CN109163012A - 一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，包括PID控制器、功率放大模块、差压检测模块，PID控制器与功率放大模块、差压检测模块电连接，差压检测模块与差动式压力传感器电连接，差动式压力传感器设有上差动式压力传感器、下差动式压力传感器，差动式压力传感器输出压力差值，经过差压检测模块，输出模拟量反馈电压与参考位置设定的电压进行比较，得到电压差值，再经过PID控制器调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大模块输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，驱动磁液双悬浮轴承的控制线圈，实现闭环控制。本该控制系统提高了油腔压力变化测量精度，测量方便，经济实用，成本较低。

Description

一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及磁液双悬浮轴承，确切地说是一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统及其控制方法。

背景技术

磁液双悬浮轴承采用电磁力和静压支承力双重支承，是一种新型的非机械接触的轴承，具有无摩擦、无磨损、承载能力大、运动精度高、使用寿命长等优点；对于磁液双悬浮轴承，转子与轴承之间的间隙小（15μm），因此所需的位移传感器精度高，现有技术所采用的高精度的非接触式电涡流位移传感器的成本很高，影响磁液双悬浮轴承的普及使用。

本发明考虑到经济性的要求，采用差动式压力传感器来检测上下两个支承腔的压力（P1、P2）的变化，并输出模拟量反馈电压U1，测量方便，经济实用，成本较低，同样可以满足控制的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，该控制系统提高了油腔压力变化测量精度，测量方便，经济实用，成本较低。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，包括控制器、功率放大模块、差压检测模块，所述的控制器为PID控制器，PID控制器与功率放大模块、磁液双悬浮轴承本体、差压检测模块依次连接构成闭环控制系统；功率放大模块设有上部功率放大模块、下部功率放大模块，PID控制器与功率放大模块、差压检测模块电连接，差压检测模块与差动式压力传感器电连接，差动式压力传感器设有上差动式压力传感器、下差动式压力传感器，上差动式压力传感器、下差动式压力传感器分别设置在磁液双悬浮轴承本体的上、下两个支承腔中以测量上、下支承腔的压力；差动式压力传感器输出压力差值，经过差压检测模块，输出模拟量反馈电压与参考位置设定的电压进行比较，得到电压差值，再经过PID控制器调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大模块输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，驱动磁液双悬浮轴承的控制线圈，实现闭环控制。

进一步的优选技术方案如下：

所述的磁液双悬浮轴承本体的转子的偏移量通过千分表测量。主要为了确定当转子在外干扰作用下，通过上述闭环控制系统达到稳定时，是否在允许的稳态误差内。千分表安装在磁液双悬浮轴承外侧，指针与主轴接触，只用于测量位移不用于反馈，数据仅有工作人员读数、参考。

单自由度磁液双悬浮轴承控制系统的控制方法，包含以下步骤：

（1）初始状态时，无外干扰作用下，此时可以认为上下两个支承腔压力相等，P₁=P₂，此时差压检测模块输出的模拟量反馈电压U₁与参考位置设定的电压U相同，因此PID控制器输出控制电压Uc为0V，上下两个线圈的电流相等为初始电流i₀；

（2）当在外负载的作用下，转子偏离基准位置时，上下两个支承腔的压力发生改变即P₁≠P₂，此时，因为支承腔压力发生变化，差压检测模块输出模拟量反馈电压U₁与参考位置设定的电压U存在偏差，得到电压差值△U，经过PID控制器调节，输出控制电压Uc，最后，经过功率放大电路输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，使得上下两个线圈的电流I₁、I₂发生改变，上下磁极、的电磁悬浮支承力分别为F_电1、F_电2，电磁合力为F_电合= F_电1 - F_电2；由于转子的偏移会导致油膜厚度发生改变，伴随着上下静压支承腔液阻与压力发生变化，上下静压支承腔支承力发生变化分别为F_液1、F_液2，静压支承合力F_液合=F_液2-F_液1，从而使得产生电磁合力与静压支承合力共同平衡外负载F，通过PID控制器（a）输出相应的控制电压Uc，使得静压支承与电磁支承分别承担一半外负载F，进而使转子达到新的平衡位置。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

1、本发明采用液体静压轴承和电磁轴承相结合的新型磁液双悬浮轴承，具有双重支承的效果，液体静压支承可以弥补电磁支承承载力小的缺点，而电磁支承可以弥补静压支承难以控制的问题。

2、本发明针对支承腔的压力变化，采用了差动式压力传感器来测量上下两个支承腔的压力差△P，并输出模拟量反馈电压U₁，可以提高油腔压力变化测量精度，测量方便，经济实用，成本较低。

附图说明

图1是本发明的框架结构示意图。

附图标记说明：1、PID控制器，2、功率放大模块，3、磁液双悬浮轴承本体，4、差动式压力传感器，5、差压检测模块，6、千分表。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1可知，本发明的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，由PID控制器1与功率放大模块2、磁液双悬浮轴承本体3、差压检测模块5组成，PID控制器1与功率放大模块2、磁液双悬浮轴承本体3、差压检测模块5依次连接构成闭环控制系统；功率放大模块2设有上部功率放大模块、下部功率放大模块，PID控制器1与功率放大模块2、差压检测模块5电连接，差压检测模块5与差动式压力传感器4电连接，差动式压力传感器4设有上差动式压力传感器4、下差动式压力传感器4，上差动式压力传感器4、下差动式压力传感器4分别设置在磁液双悬浮轴承本体3的上、下两个支承腔中以测量上、下支承腔的压力；差动式压力传感器4输出压力差值，经过差压检测模块5，输出模拟量反馈电压与参考位置设定的电压进行比较，得到电压差值，再经过PID控制器1调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大模块2输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，驱动磁液双悬浮轴承的控制线圈，实现闭环控制。

磁液双悬浮轴承本体3的转子的偏移量通过千分表6测量。主要为了确定当转子在外干扰作用下，通过上述闭环控制系统达到稳定时，是否在允许的稳态误差内。千分表6安装在磁液双悬浮轴承外侧，指针与主轴接触，只用于测量位移不用于反馈，数据仅有工作人员读数、参考。

单自由度磁液双悬浮轴承控制系统的控制方法，包含以下步骤：

（1）初始状态时，无外干扰作用下，此时可以认为上下两个支承腔压力相等，P₁=P₂，此时差压检测模块5输出的模拟量反馈电压U₁与参考位置设定的电压U相同，因此PID控制器1输出控制电压Uc为0V，上下两个线圈的电流相等为初始电流i₀；

（2）当在外负载的作用下，转子偏离基准位置时，上下两个支承腔的压力发生改变即P₁≠P₂，此时，因为支承腔压力发生变化，差压检测模块5输出模拟量反馈电压U₁与参考位置设定的电压U存在偏差，得到电压差值△U，经过PID控制器1调节，输出控制电压Uc，最后，经过功率放大电路输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，使得上下两个线圈的电流I₁、I₂发生改变，上下磁极、的电磁悬浮支承力分别为F_电1、F_电2，电磁合力为F_电合= F_电1 - F_电2；由于转子的偏移会导致油膜厚度发生改变，伴随着上下静压支承腔液阻与压力发生变化，上下静压支承腔支承力发生变化分别为F_液1、F_液2，静压支承合力F_液合=F_液2-F_液1，从而使得产生电磁合力与静压支承合力共同平衡外负载F，通过PID控制器1（a）输出相应的控制电压Uc，使得静压支承与电磁支承分别承担一半外负载F，进而使转子达到新的平衡位置。

本实施例的优点在于：

1、本发明采用液体静压轴承和电磁轴承相结合的新型磁液双悬浮轴承，具有双重支承的效果，液体静压支承可以弥补电磁支承承载力小的缺点，而电磁支承可以弥补静压支承难以控制的问题。

2、本发明针对支承腔的压力变化，采用了差动式压力传感器4来测量上下两个支承腔的压力差△P，并输出模拟量反馈电压U₁，可以提高油腔压力变化测量精度，测量方便，经济实用，成本较低。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (3)

1.一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，包括控制器、功率放大模块、差压检测模块，其特征在于：所述的控制器为PID控制器，PID控制器与功率放大模块、磁液双悬浮轴承本体、差压检测模块依次连接构成闭环控制系统；功率放大模块设有上部功率放大模块、下部功率放大模块，PID控制器与功率放大模块、差压检测模块电连接，差压检测模块与差动式压力传感器电连接，差动式压力传感器设有上差动式压力传感器、下差动式压力传感器，上差动式压力传感器、下差动式压力传感器分别设置在磁液双悬浮轴承本体的上、下两个支承腔中以测量上、下支承腔的压力；差动式压力传感器输出压力差值，经过差压检测模块，输出模拟量反馈电压与参考位置设定的电压进行比较，得到电压差值，再经过PID控制器调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大模块输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，驱动磁液双悬浮轴承的控制线圈，实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述的单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述的磁液双悬浮轴承本体的转子的偏移量通过千分表测量。

3.根据权利要求1所述的单自由度磁液双悬浮轴承控制系统的控制方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）初始状态时，无外干扰作用下，此时可以认为上下两个支承腔压力相等，P₁=P₂，此时差压检测模块输出的模拟量反馈电压U₁与参考位置设定的电压U相同，因此PID控制器输出控制电压Uc为0V，上下两个线圈的电流相等为初始电流i₀；

（2）当在外负载的作用下，转子偏离基准位置时，上下两个支承腔的压力发生改变即P₁≠P₂，此时，因为支承腔压力发生变化，差压检测模块输出模拟量反馈电压U₁与参考位置设定的电压U存在偏差，得到电压差值△U，经过PID控制器调节，输出控制电压Uc，最后，经过功率放大电路输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，使得上下两个线圈的电流I₁、I₂发生改变，上下磁极、的电磁悬浮支承力分别为F_电1、F_电2，电磁合力为F_电合= F_电1 - F_电2；由于转子的偏移会导致油膜厚度发生改变，伴随着上下静压支承腔液阻与压力发生变化，上下静压支承腔支承力发生变化分别为F_液1、F_液2，静压支承合力F_液合=F_液2-F_液1，从而使得产生电磁合力与静压支承合力共同平衡外负载F，通过PID控制器（a）输出相应的控制电压Uc，使得静压支承与电磁支承分别承担一半外负载F，进而使转子达到新的平衡位置。