CN103851082A - 磁性轴承系统及其控制方法 - Google Patents

磁性轴承系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种磁性轴承系统及其控制方法。所述磁性轴承系统包括第一电磁铁、与所述第一电磁铁相对的第二电磁铁和设置在所述第一电磁铁与所述第二电磁铁之间的转子。所述第一电磁铁和第二电磁铁配置用于施加磁力。所述系统还包括控制器，所述控制器配置用于确定将转子移动到预定转子设定点所需的控制动作。所述系统进一步包括非线性补偿装置，所述非线性补偿装置配置用于计算所述第一电磁铁的第一电流设定点和所述第二电磁铁的第二电流设定点，以在所述磁性轴承系统的启动、运行和关机中的至少一个期间维持预定硬度。所述第一电流设定点和第二电流设定点基于所述控制器确定的所述控制动作进行计算。

Description

磁性轴承系统及其控制方法
技术领域
本说明书中所述的实施例总体上涉及一种磁性轴承（Magneticbearing）系统，确切地说，涉及一种磁性轴承系统的非线性补偿。
背景技术
主动式磁性轴承系统用于旋转机械系统中，以实现机械系统内旋转件的非接触式支撑。主动式磁性轴承的非接触式特征能够减小转子上的旋转阻力并减少旋转系统的磨损，从而提高旋转系统部件的效率并延长其寿命。
至少一些已知的主动式磁性轴承系统包括至少一对致动器（actuators）或者电磁铁、位置传感器和控制器。所述位置传感器检测转子相对于致动器的位置或者实际空气间隙距离。所述空气间隙距离作为信号传输到控制器，所述控制器将所述实际空气间隙距离与转子运行的优选空气间隙距离（“优选运行设定点”）进行比较。所述控制器随后发出与使转子返回到优选运行设定点所需的轴承电流改变相关的励磁电流。
此类已知的主动式磁性轴承系统通常使用相对于彼此运行的一对致动器。具体来说，随着第一致动器中的电流和力增大，第二致动器中的电流和力大体减小类似的量。施加在转子上的磁力与致动器上的励磁电流之间形成非线性关系。相对于空气间隙距离的优选运行设定点处的连续运行而言，此类非线性关系使这些已知系统在启动和/或关机期间的性能（behave）不同。此外，常规启动例程可能包括将悬浮距离缓慢提高到最大可用空气间隙，以便校准系统并评估着陆轴承（Landing bearing）的剩余寿命。此类过程将经历性能（behaviors）大为不同的广泛运行点范围。
为抵消不同运行点的非线性性能，至少一个已知系统使用偏置电流策略来部分减少主动式磁性轴承在稳态运行点处的非线性性能。此类偏置电流策略通常无法减少在启动和关机过程中的非线性性能。此外，此类策略效率低下，因为两个相对的致动器始终需要电流来产生将转子移动到设定点所需的相对力，因而产生能量浪费。
发明内容
一方面，本发明提供一种磁性轴承系统。所述磁性轴承系统包括第一电磁铁、与所述第一电磁铁相对的第二电磁铁和位于所述第一电磁铁与所述第二电磁铁之间的转子。所述第一电磁铁和第二电磁铁配置用于施加磁力。所述系统还包括控制器，所述控制器配置用于确定将转子移动到预定转子设定点所需的控制动作。所述系统进一步包括非线性补偿装置，所述非线性补偿装置配置用于计算所述第一电磁铁的第一电流设定点和所述第二电磁铁的第二电流设定点，以在所述磁性轴承系统的启动、运行和关机中的至少一个期间维持预定硬度(Predetermined stiffness)。所述第一电流设定点和第二电流设定点基于所述控制器确定的控制动作进行计算。
其中，所述非线性补偿装置独立于所述第一电磁铁和第二电磁铁与所述转子之间的空气间隙距离而产生所述第一电磁铁和第二电磁铁的大体恒定的合成硬度(Resultant stiffness)。
其中，所述非线性补偿装置使所述控制器确定的所述控制动作与施加到所述转子的所述磁力之间产生线性关系。
其中，所述控制动作包括将所述转子移动到预定设定点所需的磁力或将所述转子移动到预定设定点所需的电流。
所述的磁性轴承系统进一步包括连接到所述第一电磁铁和第二电磁铁中的至少一个的至少一个位置传感器，所述至少一个位置传感器配置用于将相对于所述第一电磁铁和第二电磁铁中的至少一个的转子位置信息传输到所述控制器。
其中，所述控制器通过测量所述第一电磁铁和第二电磁铁中的至少一个的电感变化来测量所述转子的位置。
其中，所述非线性补偿装置配置用于在所述磁性轴承系统的启动、运行和关机中的至少一个期间维持大体恒定的致动增益(Actuationgain)。
其中，所述非线性补偿装置进一步配置用于计算所述第一电磁铁的第一电流设定点和所述第二电磁铁的第二电流设定点，以在所述磁性轴承系统的运行期间维持硬度。
其中，所述转子安装在以下任一项中：压缩机、鼓风机、泵、涡轮机、电动机和发电机。
其中，所述转子设定点位于以下任一项处：所述第一电磁铁与第二电磁铁之间的中心位置以及所述第一电磁铁和第二电磁铁之间的偏心位置。
另一方面，本发明提供一种用于控制磁性轴承系统的方法，其中所述磁性轴承系统包括位于相对的第一电磁铁和第二电磁铁之间的转子、控制器以及非线性补偿装置。所述方法包括测量所述第一电磁铁和第二电磁铁与所述转子之间的空气间隙距离。所述方法还包括使用所述非线性补偿装置计算所述第一电磁铁的第一电流设定点和所述第二电磁铁的第二电流设定点，以在所述磁性轴承系统的启动、运行和关机中的至少一个期间维持预定硬度。所述方法进一步包括向所述第一电磁铁施加第一电流设定点和向所述第二电磁铁施加第二电流设定点。
所述的方法进一步包括独立于所述第一电磁铁和第二电磁铁与所述转子之间的所述空气间隙距离，使用所述非线性补偿装置产生所述第一电磁铁和第二电磁铁的大体恒定的合成硬度。
所述的方法进一步包括，使用所述非线性补偿装置，使所述控制器确定的、将所述转子移动到预定转子设定点所需的控制动作与所述第一电磁铁和第二电磁铁向所述转子施加的磁力之间产生线性关系。
所述的方法进一步包括通过所述控制器确定将所述转子移动到预定转子设定点所需的控制动作。
所述的方法进一步包括使用所述非线性补偿装置在所述磁性轴承系统的所有运行点处维持恒定的致动增益。
另一方面，本发明提供一种用于磁性轴承系统的非线性补偿装置。所述非线性补偿装置配置用于计算第一电磁铁的第一电流设定点和第二电磁铁的第二电流设定点，以在所述磁性轴承系统的启动、运行和关机中的至少一个期间维持预定硬度。所述第一电流设定点和第二电流设定点基于控制器确定的将转子移动到预定转子设定点所需的控制动作进行计算。
其中，所述非线性补偿装置独立于所述第一电磁铁和第二电磁铁与所述转子之间的空气间隙距离而产生所述第一电磁铁和第二电磁铁的大体恒定的合成硬度。
其中，所述非线性补偿装置使所述控制器确定的、将所述转子移动到预定转子设定点所需的控制动作与所述第一电磁铁和第二电磁铁向所述转子施加的磁力之间产生线性关系。
其中，所述非线性补偿装置进一步配置用于计算所述第一电磁铁的第一电流设定点和所述第二电磁铁的第二电流设定点，以在所述磁性轴承系统的运行期间维持硬度。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：
图1示出了示例性磁性轴承系统的简化方框图。
图2示出了用于控制磁性轴承系统的示例性方法的流程图。
除非另作说明，否则本说明书中提供的附图用于示出本发明的关键发明特征。可以相信这些关键发明特征适用于包括本发明一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本发明所需的所有传统特征。
具体实施方式
在以下说明和随附权利要求中，将参考多个术语，这些术语的定义如下。
除非上下文明确另作规定，否则单数“一个”、“一种”和“所述”包括复数参考。
“可选”或“可选地”意指后续描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且所述描述同时包括事件发生或者不发生的情况。
本说明书中和权利要求书中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，这些定量表示能够在许可范围内变动，而不改变相关的基本功能。因此，由一个或多个“约”和“大体上”等术语修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪器的精度对应。此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以相结合和/或交替，除非上下文或语言另作规定，否则此类范围均指示并且包括本说明书中包含的所有子范围。
图1示出了示例性主动式磁性轴承系统100的简化方框图。磁性轴承系统100可以实施在具有旋转元件（例如转子102）的旋转机器（未图示）上。此类旋转机器的实例包括但不限于，压缩机、鼓风机、泵、涡轮机、电动机和发电机。在示例性实施例中，磁性轴承系统100包括置于转子102的相对侧上的第一电磁铁104和第二电磁铁106，用于将转子102支撑在非接触式悬浮状态。系统100还包括连接到电磁铁104和106中的至少一个电磁铁的至少一个位置传感器108，用于确定转子102与电磁铁104或106之间的空气间隙距离。若总间隙距离已知，即可通过用总间隙距离减去测量间隙距离得出电磁铁104或106的空气间隙距离，而无需使用位置传感器108。系统100进一步包括控制器110，所述控制器110以通信方式连接（Communicativelycoupled to）以从以通信方式连接到控制器110和电磁铁104和106的位置传感器108和非线性补偿装置112接收指示空气间隙距离的信息，以计算提供给电磁铁104和106以维持在预定负硬度的电流水平。在替代实施例中，非线性补偿装置112可以嵌入控制器110中。在系统100的启动、运行和关机期间维持预定负硬度。非线性补偿装置112确定的电流信号通过功率放大器114产生并且施加到电磁铁104和106。在替代实施例中，每个电磁铁104和106可以是包括永久磁铁和电磁铁组合的混合构造。
在示例性实施例中，位置传感器108配置用于将转子102的位置相关信息传输到控制器110，通常以电压的形式进行传输。通常，位置传感器108经过校准，以便在转子102处于所需设定点时，位置传感器108产生零电压。当转子102移动到此所需设定点以上时产生正电压，并且在移动到其以下时产生负电压。在替代实施例中，系统100可以实施无传感器轴承，其中转子102的位移通过测量电磁铁104和106中的一个电磁铁的电感变化来进行检测。
在示例性实施例中，控制器110和非线性补偿装置112各自包括和/或实施为至少一个处理器。本说明书中所述的处理器包括任何合适的可编程电路，例如但不限于，一个或多个系统和微控制器、微处理器、精简指令集电路（RISC）、专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑电路（PLC）、现场可编程门阵列（FPGA）和/或能够执行本说明书中所述功能的其他任何电路。上述实例仅为示例性的，因此并不用于以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或意义。
在示例性实施例中，控制器110接收位置传感器108发出的空气间隙距离。所述空气间隙距离与第一电磁铁104与转子102之间的距离以及第二电磁铁106与转子102之间的距离相关。控制器110将所述空气间隙距离与空气间隙距离的预定设定点进行比较。在示例性实施例中，控制器110随后基于所述比较产生控制动作信号。所述控制动作表示将转子102定位回预定设定点所需的力。确定控制动作之后，控制器110将控制动作信号传输到非线性补偿装置112。
在示例性实施例中，非线性补偿装置112配置用于为电磁铁104和106的非线性提供补偿。具体来说，在示例性实施例中，非线性补偿装置112配置用于将电磁铁104和106的预定负硬度（Predeterminednegative stiffness）维持在恒定水平。为维持恒定的负硬度，非线性补偿装置112通过控制施加到每个电磁铁104和106的电流来平衡施加到转子102上的引力。如上所述，控制器110将所需的力传输到非线性补偿装置112。还向非线性补偿装置112提供所需水平的负硬度。负硬度的水平为每个应用或系统分别指定。在已知所需的力和所需的负硬度的情况下，通过方程式
Figure BDA0000426858520000071
和
Figure BDA0000426858520000072
确定电磁铁104和106中的电流水平，其中f是控制器110计算出的力，kx是所需的负硬度，k是取决于间隙表面积和磁体线圈匝数的常数，I1和I2是分别为电磁铁104和106计算的电流，l2是电磁铁104或106中的一个电磁铁的空气间隙距离，以及ls是电磁铁104和106的间隙长度的已知总和。I1是I2需要从上述两个方程式确定的两个未知变量。通过计算，可以得到I1和I2的值： I 1 2 = ( l S - l 2 ) 3 ( 2 f + k x l 2 ) 2 kl S 和 I 2 2 = l 2 3 [ k x ( l S - l 2 ) - 2 f ] 2 kl S . 如果将f视作控制变量，则此解唯一。
在示例性实施例中，I1和I2在饱和之前具有最小和最大运行限制。最小电流限制Imin是0A。最大限流限制Imax取决于动力电子设备的功能和电流流过的导线直径。如果I1或I2的值超出其运行限制而变得饱和，则在上述方程式中，饱和电流设置为其限制，此时只剩一个未知的变量来解答两个方程式。在这种情况下，计算非饱和的电流以满足力f的方程式。在此条件下，硬度kx无法实施为恒定值。
在计算I1和I2的值之后，非线性补偿装置112分别传出电磁铁104和106的电流控制信号I1和I2。
在示例性实施例中，电流控制信号I1和I2经过功率放大器114以向电磁铁104和106提供电流，并且提供沿每个电磁铁104和106更正转子102的位置的引力。在一些实施例中，功率放大器114仅为电压开关，其根据控制器110的脉冲宽度调制（PWM）信号在高频率下打开和关闭。
在示例性实施例中，主动式磁性轴承系统100作为闭环系统运作。此外，在示例性实施例中，预定硬度为负并且为系统100的开环特性。非线性补偿装置112将系统100的总体硬度改变为正值并稳定磁性轴承的总体性能。系统100可以具有在每秒2,000到100,000次的采样率，也可以称为具有2kHz到100kHz的采样率频率。
图2示出了用于控制磁性轴承系统的示例性方法200的流程图。在示例性实施例中，磁性轴承系统包括位于相对的第一电磁铁和第二电磁铁之间的转子、控制器以及非线性补偿装置。
在示例性实施例中，所述方法包括202，测量第一电磁铁和第二电磁铁与所述转子之间的空气间隙距离。基于所述空气间隙距离，所述控制器可以确定将转子移动到预定转子设定点所需的控制动作。在一些实施例中，所述控制动作可以是将转子移动到预定转子设定点所需的力。
在示例性实施例中，所述方法还包括204，使用非线性补偿装置计算第一电磁铁的第一电流设定点和第二电磁铁的第二电流设定点，以将所述磁性轴承系统的所有运行点处维持恒定硬度。在一个实施例中，所述非线性补偿装置独立于所述第一电磁铁和第二电磁铁与所述转子之间的空气间隙距离而形成第一电磁铁和第二电磁铁的大体恒定的合成硬度。在另一个实施例中，所述非线性补偿装置产生所述控制器产生的控制动作与所述转子施加的磁力之间的线性关系。在另一个实施例中，所述非线性补偿装置使用所述非线性补偿装置在所述磁性轴承系统的所有运行点处维持恒定的致动增益。
所述方法进一步包括206，向所述第一电磁铁施加第一电流设定点和向所述第二电磁铁施加第二电流设定点。
本说明书中所述的实施例实现磁性轴承在完整线性运行范围上的非线性补偿或者大幅减小非线性运行区域，具体取决于电磁铁功能。此外，所述非线性补偿装置通过减小控制磁性轴承系统中存在的非线性性能所需的坚固性来提高转子的运行性能。此外，全部或几乎全部运行区域中的线性性能使得能够缩短安全经过多个运行点的调试时间并且评估磁性轴承系统的物理性质。
本说明书中所述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下项中的至少一项：（a）提高运行磁性轴承系统中的转子的性能；以及（b）缩短安全经过多个运行点的调试时间并评估磁性轴承系统的物理性质。
以上详细描述了磁性轴承系统的示例性实施例。所述磁性轴承系统及其控制方法并不限于本说明书中所述的特定实施例，相反，本说明书中所述系统的部件和/或方法的步骤可以独立于其他部件和/或步骤使用。例如，所述方法还可以与其他磁性轴承系统和方法结合使用，并不限于仅使用本说明书中所述的磁性轴承系统及其控制方法进行实践。但是，示例性实施例可以结合许多其他磁性轴承系统应用来实施和使用。
尽管本发明多个实施例的特定特征可以在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅用于简要地说明。根据本发明的原则，附图中的任何特征可以接合其他任何附图中的任何特征来参考和/或提出权利要求。
本说明书使用了各种实例来披露本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种磁性轴承系统(100)，包括：
第一电磁铁(104)和与所述第一电磁铁(104)相对的第二电磁铁(106)，所述第一电磁铁(104)和第二电磁铁(106)配置用于施加磁力；
设置在所述第一电磁铁(104)与所述第二电磁铁(106)之间的转子(102)；
控制器(110)，所述控制器(110)配置用于确定将所述转子(102)移动到预定转子设定点所需的控制动作；以及
非线性补偿装置(112)，所述非线性补偿装置(112)配置用于计算所述第一电磁铁(104)的第一电流设定点和所述第二电磁铁(106)的第二电流设定点，以在所述磁性轴承系统(100)的启动、运行和关机中的至少一个期间维持预定硬度，其中所述第一电流设定点和第二电流设定点基于所述控制器(110)确定的所述控制动作进行计算。
2.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，其中所述非线性补偿装置(112)独立于所述第一电磁铁(104)和第二电磁铁(106)与所述转子(102)之间的空气间隙距离而产生所述第一电磁铁(104)和第二电磁铁(106)的大体恒定的合成硬度。
3.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，其中所述非线性补偿装置(112)使所述控制器(110)确定的所述控制动作与施加到所述转子(102)的所述磁力之间产生线性关系。
4.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，其中所述控制动作包括将所述转子(102)移动到预定设定点所需的磁力或将所述转子(102)移动到预定设定点所需的电流。
5.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，进一步包括连接到所述第一电磁铁(104)和第二电磁铁(106)中的至少一个的至少一个位置传感器(108)，所述至少一个位置传感器(108)配置用于将相对于所述第一电磁铁(104)和第二电磁铁(106)中的至少一个的转子位置信息传输到所述控制器(110)。
6.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，其中所述控制器(110)通过测量所述第一电磁铁(104)和第二电磁铁(106)中的至少一个的电感变化来测量所述转子(102)的位置。
7.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，其中所述非线性补偿装置(112)配置用于在所述磁性轴承系统(100)的启动、运行和关机中的至少一个期间维持大体恒定的致动增益。
8.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，其中所述非线性补偿装置(112)进一步配置用于计算所述第一电磁铁(104)的第一电流设定点和所述第二电磁铁(106)的第二电流设定点，以在所述磁性轴承系统(100)的运行期间维持硬度。
9.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，其中所述转子(102)安装在以下任一项中：压缩机、鼓风机、泵、涡轮机、电动机和发电机。
10.根据权利要求1所述的磁性轴承系统(100)，其中所述转子设定点位于以下任一项处：所述第一电磁铁(104)与第二电磁铁(106)之间的中心位置以及所述第一电磁铁(104)和第二电磁铁(106)之间的偏心位置。
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