CN108999888A - 一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，属于电磁轴承控制领域，尤其涉及一种针对大型卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法。本发明针对现有的缺陷，提出了一种能够保证卧式电磁轴承系统安全、转子不易跌落、抗干扰能力强的转子跌落恢复控制方法。本发明中，传感器实时将信号传输给控制器；控制器将信号进行处理，并与上位机实时进行数据信息交流传输；控制器通过控制算法生成不同的控制信号并输出；不同的控制信号分别经过功率放大器生成电磁轴承中线圈所需的控制电流传输至电磁轴承，用于控制转子四个方向的自由度，电磁轴承根据不同的控制电流输出相对应的电磁力，进而控制转子位置。本发明主要用于卧式电磁轴承转子跌落恢复。

Description

一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法
技术领域
本发明属于电磁轴承控制领域，尤其涉及一种针对大型卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法。
背景技术
电磁轴承具有无需润滑、无机械接触、免维护与更换及主动控制等优点，已成为高速转子的理想轴承，其在储能飞轮、航空航天、核工业、高速机床、透平机械等国防和基础工业部门具有广泛的应用前景。
但当电磁轴承控制器正常工作时，转子有可能由于外界扰动而具有跌落趋势。由碰撞所引起的转子同步振动幅值与相位的改变可削弱电磁轴承控制器对于转子位移的控制能力。目前，应用电磁轴承控制系统时很少考虑转子跌落碰撞所带来的冲击影响。
对于大型高速转子跌落，冲击载荷过大且过于集中，易发生局部失效，使系统功能丧失。高速转子跌落与辅助轴承碰撞过程高度非线性，跌落转子动力学分析十分复杂，控制器的设计难度加大。对电磁轴承转子跌落的理论研究尚不全面，限制了电磁轴承系统的实际应用。只有设计合理的控制方法，才可确保电磁轴承转子系统的稳定。
因此，需要一种能够保证卧式电磁轴承系统安全、转子不易跌落、抗干扰能力强的转子跌落恢复控制方法。
发明内容
本发明针对现有的卧式电磁轴承系统不安全、转子易跌落、抗干扰能力差的缺陷，提出了一种能够保证卧式电磁轴承系统安全、转子不易跌落、抗干扰能力强的转子跌落恢复控制方法。
本发明所涉及的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法的技术方案如下：
本发明所涉及的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，它包括以下步骤：
步骤一、传感器实时将信号传输给控制器；
步骤二、控制器将信号进行处理，并与上位机实时进行数据信息交流传输；
步骤三、控制器通过控制算法生成不同的控制信号并输出；
步骤四、所述不同的控制信号分别经过功率放大器生成电磁轴承中线圈所需的控制电流，所述控制电流传输至电磁轴承；所述电磁轴承包括左径向电磁轴承和右径向电磁轴承；所述电磁轴承控制转子四个方向的自由度，其中，左径向电磁轴承和右径向电磁轴承用于控制转子径向自由度，即X、Y方向平移与旋转；
步骤五、所述电磁轴承根据不同的控制电流输出相对应的电磁力，进而控制转子位置。
更为具体地：在步骤一中，所述传感器包括电流传感器和转子位移传感器，且电流传感器和转子位移传感器实时将电磁轴承的线圈电流信号和转子的位移信号传输给控制器。
更为具体地：在步骤三中，所述控制器根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子位移信号求解悬浮力，计算电磁轴承的线圈电流指令，并比较电磁轴承的线圈电流指令与反馈线圈电流，通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量。
更为具体地：所述控制算法为PID控制算法，所述PID控制算法中，转子采用刚体模型，电磁轴承为线性模型fm＝Ki*ic+ks*s，
其中，fm为输入电流函数，Ki为电流刚度，ic为控制电流，ks为某一方向位移刚度，s为某一方向的位移。
更为具体地：所述PID控制算法包括电磁力计算模块、转子动力学分析计算模块和跌落碰摩计算模块，所述电磁力计算模块、跌落碰摩计算模块和转子动力学分析计算模块的计算方式分别为：
1)电磁力计算模块
基于公式：
其中，Ks为位移刚度，Ki为电流刚度；xa、ya、xb、yb为位移传感器X、Y方向的转子径向位移信号，分别表示转子左、右两传感器界面的转子位移，通过坐标变换矩阵，最终可表示为转子各个方向的自由度，即：x、y方向平移与旋转；ixa、iya、ixb、iyb分别表示对应转子四个自由度的四路电磁轴承线圈控制电流信号，Fxa、Fya、Fxb、Fyb分别表示相对应的电磁力；
2)转子动力学分析计算模块
在竖直转子动力学计算模块中加入碰撞力计算模块：
其中，x、y分别表示转子质心X、Y方向位移，θx与θy表示转子质心绕X与Y方向旋转角度；与表示转子质心绕X与Y方向旋转角速度，与表示转子质心绕X与Y方向旋转角加速度；mg为转子重力，IT为转子极转动惯量，Fm表示电磁力，Fc表示碰撞力，f表示转子所受离心力，下标x、y分别表示X、Y方向，下标a与b分别表示转子左、右两端，sa、sb分别表示左、右传感器与转子质心的距离，la、lb分别表示左右辅助轴承与质心的距离；
3)跌落碰撞计算模块
对于卧式电磁轴承：
转子与辅助轴承的径向碰撞属于线撞类型，轴向碰撞属于面碰撞类型，滚动摩擦发生于转子与辅助轴承内圈的切向速度在数值上完全相等之时；
基于赫兹接触公式：
其中，F为碰撞力，δ为碰撞嵌入深度，为δ为对时间的一次微分量，K为接触刚度，C为碰撞阻尼，e为碰撞接触系数，其数值依据碰撞类型进行选取，对于点接触碰撞，e＝3/2；对于线接触碰撞，e＝10/9；对于面接触碰撞，e＝1；根据以上计算得到各类型碰撞力。
一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法的控制系统，它包括卧式电磁轴承和控制系统，所述卧式电磁轴承包括转子、电磁轴承、控制器、功率放大器、电机、变频器、转子位移传感器和辅助轴承，所述电磁轴承包括左径向电磁轴承和右径向电磁轴承，所述辅助轴承包括左辅助轴承和右辅助轴承，所述转子位移传感器包括左位移传感器和右位移传感器，所述左辅助轴承、左径向电磁轴承、右径向电磁轴承和右辅助轴承依次从左到右位于转子侧面且对称设置，所述左辅助轴承和右辅助轴承均承受径向冲击，所述电机位于左径向电磁轴承与右径向电磁轴承之间，且电机的输入端与变频器的输出端连接，所述电机输出端与转子的输入端连接，用于控制转子轴向旋转；所述左位移传感器设于左辅助轴承和转子之间，所述右位移传感器设于右辅助轴承和转子之间；
所述控制系统包括上位机、控制器、功率放大器、传感器，所述上位机与控制器双向连接，所述左径向电磁轴承和右径向电磁轴承分别通过功率放大器与控制器的输出端连接，所述左位移传感器和右位移传感器均与控制器的输入端连接，所述控制器中集成控制算法。
本发明所涉及的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法的有益效果是：
本发明涉及的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，保证转子受强扰动而跌落碰撞时电磁轴承系统可自动调整并控制转子恢复悬浮位置。在电磁轴承转子控制系统中引入转子跌落灾变时转子位置恢复控制，确保转子受到强扰动位移过大而与辅助轴承碰撞时，减缓转子跌落事故的影响，极大确保电磁轴承转子系统的安全。能够保证卧式电磁轴承系统安全、转子不易跌落、抗干扰能力强的转子跌落恢复控制方法。
附图说明
图1为电磁轴承跌落转子恢复控制方法流程图；
图2为卧式电磁轴承转子结构示意图；
图3为电磁轴承转子控制系统结构图；
图4为PID控制算法时序图；
图5为电磁力计算模块原理图；
图6为转子跌落碰撞模块原理图。
图中：1为转子、2为左径向电磁轴承、3为右径向电磁轴承、4为控制器、5为左位移传感器、6为右位移传感器、7为功率放大器、8为电机、9为变频器、10为左辅助轴承、11为右辅助轴承。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
结合图1-6说明本实施例，在本实施例中，本发明所涉及的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，它包括以下步骤：
步骤一、传感器实时将信号传输给控制器4；
步骤二、控制器4将信号进行处理，并与上位机实时进行数据信息交流传输；
步骤三、控制器4通过控制算法生成不同的控制信号并输出；
步骤四、所述不同的控制信号分别经过功率放大器7生成电磁轴承中线圈所需的控制电流，所述控制电流传输至电磁轴承；所述电磁轴承包括左径向电磁轴承2和右径向电磁轴承3；所述电磁轴承控制转子1四个方向的自由度，其中，左径向电磁轴承2和右径向电磁轴承3用于控制转子1径向自由度，即X、Y方向平移与旋转；
步骤五、所述电磁轴承根据不同的控制电流输出相对应的电磁力，进而控制转子1位置。
更为具体地：在步骤一中，所述传感器包括电流传感器和转子位移传感器，且电流传感器和转子位移传感器实时将电磁轴承的线圈电流信号和转子1的位移信号传输给控制器4。
更为具体地：在步骤三中，所述控制器4根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子1位移信号求解悬浮力，计算电磁轴承的线圈电流指令，并比较电磁轴承的线圈电流指令与反馈线圈电流，通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量。
更为具体地：所述控制算法为PID控制算法，所述控制算法为PID控制算法，所述PID控制算法中，转子1采用刚体模型，电磁轴承为线性模型fm＝Ki*ic+ks*s，
其中，fm为输入电流函数，Ki为电流刚度，ic为控制电流，ks为某一方向位移刚度，s为某一方向的位移。
更为具体地：所述PID控制算法包括电磁力计算模块、转子动力学分析计算模块和跌落碰摩计算模块，所述电磁力计算模块、跌落碰摩计算模块和转子动力学分析计算模块的计算方式分别为：
1)电磁力计算模块
基于公式：
其中，Ks为位移刚度，Ki为电流刚度；xa、ya、xb、yb为位移传感器X、Y方向的转子1径向位移信号，分别表示转子1左、右两传感器界面的转子1位移，通过坐标变换矩阵，最终可表示为转子1各个方向的自由度，即：x、y方向平移与旋转；ixa、iya、ixb、iyb分别表示对应转子1四个自由度的四路电磁轴承线圈控制电流信号，Fxa、Fya、Fxb、Fyb分别表示相对应的电磁力；
2)转子动力学分析计算模块
在竖直转子动力学计算模块中加入碰撞力计算模块：
其中，x、y分别表示转子1质心X、Y方向位移，θx与θy表示转子1质心绕X与Y方向旋转角度；与表示转子1质心绕X与Y方向旋转角速度，与表示转子1质心绕X与Y方向旋转角加速度；mg为转子1重力，IT为转子1极转动惯量，Fm表示电磁力，Fc表示碰撞力，f表示转子1所受离心力，下标x、y分别表示X、Y方向，下标a与b分别表示转子1左、右两端，sa、sb分别表示左、右传感器与转子1质心的距离，la、lb分别表示左右辅助轴承与质心的距离；
3)跌落碰撞计算模块
对于卧式电磁轴承：
转子1与辅助轴承的径向碰撞属于线撞类型，轴向碰撞属于面碰撞类型，滚动摩擦发生于转子1与辅助轴承内圈的切向速度在数值上完全相等之时；
基于赫兹接触公式：
其中，F为碰撞力，δ为碰撞嵌入深度，为δ为对时间的一次微分量，K为接触刚度，C为碰撞阻尼，e为碰撞接触系数，其数值依据碰撞类型进行选取，对于点接触碰撞，e＝3/2；对于线接触碰撞，e＝10/9；对于面接触碰撞，e＝1；根据以上计算得到各类型碰撞力。
一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法的控制系统，它包括卧式电磁轴承和控制系统，所述卧式电磁轴承包括转子1、电磁轴承、控制器4、功率放大器7、电机8、变频器9、转子位移传感器和辅助轴承，所述电磁轴承包括左径向电磁轴承2和右径向电磁轴承3，所述辅助轴承包括左辅助轴承10和右辅助轴承11，所述转子位移传感器包括左位移传感器5和右位移传感器6，所述左辅助轴承10、左径向电磁轴承2、右径向电磁轴承3和右辅助轴承11依次从左到右位于转子1侧面且对称设置，所述左辅助轴承10和右辅助轴承11均承受径向冲击，所述电机8位于左径向电磁轴承2与右径向电磁轴承3之间，且电机8的输入端与变频器9的输出端连接，所述电机8输出端与转子1的输入端连接，用于控制转子1轴向旋转；所述左位移传感器5设于左辅助轴承10和转子1之间，所述右位移传感器6设于右辅助轴承11和转子1之间；
所述控制系统包括上位机、控制器4、功率放大器7、传感器，所述上位机与控制器4双向连接，所述左径向电磁轴承2和右径向电磁轴承3分别通过功率放大器7与控制器4的输出端连接，所述左位移传感器5和右位移传感器6均与控制器4的输入端连接，所述控制器12中集成控制算法。
卧式电磁轴承转子系统：
电磁轴承控制转子四个方向的自由度，即：x、y方向平移与旋转。转子轴向旋转由电机控制。转子两端分别配备各一对辅助轴承，为跌落转子提供临时辅助支承。其中：左、右辅助轴承均承受径向冲击。
电磁轴承转子系统控制原理：
电磁轴承的主动控制中主要部分为控制系统状态参数的采集与控制算法的实现。电磁轴承转子转子整体控制系统包括：上位机、控制器、功率放大器、电磁轴承、转子、传感器等。
主要工作流程为：传感器(电磁轴承电流传感器、转子位移传感器等)实时向控制器(实现转子各自由度主动控制)传递线圈电流、转子位置变化等信号，控制器内部进行信号处理(根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子位移信号求解悬浮力，解算电磁轴承线圈绕组电流指令并比较电磁轴承线圈绕组电流指令与反馈线圈电流，通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量)，并与上位机之间实时数据交流传输。控制器内通过控制算法，生成控制信号，经过功率放大器，生成磁轴承线圈所需的控制电流传递给电磁轴承执行，通过控制电流改变电磁力，进而控制转子位置，使其悬浮。
电磁轴承跌落转子恢复控制算法流程图：加入DSP系统中：
当悬浮转子受到强扰动，转子位移变化并具有跌落的趋势。位移传感器将位移变化信号传递给控制器中的碰撞计算模块，判断是否发生碰撞并进行碰撞力求解(大小，相位)。随后，将预测碰撞力传递给DSP系统与电磁轴承执行器，根据转子所受的碰撞力求解其所需的悬浮力，并调整控制电流，通过改变相应的电磁力而将碰撞转子重新恢复至悬浮状态。

Claims (6)

1.一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一、传感器实时将信号传输给控制器(4)；
步骤二、控制器(4)将信号进行处理，并与上位机实时进行数据信息交流传输；
步骤三、控制器(4)通过控制算法生成不同的控制信号并输出；
步骤四、所述不同的控制信号分别经过功率放大器(7)生成电磁轴承中线圈所需的控制电流，所述控制电流传输至电磁轴承；所述电磁轴承包括左径向电磁轴承(2)和右径向电磁轴承(3)；所述电磁轴承控制转子(1)四个方向的自由度，其中，左径向电磁轴承(2)和右径向电磁轴承(3)用于控制转子(1)径向自由度，即X、Y方向平移与旋转；
步骤五、所述电磁轴承根据不同的控制电流输出相对应的电磁力，进而控制转子(1)位置。
2.根据权利要求1所述的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，在步骤一中，所述传感器包括电流传感器和转子位移传感器，且电流传感器和转子位移传感器实时将电磁轴承的线圈电流信号和转子(1)的位移信号传输给控制器(4)。
3.根据权利要求2所述的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，在步骤三中，所述控制器(4)根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子(1)位移信号求解悬浮力，计算电磁轴承的线圈电流指令，并比较电磁轴承的线圈电流指令与反馈线圈电流，通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量。
4.根据权利要求3所述的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，所述控制算法为PID控制算法，所述PID控制算法中，转子(1)采用刚体模型，电磁轴承为线性模型fm＝Ki*ic+ks*s，
其中，fm为输入电流函数，Ki为电流刚度，ic为控制电流，ks为某一方向位移刚度，s为某一方向的位移。
5.根据权利要求4所述的一种适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，所述PID控制算法包括电磁力计算模块、转子动力学分析计算模块和跌落碰摩计算模块，所述电磁力计算模块、跌落碰摩计算模块和转子动力学分析计算模块的计算方式分别为：
1)电磁力计算模块
基于公式：
其中，Ks为位移刚度，Ki为电流刚度；xa、ya、xb、yb为位移传感器X、Y方向的转子(1)径向位移信号，分别表示转子(1)左、右两传感器界面的转子(1)位移，通过坐标变换矩阵，最终可表示为转子(1)各个方向的自由度，即：x、y方向平移与旋转；ixa、iya、ixb、iyb分别表示对应转子(1)四个自由度的四路电磁轴承线圈控制电流信号，Fxa、Fya、Fxb、Fyb分别表示相对应的电磁力；
2)转子动力学分析计算模块
在竖直转子动力学计算模块中加入碰撞力计算模块：
其中，x、y分别表示转子(1)质心X、Y方向位移，θx与θy表示转子(1)质心绕X与Y方向旋转角度；与表示转子(1)质心绕X与Y方向旋转角速度，与表示转子(1)质心绕X与Y方向旋转角加速度；mg为转子(1)重力，IT为转子(1)极转动惯量，Fm表示电磁力，Fc表示碰撞力，f表示转子(1)所受离心力，下标x、y分别表示X、Y方向，下标a与b分别表示转子(1)左、右两端，sa、sb分别表示左、右传感器与转子(1)质心的距离，la、lb分别表示左右辅助轴承与质心的距离；
3)跌落碰撞计算模块
对于卧式电磁轴承：
转子(1)与辅助轴承的径向碰撞属于线撞类型，轴向碰撞属于面碰撞类型，滚动摩擦发生于转子(1)与辅助轴承内圈的切向速度在数值上完全相等之时；
基于赫兹接触公式：
其中，F为碰撞力，δ为碰撞嵌入深度，为δ为对时间的一次微分量，K为接触刚度，C为碰撞阻尼，e为碰撞接触系数，其数值依据碰撞类型进行选取，对于点接触碰撞，e＝3/2；对于线接触碰撞，e＝10/9；对于面接触碰撞，e＝1；根据以上计算得到各类型碰撞力。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的适用于卧式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法的控制系统，其特征在于，它包括卧式电磁轴承和控制系统，所述卧式电磁轴承包括转子(1)、电磁轴承、控制器(4)、功率放大器(7)、电机(8)、变频器(9)、转子位移传感器和辅助轴承，所述电磁轴承包括左径向电磁轴承(2)和右径向电磁轴承(3)，所述辅助轴承包括左辅助轴承(10)和右辅助轴承(11)，所述转子位移传感器包括左位移传感器(5)和右位移传感器(6)，所述左辅助轴承(10)、左径向电磁轴承(2)、右径向电磁轴承(3)和右辅助轴承(11)依次从左到右位于转子(1)侧面且对称设置，所述左辅助轴承(10)和右辅助轴承(11)均承受径向冲击，所述电机(8)位于左径向电磁轴承(2)与右径向电磁轴承(3)之间，且电机(8)的输入端与变频器(9)的输出端连接，所述电机(8)输出端与转子(1)的输入端连接，用于控制转子(1)轴向旋转；所述左位移传感器(5)设于左辅助轴承(10)和转子(1)之间，所述右位移传感器(6)设于右辅助轴承(11)和转子(1)之间；
所述控制系统包括上位机、控制器(4)、功率放大器(7)、传感器，所述上位机与控制器(4)双向连接，所述左径向电磁轴承(2)和右径向电磁轴承(3)分别通过功率放大器(7)与控制器(4)的输出端连接，所述左位移传感器(5)和右位移传感器(6)均与控制器(4)的输入端连接，所述控制器(12)中集成控制算法。
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