CN107612427B - 磁悬浮系统及其电流响应速度检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种磁悬浮系统及其电流响应速度检测方法和装置，在转子处于静态悬浮状态时，用预设频率的正弦波模拟转子的高速运行，实现了静态悬浮状况下检测高转速运行中的电流响应速度。当检测到电流响应速度未达到磁悬浮系统的指标要求时，可以施加控制算法使得电流响应速度达到磁悬浮系统的指标要求。降低在高转速下施加控制算法使得轴承失稳带来的风险，由于减少了高转速下由于电流响应速度不达标带来的控制算法的调节，增强了高转速下轴承控制的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮技术领域，更具体地说，涉及一种磁悬浮系统及其电流响应速度检测方法和装置。
背景技术
在高速旋转的应用场合，磁悬浮轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流，但同时也对磁悬浮轴承的运行稳定性提出更高的要求。
在磁悬浮系统中，磁悬浮轴承的基本工作原理是：通过位置传感器监测转子的位移，将该位移以及转子的参考位移送入控制器得到控制电流，在轴承控制内环中将控制电流与轴承线圈的反馈电流的差值进行电流调节，经运算后输出一定占空比的PWM波，将PWM波作为功率放大器的控制输入信号，通过功率放大器控制电磁铁中电流的大小，使转子悬浮于设定的位置上。所以，功率放大器中的电流响应速度(即电流的变化率)将会直接影响磁悬浮轴承的控制稳定性。
由于磁悬浮轴承在很多场合需要转子高速运行，为了了解此时的电流响应速度，常规的电流响应速度检测需要在转子高速旋转下进行，若响应速度不够，需要施加轴承控制，而在高转速下进行控制算法的调节会对系统的稳定性与安全性产生非常不利的影响，例如，若在电流响应速度检测过程中轴承失稳，转子将直接跌落而与其它部件发生碰撞，碰撞严重时将直接破坏保护轴承，减少磁悬浮系统的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁悬浮系统及其电流响应速度检测方法和装置，以增强高转速下轴承控制的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种磁悬浮系统中的电流响应速度检测方法，包括：
当磁悬浮轴承中的转子处于静态悬浮状态时，将位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波；
将叠加正弦波后的位移，以及所述转子的参考位移送入所述磁悬浮系统的轴承控制器；
对所述磁悬浮系统的功率放大器中的电流响应速度进行检测。
上述方法，优选的，所述预设频率的正弦波的频率，是与所述磁悬浮系统正常工作状态下所述转子的转速相对应的所述转子的位移的变化频率。
上述方法，优选的，所述对所述磁悬浮系统的功率放大器中的电流响应速度进行检测，包括：
通过所述参考位移，所述叠加正弦波后的位移，轴承控制器增益和轴承偏置电流计算所述功率放大器的理想输出电流值；
将所述功率放大器的输出电流值与所述理想输出电流值进行比较，若比较结果表征所述功率放大器的输出电流失真，确定所述功率放大器中的电流响应速度未达到所述磁悬浮系统的指标要求，否则，确定所述功率放大器中的电流响应速度达到所述磁悬浮系统的指标要求。
上述方法，优选的，还包括：
当检测出所述功率放大器中的电流响应速度未达到所述磁悬浮系统的指标要求时，施加轴承控制算法，直至所述功率放大器中的电流响应速度达到所述磁悬浮系统的指标要求。
一种磁悬浮系统中的电流响应速度检测装置，包括：
叠加模块，用于当磁悬浮轴承中的转子处于静态悬浮状态时，将位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波；将叠加正弦波后的位移送入所述磁悬浮系统的轴承控制器；
输入模块，用于将所述转子的参考位移送入所述轴承控制器；
检测模块，用于对所述磁悬浮系统的功率放大器中的电流响应速度进行检测。
上述装置，优选的，所述预设频率的正弦波的频率，是与所述磁悬浮系统正常工作状态下所述转子的转速相对应的所述转子的位移的变化频率。
上述装置，优选的，所述检测模块，包括：
计算单元，用于通过所述参考位移，所述叠加正弦波后的位移，控制器增益和轴承偏置电流计算所述功率放大器的理想输出电流值；
比较单元，用于将所述功率放大器的输出电流值与所述理想输出电流值进行比较，若比较结果表征所述功率放大器的输出电流失真，确定所述功率放大器中的电流响应速度未达到所述磁悬浮系统的指标要求，否则，确定所述功率放大器中的电流响应速度达到所述磁悬浮系统的指标要求。
上述装置，优选的，所述轴承控制器用于当所述检测模块检测出所述功率放大器中的电流响应速度未达到所述磁悬浮系统的指标要求时，施加轴承控制算法，直至所述功率放大器中的电流响应速度达到所述磁悬浮系统的指标要求。
一种磁悬浮系统，包括如上任意一电流响应速度检测装置。
本申请实施例提供的磁悬浮系统及其电流响应速度检测方法和装置，在转子处于静态悬浮状态时，用预设频率的正弦波模拟转子的高速运行，实现了静态悬浮状况下检测高转速运行中的电流响应速度。当检测到电流响应速度未达到磁悬浮系统的指标要求时，可以施加控制算法使得电流响应速度达到磁悬浮系统的指标要求。降低在高转速下施加控制算法使得轴承失稳带来的风险，由于减少了高转速下由于电流响应速度不达标带来的控制算法的调节，增强了高转速下轴承控制的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施提供的电流响应速度检测方法的一种实现流程图；
图2为现有技术中磁悬浮系统中电流响应速度检测框图；
图3为参考位移、反馈位移相对关系示意图；
图4为本申请实施提供的磁悬浮系统中电流响应速度检测框图；
图5为本申请实施提供的电流响应速度检测装置的一种结构示意图；
图6为本申请实施提供的检测模块的一种结构示意图。
说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的部分，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示的以外的顺序实施。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的电流响应速度检测方法的一种实现流程图，可以包括：
步骤S11：当磁悬浮轴承中的转子处于静态悬浮状态时，将磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波。
本申请实施例中，若需要进行电流响应速度检测时，转子正处于旋转状态，则可以通过如下两种方式中的任意一种控制转子处于静态悬浮状态：
方式一，人为控制转子处于静态悬浮状态。即人为对磁悬浮系统中的可操作部件进行操作，从而使得转子处于静态悬浮状态。
基于方式一，本申请的一个可选实施例可以为：将磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波之前，先检测转子是否处于旋转状态，若处于旋转状态，则输出提示信息，提示用户先控制转子处于静态悬浮状态，用户注意到提示信息后，对磁悬浮系统中的可操作部件进行操作，从而使得转子处于静态悬浮状态。当用户控制转子处于静态悬浮状态后，触发生成完成指令，该完成指令用于指示转子已处于静态悬浮状态，磁悬浮系统接收到该完成指令后，执行将磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波的步骤。
基于方式一，也可以人为观察转子是否处于旋转状态，若处于旋转状态，则对磁悬浮系统中的可操作部件进行操作，从而使得转子处于静态悬浮状态。然后，人为启动电流响应速度检测功能。
方式二，自动控制转子处于静态悬浮状态。
基于方式二，本申请的一个可选实施例可以为：将磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波之前，先检测转子是否处于旋转状态，若处于旋转状态，则自动控制转子进入静态悬浮状态。
上述检测转子是否处于旋转状态的一种实现方式可以为：检测磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移是否为正弦波，若是，确定转子处于旋转状态，否则确定转子处于静态悬浮状态。
该预设频率的正弦波可以由波形生成器生成。
发明人在实现本申请的过程中发现，正常运行时，转子的位移就是一个某种频率的正弦波。而且，转速越高，正弦波的频率越高。因此，本申请中，预设频率的正弦波的频率，是与磁悬浮系统正常工作状态下转子的转速相对应的转子的位移的变化频率。
步骤S12：将叠加正弦波后的位移，以及所述转子的参考位移送入磁悬浮系统的轴承控制器。
也就是说，本申请实施例中，用静态悬浮状态下叠加正弦波后的位移模拟在转子高转速(例如，转速大于或等于40000转/分钟)状态下位置传感器监测到的转子的位移。
轴承控制器对参考位移与叠加正弦波后的位移的差值进行调节，得到控制电流。在轴承控制内环中将控制电流与轴承线圈的反馈电流的差值进行电流调节，经运算后输出一定占空比的PWM波，将PWM波作为功率放大器的控制输入信号，通过功率放大器控制电磁铁中电流的大小，使转子悬浮于设定的位置上。
步骤S13：对磁悬浮系统的功率放大器中的电流响应速度进行检测。
本申请实施例提供的电流响应速度检测方法，在转子处于静态悬浮状态时，用预设频率的正弦波模拟转子的高速运行，实现了静态悬浮状况下检测高转速运行中的电流响应速度。当检测到电流响应速度未达到磁悬浮系统的指标要求时，可以施加控制算法使得电流响应速度达到磁悬浮系统的指标要求。降低在高转速下施加控制算法使得轴承失稳带来的风险，由于减少了高转速下由于电流响应速度不达标带来的控制算法的调节，从而增强了高转速下轴承控制的稳定性。
如图2所示，为现有技术中磁悬浮系统中电流响应速度检测框图。
转子的参考位移Xref与位移传感器的反馈值Xfdb的差值经过轴承控制器进行调节，得到控制电流Iref；在内环中将控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值进行电流调节，经运算后输出一定占空比的PWM波，作为功率放大器的控制输入信号，功率放大器将这一信号转换成控制电流Iout，控制电流在电磁铁中产生磁力，这种磁力作用于转子，实现对转子的悬浮控制。
请参阅图3，图3为参考位移、反馈位移相对关系示意图。当参考位移Xref小于反馈位移Xfdb时(图3中反馈位移在参考位移的下方)，根据轴承控制逻辑，轴承控制电流(即功率放大器的输出电流)应该产生一个向上的力，且电流大小为
Gpid为轴承控制器增益，I0为轴承偏置电流。
若此时控制电流Iout电流响应速度不够，即输出电流产生了失真(幅值突变或者相位突变)，使得转子出力不够或者不及时，这样转子就无法恢复到参考位移，将直接影响轴承的控制精度与稳定性。参考位移大于反馈位移时(图3中反馈位移在参考位移的上方)情况同理。
如图4所示，为本申请实施例提供的磁悬浮系统中电流响应速度检测框图。
在转子静态悬浮情况下，在反馈位移Xfdb中叠加一个一定频率的正弦波，叠加正弦波后的位移X'fdb即可代表高速运行下的轴承位移。此时，参考位移Xref与叠加正弦波后的位移X'fdb的差值也是一个正弦波，经过轴承控制器的调节作用，控制电流Iref也将是正弦信号，经过轴承内环控制，跟踪轴承控制输出电流Iout。
若输出电流Iout与幅值、相位相同，则表明磁悬浮轴承在此频率下的电流响应速度是可以满足控制要求的，即达到了系统的指标要求。若输出电流Iout产生了失真，如，或者，或者，相位延时，或者相位超前，说明磁悬浮轴承在此频率下的电流响应速度未达到系统的指标要求，这对高转速旋转的系统来说，很可能会造成系统失稳。此时可施加轴承控制算法，在施加轴承控制算法的过程中，会一直在反馈位移Xfdb中叠加上述一定频率的正弦波，并对电流响应速度进行检测，直至输出电流幅值、相位满足系统控制需要，提高了系统的控制稳定性，控制稳定了，使得系统的控制精度也提高了。
需要说明的是，如图4所示，参考位移Xref与叠加正弦波后的位移X'fdb的差值运算可以在轴承控制器内完成。当然，参考位移Xref与叠加正弦波后的位移X'fdb的差值运算也可以在轴承控制器外完成(可参看图3)，不管以何种方式完成，只要轴承控制器能够获得参考位移Xref与叠加正弦波后的位移X'fdb的差值的方式都属于本申请的保护范围。
与方法实施例相对应，本申请实施例还提供一种电流响应速度检测装置。如图5所示，为本申请实施例提供的电流响应速度检测装置的一种结构示意图，可以包括：
叠加模块51，用于当磁悬浮轴承中的转子处于静态悬浮状态时，将位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波；将叠加正弦波后的位移送入磁悬浮系统的轴承控制器；
本申请实施例中，叠加模块51在执行将位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波之前，可以先判断转子是否处于旋转状态，若处于旋转状态，则先控制转子处于静态悬浮状态。具体可以通过如下两种方式中的任意一种控制转子处于静态悬浮状态：
方式一，人为控制转子处于静态悬浮状态。即人为对磁悬浮系统中的可操作部件进行操作，从而使得转子处于静态悬浮状态。
基于方式一，本申请的一个可选实施例可以为：叠加模块51将磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波之前，先检测转子是否处于旋转状态，若处于旋转状态，则输出提示信息，提示用户先控制转子处于静态悬浮状态，用户注意到提示信息后，对磁悬浮系统中的可操作部件进行操作，从而使得转子处于静态悬浮状态。当用户控制转子处于静态悬浮状态后，触发生成完成指令，该完成指令用于指示转子已处于静态悬浮状态，叠加模块51接收到该完成指令后，执行将磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波的步骤。
基于方式一，也可以人为观察转子是否处于旋转状态，若处于旋转状态，则对磁悬浮系统中的可操作部件进行操作，从而使得转子处于静态悬浮状态。然后，人为启动电流响应速度检测功能，即触发叠加模块51将磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波。
方式二，自动控制转子处于静态悬浮状态。
基于方式二，本申请的一个可选实施例可以为：叠加模块51将磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波之前，先检测转子是否处于旋转状态，若处于旋转状态，则自动控制转子进入静态悬浮状态。
叠加模块51检测转子是否处于旋转状态的一种实现方式可以为：检测磁悬浮系统的位置传感器监测到的转子的位移是否为正弦波，若是，确定转子处于旋转状态，否则确定转子处于静态悬浮状态。
该预设频率的正弦波可以由波形生成器生成。
其中，预设频率的正弦波的频率，是与磁悬浮系统正常工作状态下转子的转速相对应的转子的位移的变化频率。
输入模块52，用于输入模块用于将转子的参考位移送入轴承控制器。
也就是说，本申请实施例中，用静态悬浮状态下叠加正弦波后的位移模拟在转子高转速(例如，转速大于或等于40000转/分钟)状态下位置传感器监测到的转子的位移。
轴承控制器对参考位移与叠加正弦波后的位移的差值进行调节，得到控制电流。在轴承控制内环中将控制电流与轴承线圈的反馈电流的差值进行电流调节，经运算后输出一定占空比的PWM波，将PWM波作为功率放大器的控制输入信号，通过功率放大器控制电磁铁中电流的大小，使转子悬浮于设定的位置上。
检测模块53，用于对磁悬浮系统的功率放大器中的电流响应速度进行检测。
本申请实施例提供的电流响应速度检测装置，在转子处于静态悬浮状态时，用预设频率的正弦波模拟转子的高速运行，实现了静态悬浮状况下检测高转速运行中的电流响应速度。当检测到电流响应速度未达到磁悬浮系统的指标要求时，可以施加控制算法使得电流响应速度达到磁悬浮系统的指标要求。降低在高转速下施加控制算法使得轴承失稳带来的风险，由于减少了高转速下由于电流响应速度不达标带来的控制算法的调节，从而增强了高转速下轴承控制的稳定性。
在一可选的实施例中，检测模块53的一种结构示意图如图6所示，可以包括：
计算单元61，用于通过参考位移，叠加正弦波后的位移，控制器增益和轴承偏置电流计算功率放大器的理想输出电流值；
比较单元62，用于将功率放大器的输出值与理想输出电流值进行比较，若比较结果表征功率放大器的输出电流失真，确定功率放大器中的电流响应速度未达到磁悬浮系统的指标要求，否则，确定功率放大器中的电流响应速度达到磁悬浮系统的指标要求。
这里电流值的比较，包括幅值和/或相位的比较。
在一可选的实施例中，当检测模块检测出功率放大器中的电流响应速度未达到磁悬浮系统的指标要求时，轴承控制器施加轴承控制算法，直至功率放大器中的电流响应速度达到磁悬浮系统的指标要求。
本申请实施例还提供一种磁悬浮系统，该磁悬浮系统具有如上任意一装置实施例公开的电流响应速度检测装置。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统(若存在)、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种磁悬浮系统中的电流响应速度检测方法，其特征在于，包括：
当磁悬浮轴承中的转子处于静态悬浮状态时，将位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波；
将叠加正弦波后的位移，以及所述转子的参考位移送入所述磁悬浮系统的轴承控制器；
对所述磁悬浮系统的功率放大器中的电流响应速度进行检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设频率的正弦波的频率，是与所述磁悬浮系统正常工作状态下所述转子的转速相对应的所述转子的位移的变化频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述磁悬浮系统的功率放大器中的电流响应速度进行检测，包括：
通过所述参考位移，所述叠加正弦波后的位移，轴承控制器增益和轴承偏置电流计算所述功率放大器的理想输出电流值；
将所述功率放大器的输出电流值与所述理想输出电流值进行比较，若比较结果表征所述功率放大器的输出电流失真，确定所述功率放大器中的电流响应速度未达到所述磁悬浮系统的指标要求，否则，确定所述功率放大器中的电流响应速度达到所述磁悬浮系统的指标要求。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
当检测出所述功率放大器中的电流响应速度未达到所述磁悬浮系统的指标要求时，施加轴承控制算法，直至所述功率放大器中的电流响应速度达到所述磁悬浮系统的指标要求。
5.一种磁悬浮系统中的电流响应速度检测装置，其特征在于，包括：
叠加模块，用于当磁悬浮轴承中的转子处于静态悬浮状态时，将位置传感器监测到的转子的位移叠加一预设频率的正弦波；将叠加正弦波后的位移送入所述磁悬浮系统的轴承控制器；
输入模块，用于将所述转子的参考位移送入所述轴承控制器；
检测模块，用于对所述磁悬浮系统的功率放大器中的电流响应速度进行检测。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述预设频率的正弦波的频率，是与所述磁悬浮系统正常工作状态下所述转子的转速相对应的所述转子的位移的变化频率。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测模块，包括：
计算单元，用于通过所述参考位移，所述叠加正弦波后的位移，控制器增益和轴承偏置电流计算所述功率放大器的理想输出电流值；
比较单元，用于将所述功率放大器的输出电流值与所述理想输出电流值进行比较，若比较结果表征所述功率放大器的输出电流失真，确定所述功率放大器中的电流响应速度未达到所述磁悬浮系统的指标要求，否则，确定所述功率放大器中的电流响应速度达到所述磁悬浮系统的指标要求。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述轴承控制器用于当所述检测模块检测出所述功率放大器中的电流响应速度未达到所述磁悬浮系统的指标要求时，施加轴承控制算法，直至所述功率放大器中的电流响应速度达到所述磁悬浮系统的指标要求。
9.一种磁悬浮系统，其特征在于，包括如权利要求5-8任意一项所述的电流响应速度检测装置。
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