y的平移移动。
在一变体中，各调节器42A、42B是PI(比例积分)类型。
第一分离器44A和第二分离器44B的一个输出点连接到第一加法放大器52A的输入点以及第三加法放大器54A的输入点。第一分离器44A和第二分离器44B的其他输出点连接到第二加法放大器52B的输入点以及第四加法放大器54B的输入点。第一分离器44A和第二分离器44B分别适合于将第一加权系数应用于信号ATX和ATY，并且适合于将输入点的所产生信号提供给第一加法放大器52A以及提供给第三加法放大器54A。它此外还适合于分别向信号ATX和ATY应用与第一系数分离的第二加权系数，并且适合于将输入点的所产生信号提供给第三加法放大器52B以及提供给第四加法放大器54B。    
信号转换元件46在其输入点接收误差信号SX1、SX2、SY1、SY2，并且适合于生成相对于致动器的转子12的第一倾斜移动信号SФX以及相对于致动器的转子12的第二倾斜移动信号SФY。第一信号SФX和第二信号SФY分别表示转子12分别围绕轴线x和围绕轴线y的倾斜。元件46包含第一减法器模块56A和第二减法器模块56B。
第一减法器模块56A和第二减法器模块56B一方面分别连接到两个输入端子29A、29B和29C、29D，以及另一方面连接到倾斜命令单元48的输入点。各减法器模块56A、56B存在两个输入点和一个输出点。第一减法器模块56A和第二减法器模块56B分别相应地在其输入点之一接收误差信号SX1、SY1，并且分别相应地在其其他输入点接收误差信号SX2、SY2，以及分别相应地在其输出点提供信号SФY、SФX。第一减法器模块56A和第二减法器模块56B适合于将相同加权系数应用于其输入点之一处存在的各个信号，并且适合于减去所产生信号以分别提供信号SФY、SФX。
倾斜命令单元48在其输入点接收信号SФX、SФY，并且适合于生成相对于致动器的转子12的第一倾斜命令信号AФX以及相对于致动器的转子12的第二倾斜命令信号。第一信号AФX和第二信号AФY分别适合于命令转子12分别围绕轴线X和围绕轴线Y的倾斜。单元48还适合于单独处理信号SФX、SФY，以便计算信号AФX、AФY。
如图3所示，倾斜命令单元48包含第一调节器58A、第二调节器58B、第三调节器58C和第四调节器58D。它还包含减法器60和加法放大器62。
第一调节器58A和第二调节器58B分别连接在第一减法器模块56A的输出点与减法器60的正输入点和加法放大器62的一个输入点之间。第三调节器58C和第四调节器58D连接在第二减法器模块56B的输出点与加法放大器62的其他输入点和减法器et 60的反转输入点之间。各调节器58A、58B、58C、58D还连接到图中未示出的用于测量转子12的旋转速度?的装置。在可能的使用示例中，各调节器58A、58B、58C、58D是PID，并且使用互连模拟组件来实现。
在一变体中，各调节器58A、58B、58C、58D由可编程逻辑组件或者专用集成电路组成。
第一和第三调节器58A、58C呈现例如表示如下的传递函数CФ1(p, ?)： 
    
Figure 184181DEST_PATH_IMAGE004
其中，KpФ1和KiФ1是常数增益，以及Kd1Ф1(?)和Kd2Ф1(?)例如表示如下：
K和K’是常数增益。
如公式2和3所示，各系数Kd1Ф1、Kd2Ф1持续地取决于转子12的旋转速度?。各系数Kd1Ф1、Kd2Ф1也是转子12的极惯性矩Jp和横向惯性矩Jt的函数。
类似地，第二和第四调节器58B、58D呈现与函数CФ1(p, ?)不同的、例如表示如下的传递函数CФ2(p, ?)： 
Figure 359127DEST_PATH_IMAGE008
其中，KpФ2和KiФ2是常数增益，以及Kd1Ф2(?)和Kd2Ф2(?)例如表示如下：
Figure 783287DEST_PATH_IMAGE010
K”和K’”是常数增益。
传递函数表示CФ1(p, ?)和CФ2(p, ?)经由若干阶段来得到。在第一阶段期间，转子12的动态的基本等式在“固定”笛卡尔参考中写入。这个阶段产生表示转子12的惯性的矩阵M以及表示转子12的进动移动的矩阵G。矩阵M和G在该参考中是非对角线的。矩阵G取决于转子12的旋转速度?。
在后一阶段期间，第一参考变化发生。更具体来说，从“固定”笛卡尔参考转到对旋转速度?的“旋转”笛卡尔参考。这产生新的惯性矩阵M’和新的陀螺矩阵G’。在这个“旋转”参考中，惯性矩阵M’是对角线的，以及陀螺矩阵G’是非对角线的。
在后一阶段期间，第二参考变化发生。更具体来说，从“旋转”笛卡尔参考转到极参考。还存在从数学意义上涉及实坐标的实空间到数学意义上涉及复坐标的复空间的移动。然后能够使描述在这个复空间中得到的系统的全局矩阵是对角线的。另外，这种参考变化帮助将转子12的圆柱模式与转子12的圆锥模式去耦合。圆锥模式对应于转子12的进动模式。
在最终阶段期间，实部被识别，以及在所得到的复等式中与虚部分离。这产生一组新等式。等式在实空间中来阐述，并且帮助推断调节器58A、58B、58C、58D的传递函数CФ1(p, ?)、CФ2(p, ?)。   
在图1-3的实现示例中，各调节器58A、58B、58C、58D呈现没有包含虚部的传递函数CФ1(p, ?)、CФ2(p, ?)。 
在一变体中，各调节器58A、58B、58C、58D呈现包含实部和/或虚部的传递函数CФ1(p, ?)、CФ2(p, ?)。在一具体子变体中，第一和第三调节器58A、58C各呈现仅包含实部的传递函数，以及第二和第四调节器58B、58D各呈现仅包含虚部的传递函数。
减法器60的输出点连接到信号转换单元50上的输入点。减法器60在其输出点提供第一倾斜命令信号AФX。加法放大器62的输出点连接到信号转换单元50的另一个输入点。加法放大器62在其输出点提供第二信号AФY。因此，各倾斜命令信号AФX、AФY基于第一SФX和第二SФY倾斜移动信号来计算。 
信号转换单元50在其输入点接收信号AФX、AФY，并且适合于基于信号AФX、AФY来计算中间致动器命令信号AX1’’、AX2’’、AY1’’、AY2’’。中间命令信号AX1’’、AX2’’、AY1’’、AY2’’适合于命令转子12的旋转移动的偏移，特别是转子12的进动移动的连续偏移。
如图2所示，信号转换单元50包含第一命令信号分离器64A和第二命令信号分离器64B。
第一分离器64A的输入点连接到减法器60的输出点。第一分离器64A的一个输出点连接到第一加法放大器52A的输入点，第一分离器64A的其他输出点连接到第二加法放大器52B的一个输出点。
第二分离器64B的输入点连接到加法放大器62的输出点。第二分离器64B的一个输出点连接到第三加法放大器54A的输入点，第二分离器64B的其他输出点连接到第四加法放大器54B的一个输入点。 
第一分离器64A和第二分离器64B分别适合于分别将第一加权系数应用于信号AФX和AФY，并且在输入点分别向第一加法放大器52A和第四加法放大器54B提供所产生信号AX1’’、AY2’’。它还适合于分别向信号AФX、AФY应用其值与第一系数的值相反的第二加权系数，并且适合于分别在第二加法放大器52B和第三加法放大器54A的输入点分别提供所产生信号AX2’’、AY1’’。加法放大器52A、52B、54A、54B的输出点连接到命令信号计算模块36的输入点。加法放大器52A、52B、54A、54B分别在其输出点分别提供AX1、AX2、AY1、AY2。
信号计算模块36在其输出点接收信号AX1、AX2、AY1、AY2，并且适合于同时生成输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2。
模块36包含第一加法放大器66A、第二加法放大器66B、第三加法放大器66C和第四加法放大器66D。它还包含第一放大器68A、第二放大器68B、第三放大器68C和第四放大器68D。
加法放大器66A、66B、66C、66D的一个输入点分别相应连接到加法放大器52A、52B、54A、54B的输出点。加法放大器66A、66B、66C、66D的其他输入点分别相应连接到调节器38A、38B、38C、38D的输出点。加法放大器66A、66B、66C、66D分别适合于在输出点分别提供中间输入命令信号BX1、BX2、BY1、BY2。
放大器68A、68B、68C、68D分别连接在相应加法放大器66A、66B、66C、66D的输出点与相应输出端子30A、30B、30C、30D之间。放大器68A、68B、68C、68D分别适合于在输出点分别提供输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2。
第一放大器68A和第三放大器68C分别适合于将信号BX1、BY1分别与常数增益K1相乘。第二放大器68B和第四放大器68D分别适合于将信号BX2、BY2分别与不同于增益K1的常数增益K2相乘。K1和K2增益值按照现有技术的标准方法来选择。
各输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2适合于基于中间信号BX1、BX2、BY1、BY2以及因此基于中间信号AX1’’、AX2’’、AY1’’、AY2’’的计算。因此，各输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2特别适合于命令转子12的进动移动的连续偏移。命令装置28适合于同时计算输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2。它还适合于经由各输入命令信号来指导转子12的进动移动的连续偏移。
图4表示由主动磁轴承10所实现的、实现本发明的一种方法中的过程的阶段。
该过程包括初始阶段76，其中按照转子12的上部区域的轴线x和y的位置由传感器16A、16B来测量，以及按照转子12的下部区域的轴线x和y的位置由传感器16C、16D来测量。传感器16A、16B、16C、16D分别在其输出点分别提供位置信号X1、X2、Y1、Y2。
在后一阶段78，减法器26A、26B、26C、26D分别基于位置信号X1、X2、Y1、Y2和Y2来分别确定误差信号SX1、SX2、SY1、SY2。
在后一阶段80期间，信号转换元件46基于误差信号SX1、SX2来计算第一倾斜移动信号SФX以及基于误差信号SY1、SY2来计算第二倾斜移动信号。在这同一阶段80期间，第一加法放大器模块40A和第二加法放大器模块40B分别计算相应信号STX、STY。
在后一阶段82期间，倾斜命令单元48单独处理倾斜移动信号SФX、SФY，并且基于信号SФX、SФY来计算各倾斜命令信号AФX、AФY。因此，倾斜命令单元48基于位置信号X1、X2、Y1、Y2间接地计算各倾斜命令信号AФX、AФY。如公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)所示，明确用于计算命令信号AФX、AФY的单元48考虑转子12的旋转速度。无论什么转子的旋转速度，这个特性允许转子的进动移动的稳定校正。在这同一阶段82期间，第一调节器42A和第二调节器42B分别计算相应信号ATX、ATY。
在后一阶段84期间，信号转换单元50基于信号AФX来计算中间信号AX1’’、AX2’’。它还基于信号AФY来计算中间信号AY1’’、AY2’’。
在后一阶段86期间，命令信号计算模块36同时计算输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2。输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2分别相应地特别基于中间信号AX1’’、AX2’’、AY1’’、AY2’’来计算。因此，输入命令信号IX1、IX2基于倾斜命令信号AФX来计算，以及输入命令信号IY1、IY2基于倾斜命令信号AФY来计算。
在后一阶段88期间，命令装置28在致动器18A、18B、20A、20B、22A、22B、24A、24B的输入点应用输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2。
根据其设计，输入命令信号IX1、IX2、IY1、IY2允许指导致动器来允许转子12的进动移动的连续偏移。另外，信号IX1、IX2、IY1、IY2允许转子12的直接和间接进动移动的稳定和解耦合控制。
因此推断，按照本发明的命令过程确保转子的进动移动的校正稳定性，而与转子的旋转速度无关。
本领域的技术人员将会理解，本发明并不局限于如本描述所示的包含八个电磁致动器和四个传感器的主动磁轴承，而是更一般地适用于包含至少三个电磁致动器和两个传感器的磁轴承。

Claims (10)

1.一种用于主动磁轴承(10)的命令过程，所述磁轴承(10)包括：
-      形成定子的一系列电磁致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)，各致动器接收输入信号作为其命令，并且适合于对所述转子(12)运用径向力；
-      形成转子的铁磁体(12)，其在所述电磁转子之间保持为无接触并且适合于设置成围绕旋转轴线(Z-Z’)旋转，所述转子(12)特别适合于在垂直于所述旋转轴线(Z-Z’)所运用和增加的径向力所引起的径向动量的作用下经受进动移动；
-      传感器(16A，16B，16C，16D)，其适合于检测所述转子(12)的径向位移，并且发出表示所述转子(12)相对于所述致动器的径向位置的位置信号(X1，X2，Y1，Y2)，
所述过程包括下列阶段： 
-      基于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)来计算(78，80，82，84，86)至少一个致动器命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)，命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)的计算由向所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)应用至少一个传递函数(CФ1，CФ2)组成，所述传递函数包括一系列校正系数；
-      向致动器的输入点应用(88)所述或者每个所计算命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)，以用于控制所述转子(12)的所述径向位置，
其特征在于，至少一个校正系数持续地取决于所述转子(12)的旋转速度，并且所述或者每个命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)适合于命令所述转子(12)的所述进动移动的连续偏移。
2.如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述校正系数是围绕所述旋转轴线(Z-Z’)的所述转子(12)的惯性矩的函数。
3.如权利要求1或2所述的过程，其特征在于，所述校正系数是围绕与所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的轴线的所述转子(12)的惯性矩的函数。
4.如以上权利要求中的任一项所述的过程，其特征在于，在至少一个致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)的计算阶段，同时计算至少第一(IX1，IX2)和第二(IY1，IY2)致动器命令信号，所述第一命令信号(IX1，IX2)适合于在第一致动器(18A，18B，20A，20B)的输入点注入，所述第一致动器(18A，18B，20A，20B)适合于按照与所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的第一轴线(x)在所述转子上引起力，所述第二命令信号(IY1，IY2)适合于在与所述第一致动器(18A，18B，20A，20B)不同的第二致动器(22A，22B，24A，24B)的输入点注入，所述第二致动器(22A，22B，24A，24B)适合于按照与所述第一轴线(x)和所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的第二轴线(y)在所述转子上引起力。
5.如权利要求4所述的过程，其特征在于，至少一个致动器信号的计算阶段包含相对于所述致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)的所述转子(12)的倾斜的至少第一(AФX)和第二(AФY)命令信号的基于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)的中间计算阶段(82)，所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号分别适合于命令所述转子(12)分别围绕所述第一轴线(x)和第二轴线(y)的倾斜，所述第一(IX1，IX2)和第二(IY1，IY2)致动器命令信号分别基于所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号来计算。
6.如权利要求5所述的过程，其特征在于，至少一个致动器信号的计算阶段包含相对于所述致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)的至少第一(SФX)和第二(SФY)转子(12)倾斜移动信号的基于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)的中间计算阶段(80)，所述第一(SФX)和第二(SФY)倾斜移动信号分别表示所述转子(12)分别围绕所述第一轴线(x)和第二轴线(y)的倾斜，各倾斜命令信号(AФX，AФY)基于所述第一(SФX)和第二(SФY)倾斜移动信号来计算，所述第一(SФX)和第二(SФY)倾斜移动信号被单独处理以用于计算所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号。
7.一种用于主动磁轴承(10)的命令装置(28)，所述磁轴承(10)包括：
-      形成定子的一系列电磁致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)，各致动器接收其命令的输入信号，并且适合于对所述转子(12)运用径向力；
-      形成转子的铁磁体(12)，其在所述电磁致动器之间保持为无接触并且适合于设置成围绕旋转轴线(Z-Z’)旋转，所述转子(12)特别适合于在垂直于所述旋转轴线(Z-Z’)所运用和施加的径向力所引起的径向动量的作用下经受进动移动；
-      传感器(16A，16B，16C，16D)，其适合于检测所述转子(12)的径向位移，并且适合于发出表示所述转子(12)相对于所述致动器的所述径向位置的位置信号(X1，X2，Y1，Y2)，
所述命令装置(28)包含基于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)来计算至少一个致动器命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)的设备(34，36)，所述计算设备(34，36)适合于将至少一个传递函数(CФ1，CФ2)应用于所述位置信号(X1，X2，Y1，Y2)，所述传递函数(CФ1，CФ2)包含多个校正系数，所述命令装置(28)适合于在致动器的输入点应用所述或者每个致动器命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)，以便指导所述转子(12)的径向位置，
其特征在于，至少一个校正系数持续地取决于所述转子(12)的旋转速度，使得所述命令装置(28)适合于经由所述或者每个命令信号(IX1，IX2，IY1，IY2)来指导所述转子(12)的进动移动的连续偏移。
8.如权利要求7所述的命令装置(28)，其特征在于，至少所述计算设备(34，36)适合于同时计算至少第一(IX1，IX2)和第二(IY1，IY2)致动器命令信号，所述第一命令信号(IX1，IX2)适合于在第一致动器(18A，18B，20A，20B)的输入点注入，所述第一致动器(18A，18B，20A，20B)适合于按照与所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的第一轴线(x)在所述转子(12)上引起力，所述第二命令信号(IY1，IY2)适合于在与所述第一致动器(22A，22B，24A，24B)不同的第二致动器(22A，22B，24A，24B)的输入点注入，所述第二致动器(22A，22B，24A，24B)适合于按照与所述第一轴线(x)和所述旋转轴线(Z-Z’)垂直的第二轴线(y)在所述转子(12)上引起力。
9.如权利要求8所述的命令装置(28)，其特征在于，所述计算设备(34，36)包括倾斜命令单元(48)，这个倾斜命令单元(48)适合于基于位置信号(X1，X2，Y1，Y2)来计算相对于所述致动器(18A，18B，20A，20B，22A，22B，24A，24B)的至少第一(AФX)和第二(AФY)转子(12)倾斜命令信号，所述第一(AФX)和第二(AФY)转子(12)倾斜命令信号分别适合于命令所述转子（12）分别围绕所述第一(x)和第二轴线(y)的倾斜。
10.如权利要求9所述的命令装置(28)，其特征在于，所述计算设备(34，36)包括信号转换单元(50)，所述信号转换单元(50)适合于分别基于所述第一(AФX)和第二(AФY)倾斜命令信号来相应地计算所述第一致动器命令信号(IX1，IX2)的分量(AX1’’，AX2’’)以及所述第二致动器命令信号(IY1，IY2)的分量(AY1’’, AY2’’)。
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