CN109630545B - 一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统及方法。该系统中，差动式位移检测模块检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量，并将偏移量转换为模拟量电压输出至位置控制模块；位置控制模块比较模拟量电压以及参考电压，并根据电压差值输出控制电流；差动式电流检测模块用于检测磁液双悬浮轴承的线圈电流；电流控制模块用于根据控制电流以及线圈电流，输出驱动电流；功率放大模块分别与电流控制模块以及磁液双悬浮轴承连接，用于调整驱动电流，并通过调整好后的驱动电流驱动磁液双悬浮轴承的电磁线圈。本发明采用双闭环控制系统，外环保证转子位置精度以及电磁合力与静压支承合力相等，内环保证磁液双悬浮轴承控制系统具有良好的控制电流。

Description

一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统及方法

技术领域

本发明涉及控制技术领域，特别是涉及一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统及方法。

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。因此对电流控制信号稳定性及抗干扰能力要求较高，传统的单闭环控制系统抗干扰能力不足，往往是通过较大的反馈增益来消除系统的误差等，进而导致控制电流信号易受外界的干扰以及可能超出相关硬件(电磁线圈、功率放大模块)的承载能力，导致电磁线圈等相关硬件烧毁。

发明内容

本发明的目的是提供一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统及方法，采用双闭环控制系统，外环保证转子位置精度以及电磁合力与静压支承合力相等，内环保证磁液双悬浮轴承控制系统具有良好的控制电流。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统，包括差动式位移检测模块、位置控制模块、差动式电流检测模块、电流控制模块以及功率放大模块；所述差动式位移检测模块用于检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量，并将所述所述偏移量转换为模拟量电压输出至所述位置控制模块；所述位置控制模块用于比较所述模拟量电压以及参考电压，并根据电压差值输出控制电流；所述差动式电流检测模块用于检测磁液双悬浮轴承的线圈电流；所述电流控制模块与所述位置控制模块以及所述差动式电流检测模块连接，用于根据所述控制电流以及所述线圈电流，输出驱动电流；所述功率放大模块分别与所述电流控制模块以及所述磁液双悬浮轴承连接，用于调整所述驱动电流，并通过调整好后的驱动电流驱动所述磁液双悬浮轴承的电磁线圈。

可选的，所述差动式电流检测模块、所述电流控制模块以及功率放大模块依次闭合连接，构成电流内环。

可选的，所述差动式位移检测模块、所述位置控制模块以及所述电流内环依次闭合连接，构成电流外环。

可选的，所述功率放大模块包括脉宽调制器、上驱动电路、下驱动电路以及非门；所述脉宽调制器与所述上驱动电路连接，所述非门的一端与所述脉宽调制器连接，另一端与所述下驱动电路连接；所述上驱动电路用于驱动所述磁液双悬浮轴承的上电磁线圈，所述下驱动电路用于驱动磁液双悬浮轴承的下电磁线圈。

可选的，所述磁液双悬浮轴承的定子设有4个径向磁极。

可选的，所述磁液双悬浮轴承的转子与轴承之间的间隙为15-30μm。

本发明还提供了一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制方法，所述方法应用上述控制系统，所述方法包括：

检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量；

将所述所述偏移量转换为模拟量电压；

比较所述模拟量电压以及参考电压，得到电压差值；

根据电压差值输出控制电流；

检测磁液双悬浮轴承的线圈电流；

根据所述控制电流以及所述线圈电流，输出驱动电流；

通过驱动电流驱动所述磁液双悬浮轴承的电磁线圈。

可选的，还包括对所述驱动电流进行调整。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明采用双闭环控制系统，外环保证转子位置精度以及保证电磁合力与静压支承合力时刻几乎相等，内环保证磁液双悬浮轴承控制系统具有良好的控制电流。当转子无偏移即处于基准位置时，功率放大模块的输入为零，此时输出脉冲占空比达到最大，如果转子偏离基准位置向下移动，差动式位移传感器实时输出转子的位移量，位置控制模块的输出传递至功率放大模块，此时上线圈的脉冲电流的占空比大于下线圈脉冲电流的占空比，上线圈吸力变大，下线圈吸力变小，与此同时上腔压力小于下腔压力，在电磁合力与静压支承合力双重作用下，则转子向上移动；最终使得转子达到新的平衡位置。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统的结构框图；

图2为本发明实施例功率放大模块的结构框图；

图3为磁液双悬浮轴承的结构示意图；

图4为本发明实施例单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制方法的流程图。

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做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。

本发明的目的是提供一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统及方法，采用双闭环控制系统，外环保证转子位置精度以及电磁合力与静压支承合力相等，内环保证磁液双悬浮轴承控制系统具有良好的控制电流。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统包括差动式位移检测模块1、位置控制模块2、差动式电流检测模块3、电流控制模块4以及功率放大模块5。所述差动式电流检测模块3、所述电流控制模块4以及功率放大模块5依次闭合连接，构成电流内环。所述差动式位移检测模块1、所述位置控制模块2以及所述电流内环依次闭合连接，构成电流外环。

所述差动式位移检测模块1用于检测磁液双悬浮轴承6的转子的偏移量，并将所述所述偏移量转换为模拟量电压输出至所述位置控制模块2；所述位置控制模块2用于比较所述模拟量电压以及参考电压，并根据电压差值输出控制电流；所述差动式电流检测模块3用于检测磁液双悬浮轴承6的线圈电流；所述电流控制模块4与所述位置控制模块2以及所述差动式电流检测模块3连接，用于根据所述控制电流以及所述线圈电流，输出驱动电流；所述功率放大模块5分别与所述电流控制模块4以及所述磁液双悬浮轴承连6接，用于调整所述驱动电流，并通过调整好后的驱动电流驱动所述磁液双悬浮轴承6的电磁线圈。

如图2所示，所述功率放大模块包括脉宽调制器、上驱动电路、下驱动电路以及非门。所述脉宽调制器与所述上驱动电路连接，所述非门的一端与所述脉宽调制器连接，另一端与所述下驱动电路连接；所述上驱动电路用于驱动所述磁液双悬浮轴承的上电磁线圈，所述下驱动电路用于驱动磁液双悬浮轴承的下电磁线圈。本系统引入了非门电路，则上、下两个功放的脉宽调制信号相位差是180°，这就达到了让脉宽调制信号占空比变化相反目的。当转子无偏移即处于基准位置时，脉宽调制器的输入为零，此时输出脉冲占空比达到最大，如果转子偏离基准位置向下移动，差动式位移传感器实时输出转子的位移量，位置控制模块的输出传递至脉宽调制器，此时上线圈的脉冲电流的占空比大于下线圈脉冲电流的占空比，上线圈吸力变大，下线圈吸力变小，与此同时上腔压力小于下腔压力，在电磁合力与静压支承合力双重作用下，则转子向上移动；最终使得转子达到新的平衡位置。

电流内环防止驱动电流超过线圈承受范围，可以通过电流控制模块以及通过功率放大模块调整，输出满足电磁线圈设计要求驱动电流，驱动磁液双悬浮轴承的电磁线圈，实现电流闭环控制，该控制系统中电流外环能够很好地保证转子有良好位置静态误差以及可保证电磁合力与静压支承合力时刻几乎相等，内环—外环可以起到电磁线圈过载保护以及抗外干扰的能力，提高系统的稳定性。

具体的工作原理如下：

单自由度磁液双悬浮轴承包括转子和定子，所述的转子位于定子内孔，所述的定子设有4个径向磁极，每2个NS磁极布置在同一安装平面内相隔45度成对配合使用，成对磁极布置在同一安装平面上且相互间隔180度，并在每个磁极上加工有通孔，且每对磁极共用一个进油孔，同时每个磁极底部还开设有油腔。转子与轴承之间的间隙为15-30μm。

(1)初始状态时，无外干扰作用下，转子无偏移即处于参考位置，此时差动式位移检测模块输出模拟量电压为U₀，因此位置控制模块的输入电压ΔU为0，因此差动式电流检测模块输入电流i为0，经功率放大模块输出的驱动电流为基准电流i₀。如图3所示，此时上电磁线圈61、下电磁线62的电流相等，及上下电磁吸力相等。而且此时上支承腔64、下支承腔65的流量以及液阻相等，所以上下静压支承力也相等。

初始状态下转子受力平衡方程：

磁液双悬浮轴承采用恒流量的供给模式，使得流入上下支承腔的流量等于节流阀流出的流量，而且初始时上下支承流量相等：

q_1,0＝q_2,0

根据Navier-Stokes方程，可得到上支承腔64、下支承腔65的液体静压支承力f_液,1,0、f_液,2,0为：

式中，θ-中支承腔中心线与转轴中心线夹角；

p_1,0-上支承腔1的压力，MPa；

p_2,0-下支承腔2的压力，MPa；

R₀-支承腔1、2的液阻，N·s/m⁵；

μ-油液的动力粘度，Pa·s；

-支承腔支承流量系数，无量纲；

A_e-支承腔承载面积，m²。

根据麦克斯韦吸引力公式，得到上支承单元63、下支承单元66的电磁悬浮支承力f_电,1,0、f_电,2,0为：

式中，k-电磁常数，H·m；

h₀-初始的液膜厚度，m；

i₀-电磁线圈初始偏置电流，A；；

l-电磁铁的镀锌层厚度，m；

μ₀-空气磁导率，H/m；

N-电磁线圈匝数，无量纲；

A-铁芯面积，m²。

转子力学平衡方程根据牛顿第二定律，得到转子的力学平衡方程：

f_电,1,0+f_液,2,0-f_电,2,0-f_液,1,0＝0。

(2)当转子在外负载的干扰下，转子偏离基准位置时，差动式位移检测模块1检测到转子偏移位移信号并输出对应模拟量电压U₁，输出的模拟量电压U₁与位置控制模块2设定的基准位置对应电压U₀进行比较，得到电压差值ΔU，经过位置控制模块2输出控制电流i，控制电流i经过电流内环控制调节，其中电流内环是由电流控制模块4、功率放大模块5、差动式电流检测模块3依次连接构成的控制电流闭环控制。差动式电流检测模块3用于检测线圈的电流变化，与由位置控制模块2输出的控制电流i进行比较，并由电流控制模块4控制环节进行控制，通过电流控制模块4以及通过功率放大模块5调整，输出具有良好抗干扰以及不会超过电磁线圈承载范围驱动电流。此时转子受力如图3所示，上电磁线圈61、下电磁线圈62产生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)cosθ；由于转子的偏移会导致油膜厚度发生改变，伴随着上下支承腔液阻改变，进而导致压力发生变化，因此磁液双悬浮轴承静压支承力可以自动调节，此时，上、下支承腔支承力发生变化分别为，静压支承合力f_液,合＝(f_液,2-f_液,1)cosθ，从而使得产生电磁合力与静压支承合力分别平衡一半外负载f，进而使转子达到新的平衡位置。

工作状态下转子受力平衡方程：

外载荷作用下，轴承转子的位移变化为x，则上支承腔64、下支承腔65的液膜厚度h₁、h₂为：

上下支承腔液膜厚度的改变，引起上下支承腔液阻和压力的改变(忽略敏感液路对轴承系统的影响)，因此上支承腔64、下支承腔65的流量为：

式中，A_b-支承腔的等效挤压面积，m²。

同理，上支承腔64、下支承腔65的液体静压支承力f_液,1、f_液,2为：

式中，R₁-上支承腔1的液阻，N·s/m5；

R₂-下支承腔2的液阻，N·s/m5；

当转子产生位移时，则通过上下电磁线圈电流分别为(i₀+i)、(i₀-i)，因此上支承单元63、下支承单元66的电磁悬浮支承力为：

式中，i-转子位移引起偏置电流，A；

同理，根据牛顿第二定律，得到转轴的力学平衡方程：

式中，f-转子的外载荷，N；m-转子质量。

对f_液,合在x＝0、

进行线性化处理得：

式中，k_x-位移刚度系数，N/m；k_v-速度刚度系数，N/m·s。

对f_电,合在x＝0，i＝0处进行线性化处理得：

f_电,合＝k_x1x+k_ii

式中，k_x1-位移刚度系数，N/m；k_i-电流刚度系数，N/A。

当磁液双悬浮轴承系统受外干扰的作用下，通过双闭环控制使得转子重新回到平衡位置，而且可以达到电磁合力与静压合力基本上相等的效果即：

由于外干扰作用下转子发生偏移，则位置控制模块产生的控制的控制电流i为：

由于位置模块中转子的位移量是通过差动式位移传感器测量，其输出量对应于模拟量电压，即上式经过转化可以化解为：

如图4所示，本发明还提供了一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制方法，所述方法包括：

步骤401：检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量。

步骤402：将所述所述偏移量转换为模拟量电压。

步骤403：比较所述模拟量电压以及参考电压，得到电压差值。

步骤404：根据电压差值输出控制电流。

步骤405：检测磁液双悬浮轴承的线圈电流。

步骤406：根据所述控制电流以及所述线圈电流，输出驱动电流。

步骤407：通过驱动电流驱动所述磁液双悬浮轴承的电磁线圈。

还包括对所述驱动电流进行调整。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明采用双闭环控制系统，外环保证转子位置精度以及保证电磁合力与静压支承合力时刻几乎相等，内环保证磁液双悬浮轴承控制系统具有良好的控制电流。当转子无偏移即处于基准位置时，功率放大模块的输入为零，此时输出脉冲占空比达到最大，如果转子偏离基准位置向下移动，差动式位移传感器实时输出转子的位移量，位置控制模块的输出传递至功率放大模块，此时上线圈的脉冲电流的占空比大于下线圈脉冲电流的占空比，上线圈吸力变大，下线圈吸力变小，与此同时上腔压力小于下腔压力，在电磁合力与静压支承合力双重作用下，则转子向上移动；最终使得转子达到新的平衡位置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统，其特征在于，包括差动式位移检测模块、位置控制模块、差动式电流检测模块、电流控制模块以及功率放大模块；所述差动式位移检测模块用于检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量，并将所述所述偏移量转换为模拟量电压输出至所述位置控制模块；所述位置控制模块用于比较所述模拟量电压以及参考电压，并根据电压差值输出控制电流；所述差动式电流检测模块用于检测磁液双悬浮轴承的线圈电流；所述电流控制模块与所述位置控制模块以及所述差动式电流检测模块连接，用于根据所述控制电流以及所述线圈电流，输出驱动电流；所述功率放大模块分别与所述电流控制模块以及所述磁液双悬浮轴承连接，用于调整所述驱动电流，并通过调整好后的驱动电流驱动所述磁液双悬浮轴承的电磁线圈；所述功率放大模块包括脉宽调制器、上驱动电路、下驱动电路以及非门；所述脉宽调制器与所述上驱动电路连接，所述非门的一端与所述脉宽调制器连接，另一端与所述下驱动电路连接；所述上驱动电路用于驱动所述磁液双悬浮轴承的上电磁线圈，所述下驱动电路用于驱动磁液双悬浮轴承的下电磁线圈；

所述差动式电流检测模块、所述电流控制模块以及功率放大模块依次闭合连接，构成电流内环；所述差动式位移检测模块、所述位置控制模块以及所述电流内环依次闭合连接，构成电流外环；

单自由度磁液双悬浮轴承包括转子和定子，所述的转子位于定子内孔，所述的定子设有4个径向磁极，每2个NS磁极布置在同一安装平面内相隔45度成对配合使用，成对磁极布置在同一安装平面上且相互间隔180度，并在每个磁极上加工有通孔，且每对磁极共用一个进油孔，同时每个磁极底部还开设有油腔。

2.根据权利要求1所述的单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制系统，其特征在于，所述磁液双悬浮轴承的转子与轴承之间的间隙为15-30μm。

3.一种单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制方法，所述方法应用权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述方法包括：

检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量；

将所述所述偏移量转换为模拟量电压；

比较所述模拟量电压以及参考电压，得到电压差值；

根据电压差值输出控制电流；

检测磁液双悬浮轴承的线圈电流；

根据所述控制电流以及所述线圈电流，输出驱动电流；

通过驱动电流驱动所述磁液双悬浮轴承的电磁线圈。

4.根据权利要求3所述的单自由度磁液双悬浮轴承双闭环控制方法，其特征在于，还包括对所述驱动电流进行调整。

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