CN109099062B - 一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承 - Google Patents

一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，包括转子系统，转子系统由转子系统控制电路控制，转子系统由转子系统控制电路控制，转子系统控制电路接收来自纹波提取电路位移估计的信号，对转子位置进行位移估计；通过控制PWM产生模块，再经过功率放大电路实时控制磁轴承的偏置电流线圈和动态电流线圈的电流，偏置电流线圈和动态电流线圈匝数相等均匀绕线在磁轴承本体上；本发明通过纹波电流斜率检测对转子位置进行直接估计达到自传感的目的，通过差动计算提取纹波信号，采用动态电流和偏置电流分离的双线圈结构形式，提高了纹波电流的信噪比和转子位置估计的精度；时序简单，估算精度高，运算量少，可显著降低系统的成本和复杂度。

Description

一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承
技术领域
本发明涉及自传感电磁轴承技术领域，具体涉及一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承。
背景技术
电磁轴承具有无接触、零摩擦、不需润滑、低损耗、可控性强等特点，逐步在真空和洁净环境、空间系统、高速加工主轴、医疗设备、透平机械及超导悬浮等领域得到应用。一般来说，传统电磁轴承系统包含位移传感器，系统通过位移传感器实时检测转子的位置信息，控制器根据位置信息通过控制算法得到相应的控制量，控制信号输出到功率放大电路并驱动轴承线圈，实现了转子的稳定悬浮。由此可见，在传统电磁轴承系统中，为了实现转子各个自由度的稳定控制，必须安装多个独立的位移传感器进行转子各自由度位移的实时测量并进行位移反馈。多个位移传感器不仅增加了系统成本，设计电磁轴承系统时还必须考虑位移传感器的安装空间，既增加了系统复杂度，也在使用中带来了装配、维护、以及可靠性等各方面的问题。
自传感电磁轴承是当前电磁轴承技术领域一个很重要的研究方向，其技术特点是通过轴承本身的线圈结构和驱动方式来实时地辨识转子的位置信息，并不需要安装独立的位移传感器来测量转子位移。这是由于电磁轴承工作时转子与定子之间气隙大小的变化会造成线圈等效电感的改变，因此可以通过对线圈电流、电压的直接或间接测量来计算线圈的等效电感，进而估计转子的位置。实现电磁轴承自传感的方法有多种，主要有状态估计法和信号解调法，这两种方法鲁棒性较差且实现较为困难。应用如上方法，在国际上仅在涡轮分子泵和电梯导轨获得了小规模的商业应用。
随着数字信号处理器技术的发展和计算能力的飞速提高，可以通过纹波电流斜率检测对转子位置进行直接估计。在电磁轴承中，为了提高功率放大电路的效率，一般采用PWM调制的开关功率放大电路。由此类功率放大电路驱动的电磁轴承，虽然施加在线圈两端的电压是不连续的，只有两个或多个电平，但线圈电流是连续的，可以看作是一个连续的控制电流上叠加了一个高频的受PWM调制的纹波电流。由于纹波电流的斜率与线圈的电感有关，而PWM开关频率很高(一般在几千到几十千赫兹)，在一个PWM的开关周期内可以认为转子位移不发生变化，因此，可以通过检测纹波电流的斜率来估计转子的位移。为了保证电磁轴承的工作性能，一般纹波电流的幅值都很小，比控制电流分量至少小一个数量级以上。因此，存在纹波电流信号提取的测量精度低，信噪比差等问题，导致了纹波电流斜率估计的自传感方法实现困难。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，改进了纹波电流的提取方法，提高了位置估计精度，简化了线圈形式，使自传感电磁轴承可以更方便的实施。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，包括由转子5和磁轴承4构成的转子系统，转子系统由转子系统控制电路1控制，转子系统控制电路1接收来自纹波提取电路3位移估计的信号，对转子位置进行位移估计；通过控制PWM输出信号占空比，再经过功率放大电路2使其实时控制磁轴承4的偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2的电流，当偏置电流线圈4-1为串联线圈时，动态电流线圈4-2为并联线圈；当偏置电流线圈4-1为并联线圈时，动态电流线圈4-2为串联线圈，纹波提取电路3接收来自并联线圈的电流信号，进行求差等运算电路提取出纹波电流信号；
所述的磁轴承4的偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2匝数相等均匀绕线在磁轴承本体4-3上，并将来自功率放大电路2输出的线圈电流通入对应线圈，产生对转子5的电磁力，对转子系统进行控制。
所述的转子系统控制电路1包括转子位移控制器1-1、偏置电流控制器1-2、动态电流控制器1-3、转子位置估计器1-4、PWM产生模块1-5和AD模块1-6，其中转子位移控制器1-1用PD,PID控制算法对转子位移进行控制，偏置电流控制器1-2和动态电流控制器1-3分别用PI，PID控制算法分别对偏置电流和动态电流进行控制，转子位置估计器1-4对纹波提取电路3输出纹波电流信号的纹波斜率进行计算后通过转子位置估计算法对转子给出位置估计；PWM产生模块1-5输出来自偏置电流控制器1-2和动态电流控制器1-3计算得到的PWM信号，AD模块1-6接收偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2的电流信号用于控制反馈，接收纹波提取电路3的输出纹波电流信号用于估计转子位置；以上模块由DSP、FPGA数字电路或外接电路实现。
所述的转子位置估计算法是一种对线圈电流中开关纹波斜率进行采样并估计的算法，以此进行计算得到转子位置，其实质为含有检测周期和控制周期的PWM时序控制方法，检测周期和控制周期时间长度相等，反复循环；在每个检测周期内，PWM占空比为0.5，在相等的上升段和下降段采用最小二乘法或梯度法等辨识算法提取纹波斜率，算法输入为线圈电流的采样信号，输出为转子5的位移估计信号。
所述的功率放大电路2为多通道两电平电流型PWM开关功率放大电路或多通道三电平电流型PWM开关功率放大电路，分别放大磁轴承4每个自由度的偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2的电流或电压信号。
所述的纹波提取电路3采用电流传感器以差动方式同时测量两个并联线圈的电流，直流偏置量或动态控制量的共模分量互相抵消后，对纹波电流分量则进行差动放大，然后再对该纹波电流信号进一步做信号调理后输出给转子系统控制电路1，以匹配相应控制器中的AD模块1-6的量程。
所述的磁轴承4为主动电磁轴承、电磁-永磁混合轴承、电磁-箔片混合轴承等,包含可控电磁轴承。
本发明的有益效果为：
本发明通过对线圈绕线形式的改变，提高了纹波电流检测的精度和效率，通过对时序的合理分配，保证了对转子位置的动态估计和稳态悬浮同步进行，大幅提高了系统硬件的使用效率，从而降低了成本和复杂度。
附图说明
图1为电磁轴承转子系统的结构示意图。
图2为本发明动态电流线圈并联的电磁轴承系统示意图。
图3为本发明偏置电流线圈并联的电磁轴承系统示意图。
图4为电磁轴承转子系统中单个基于并联差动线圈的电磁轴承示意图，其中图4a为动态电流线圈并联，图4b为偏置电流线圈并联。
图5为转子位置估计算法采集的线圈电流的波形示意图和电磁轴承转子位移估计的时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1、图2和图3，一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，包括由转子5和与之连接的磁轴承4构成的转子系统，磁轴承4位于转子5两端，给转子5提供径向支承，转子系统由转子系统控制电路1控制。转子系统控制电路1接收来自纹波提取电路3位移估计的信号，通过对时序分配，实时估计转子位移，然后按照得到的转子位移进行闭环反馈控制，得到线圈电流PWM调制的控制信号并输出给开关功率放大电路2，开关功率放大电路2再驱动磁轴承4的偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2，实现转子位置的动态估计和稳定悬浮。
所述的转子系统控制电路1包括转子位移控制器1-1、偏置电流控制器1-2、动态电流控制器1-3、转子位置估计器1-4、PWM产生模块1-5和AD模块1-6，其中转子位移控制器1-1用PD,PID等控制算法对转子位移进行控制，偏置电流控制器1-2和动态电流控制器1-3分别用PI，PID等控制算法分别对偏置电流和动态电流进行控制，转子位置估计器1-4对纹波提取电路3输出纹波电流信号的纹波斜率进行计算后通过转子位置估计算法对转子给出位置估计；PWM产生模块1-5输出来自偏置电流控制器1-2和动态电流控制器1-3计算得到的PWM信号，AD模块1-6接收偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2的电流信号用于控制反馈，接收纹波提取电路3的输出纹波电流信号用于估计转子位置；以上模块由DSP、FPGA等数字电路或外接电路实现。
所述的功率放大电路2接收来自转子系统控制电路1的控制信号，每个通道输出一路线圈电流驱动电磁轴承中的一路线圈负载；磁轴承4接收来自功率放大电路2的PWM驱动电流，驱动磁轴承4上的线圈负载。所述的电磁轴承转子系统一般采取分散控制，故功率放大电路2输出各路通道的驱动电流分别连接到磁轴承4上每个轴承每个自由度的线圈负载上；功率放大电路2根据实际应用可能为多通道三电平电流型PWM开关功率放大电路或两电平电流型PWM开关功率放大电路。
所述的纹波提取电路3采用电流传感器以差动方式同时测量两个并联线圈的电流，直流偏置量或动态控制量的共模分量互相抵消后，对纹波电流分量则进行差动放大，然后再对该纹波电流信号进一步做信号调理后输出给转子系统控制电路1，以匹配相应控制器中的AD模块1-6的量程，从而提高测量精度。
所述的磁轴承4的偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2均匀绕线在磁轴承本体4-3上，并将来自功率放大电路2输出的线圈电流通入对应线圈，产生对转子5的电磁力，对转子系统进行控制。由于两并联的线圈电流近似相等，故在线圈纹波电流提取时，直流偏置量或动态控制量相互抵消，得到不含直流偏置量或动态控制量的纹波电流信号，从而提高纹波电流的信噪比和测量精度；故电磁轴承线圈采用双线圈并绕的绕线形式，在每一对线圈中，分别用同样根数的两股电磁线进行双线并绕，匝数相同，分别作为偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2；当偏置电流线圈4-1为串联线圈时，动态电流线圈4-2为并联线圈；当偏置电流线圈4-1为并联线圈时，动态电流线圈4-2为串联线圈。
参照图4，图2中对并联的动态电流线圈4-2提取纹波电流信号并进行转子位置估计，对应的磁轴承4的绕线方式如图4a所示；图3中对并联的偏置电流线圈4-1提取纹波电流信号并进行转子位置估计，对应的绕线方式如图4b所示；偏置电流线圈4-1、动态电流线圈4-2双线并绕等匝数的线圈均匀绕制在磁轴承本体4-3上；磁轴承4可包括若干个磁极。
所述的磁轴承4为主动电磁轴承、电磁-永磁混合轴承、电磁-箔片混合轴承等，包含可控电磁轴承。
所述的转子位置估计算法是一种对线圈电流中开关纹波斜率进行采样并估计的算法，以此进行计算得到转子位置，其实质为含有检测周期和控制周期的PWM时序控制方法，检测周期和控制周期时间长度相等，反复循环；在每个检测周期内，PWM占空比为0.5，在相等的上升段和下降段用如最小二乘法等辨识算法提取纹波斜率；算法输入为线圈电流的采样信号，输出为转子5的位移估计信号。
参照图5，在PWM信号中，每隔一个控制周期就插入一个占空比为0.5的控制周期，该周期用于转子位移的估计，又称为检测周期；在检测周期内，占空比为定值0.5，因而得到的纹波电流上升段和下降段时间相等，并且两部分的纹波电流采样点数相等；检测周期和控制周期往复循环。
所述的PWM信号是指脉冲宽度(占空比)可调制的方波信号，PWM信号具有高电平、低电平两个状态，高电平持续时间和低电平持续时间的和为一个检测周期TPWM。
在纹波检测周期内，设μ0为相对磁导率，Ap为磁极截面积，N为每个电磁铁上的线圈匝数，Udc为线圈电压，iα为上升段的电流，iβ为下降段的电流，M为采样点数，
Figure BDA0001796523530000081
为上升段斜率和下降段斜率之差，其中ξ取1为一对电磁铁的上线圈，2为下线圈，n为任意检测周期，位移估计式为与上下线圈斜率变化差值：
Figure BDA0001796523530000082
为了测得
Figure BDA0001796523530000083
在检测周期内，在上升段(或下降段)有t0,t1,t2...tM-1个采样点，对采样得到的电流纹波值i0,i1,i2...iM-1进行辨识得到电流上升段(或下降段)纹波斜率，进而估计出转子位置。
为了提高电流纹波信号的信噪比和测量精度，采用差动控制提取纹波信号，得到的方案如下：
在图2中，动态电流线圈4-2并联，其中
Figure BDA0001796523530000084
为偏置电流，
Figure BDA0001796523530000085
为动态电流，位移估计式为：
Figure BDA0001796523530000091
在图3中，偏置电流线圈4-1并联，位移估计式为：
Figure BDA0001796523530000092
转子位置估计器的位移估计模型中没有平均电流项，和线圈电阻、转子速度无关，有参数少，计算量少，以差动电流值计算精度高等优点。
由上可见，本发明将偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2分离，利用差动控制及对线圈纹波电流斜率的计算，实现了自传感的位置估计和电磁轴承系统控制，可以有效降低系统成本和系统的复杂度，具有突出显著的技术效果。
以上所举实例仅为本发明的优选实例，大凡依本发明权利要求及发明说明书内所作的简单的等效变化与修饰，皆应属本发明保护覆盖的范围。

Claims (4)

1.一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，包括由转子(5)和与之连接的磁轴承(4)构成的转子系统，转子系统由转子系统控制电路(1)控制，其特征在于：转子系统控制电路(1)接收来自纹波提取电路(3)位移估计的信号，对转子位置进行位移估计；通过控制PWM输出信号占空比，再经过功率放大电路(2)使其实时控制磁轴承(4)的偏置电流线圈(4-1)和动态电流线圈(4-2)的电流，当偏置电流线圈(4-1)为串联线圈时，动态电流线圈(4-2)为并联线圈；当偏置电流线圈(4-1)为并联线圈时，动态电流线圈(4-2)为串联线圈，纹波提取电路(3)接收来自并联线圈的电流信号，进行求差运算电路提取出纹波电流信号；
所述的磁轴承(4)的偏置电流线圈(4-1)和动态电流线圈(4-2)匝数相等均匀绕线在磁轴承本体(4-3)上，并将来自功率放大电路(2)输出的线圈电流通入对应线圈，产生对转子(5)的电磁力，对转子系统进行控制；
所述的转子系统控制电路(1)包括转子位移控制器(1-1)、偏置电流控制器(1-2)、动态电流控制器(1-3)、转子位置估计器(1-4)、PWM产生模块(1-5)和AD模块(1-6)，其中转子位移控制器(1-1)用PD,PID控制算法对转子位移进行控制，偏置电流控制器(1-2)和动态电流控制器(1-3)分别用PI，PID控制算法分别对偏置电流和动态电流进行控制，转子位置估计器(1-4)对纹波提取电路(3)输出纹波电流信号的纹波斜率进行计算后通过转子位置估计算法对转子给出位置估计；PWM产生模块(1-5)输出来自偏置电流控制器(1-2)和动态电流控制器(1-3)计算得到的PWM信号，AD模块(1-6)接收偏置电流线圈(4-1)和动态电流线圈(4-2)的电流信号用于控制反馈，接收纹波提取电路(3)的输出纹波电流信号用于估计转子位置；转子位移控制器(1-1)、偏置电流控制器(1-2)、动态电流控制器(1-3)、转子位置估计器(1-4)、PWM产生模块(1-5)和AD模块(1-6)由DSP、FPGA数字电路或外接电路实现；
所述的转子位置估计算法是一种对线圈电流中开关纹波斜率进行采样并估计的算法，以此进行计算得到转子位置，其实质为含有检测周期和控制周期的PWM时序控制方法，检测周期和控制周期时间长度相等，反复循环；在每个检测周期内，PWM占空比为0.5，在相等的上升段和下降段采用最小二乘法或梯度法辨识算法提取纹波斜率，算法输入为线圈电流的采样信号，输出为转子(5)的位移估计信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，其特征在于：所述的功率放大电路(2)为多通道两电平电流型PWM开关功率放大电路或多通道三电平电流型PWM开关功率放大电路，分别放大磁轴承(4)每个自由度的偏置电流线圈(4-1)和动态电流线圈(4-2)的电流或电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，其特征在于：所述的纹波提取电路(3)采用电流传感器以差动方式同时测量两个并联线圈的电流，直流偏置量或动态控制量的共模分量互相抵消后，对纹波电流分量则进行差动放大，然后再对该纹波电流信号进一步做信号调理后输出给转子系统控制电路(1)，以匹配相应控制器中的AD模块(1-6)的量程。
4.根据权利要求1所述的一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，其特征在于：所述的磁轴承(4)为主动电磁轴承、电磁-永磁混合轴承或电磁-箔片混合轴承。
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磁悬浮轴承转子位移自检测系统研究;王军，徐龙祥;《传感器技术》;20051231;第24卷(第3期);27-29 *
非磁饱和偏置下自传感主动电磁轴承的转子位移协同估计;唐明，祝长生等;《电工技术学报》;20141231;第29卷(第5期);205-212 *

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