CN109681527A - 一种具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法，轴承包含定子、转子、数字控制器、以及4n个功率放大器；定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，定子和转子之间设有两个位移传感器；功率放大器和磁极线圈一一对应相连；数字控制器分别和两个位移传感器、4n个功率放大器相连。工作时，以定子内孔中心为坐标原点、转子轴心与坐标原点的连线作为y轴建立平面坐标系，4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极；分别对A和B两组磁极进行激磁，如果存在PMW波占空比异常的功率放大器，则控制其输出零电流至其对应的磁极线圈。本发明使得径向磁悬浮轴承比承载力大幅度增加，且具有冗余功能。

Description

一种具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法

技术领域

本发明涉及高速旋转机械领域，尤其涉及一种具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法。

背景技术

磁悬浮轴承是利用电磁力将转子无机械接触地悬浮起来的一种新型支承，包括机械本体、传感器、数字控制器、功率放大器等环节。与传统轴承（滚动轴承和油滑动轴承）相比，磁悬浮轴承与转子无机械接触，使用寿命长，维护费用低，无需润滑和密封，可长期用于高低温等特殊环境中，被认为是支承技术的一次革命，是目前唯一投入实用的主动支承装置。

磁悬浮轴承一般用于高速旋转机械。高速旋转机械是工业装置的核心关键设备，而磁悬浮轴承又是高速旋转机械的最核心关键部件。磁悬浮轴承机械本体长时间处于高温环境中，在某些场合，如磁悬浮蒸汽压缩机或余热回收发电机，其工作环境中的湿度和腐蚀性介质浓度还较高，容易造成磁悬浮轴承失效，引发重大事故, 甚至重大灾难，因此，要求磁悬浮轴承在实际应用环境中具有高可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法，提高磁悬浮轴承的可靠性，保证高速旋转机械能够安全稳定运行。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法，所述径向磁悬浮轴承包含定子、转子、数字控制器、以及4n个功率放大器，n为大于等于2的整数；

所述定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，所述磁极上均设有线圈、且各个线圈相互独立；所述定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量、并将其传递给所述数字控制器；

所述4n个功率放大器分别和所述4n个磁极线圈一一对应相连，用于产生PWM波以控制其对应磁极线圈中电流的大小、并将其产生的PWM波传递给所述数字控制器；

所述数字控制器分别和所述第一移传感器、第二位移传感器、4n个功率放大器相连，用于根据第一移传感器、第二位移传感器、4n个功率放大器传递的信号控制4n个功率放大器产生相应的电流至其对应的磁极线圈中；

所述具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法包含以下步骤：

步骤1），根据第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量，集合转子的直径，计算出转子轴心相对定子内孔中心的位置，并将其传递给数字控制器；

步骤2），数字控制器以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子轴心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子轴心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子轴心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极，其中A组磁极靠近y轴正方向，B组磁极远离y轴正方向；

步骤3），数字控制器根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I₀，根据转子轴心和坐标原点的距离生成控制电流i_c；

步骤4），数字控制器控制4n个功率放大器工作，使得远离y轴正方向的B组磁极均以I₀+i_c激磁、靠近y轴正方向的A组磁极均以I₀-i_c激磁，进而使得转子轴心在y方向差动电磁力的作用下回到坐标原点；

步骤5）4n个功率放大器均将其PWM波传递给数字控制器；

步骤6），数字控制器分别计算各个功率放大器PWM波的占空比以及这些占空比的占空比算术平均值，并求得各个功率放大器PWM波占空比除以占空比算术平均值后减去1的误差绝对值；

步骤7），数字控制器将各个功率放大器的误差绝对值和预设的误差阈值进行比较，如果存在功率放大器的误差绝对值大于等于预设的误差阈值，则控制该功率放大器输入零电流至其相应的磁极线圈，使得该磁极线圈被屏蔽，不参与支承转子。

作为本发明具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法进一步的优化方案，所述第一位移传感器、第二位移传感器采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

全部4n个磁极线圈相互独立，分别由4n个功率放大器提供电流；当某一磁极线圈出现故障时，数字控制器输出零信号给相应的功率放大器，相应的功率放大器输出零电流给相应的磁极线圈，即该磁极线圈被屏蔽，不参与支承转子，此时由剩余磁极线圈产生支承作用，磁悬浮轴承并没有完全失去支承功能，因此具有冗余功能。

附图说明

图1是某一时刻径向磁悬浮轴承和转子相对位置示意图；

图2是某一时刻采用常规的径向磁悬浮轴承的控制方法时的磁极位置示意图；

图3是某一时刻采用本发明的径向磁悬浮轴承的控制方法时的磁极位置示意图；

图4是本发明的径向磁悬浮轴承控制方法的系统框图；

图中，1-第一位移传感器，2-第二位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

常规的径向磁悬浮轴承的控制方法可描述为，径向磁悬浮轴承包含4n个磁极，不论转子轴心位于径向磁悬浮轴承内孔的哪个位置，以径向磁悬浮轴承的内孔中心为坐标原点，在平行于径向磁悬浮轴承端面的平面内建立固定平面坐标系，通常定义水平方向为x轴，垂直方向为y轴，向右为x轴正方向，向上为y轴正方向；以每个磁极的对称中心线与x轴的夹角的绝对值作为依据，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被固定地等分为磁极数相等四个组：XA、XB、YA、YB，各组磁极内的各个磁极线圈通过串联方式连接；XA组、XB组磁极相对布置，组成X区磁极；YA组、YB组相对布置，组成Y区磁极；X区中磁极的对称中心线与x轴的夹角的绝对值小于Y区磁极的对称中心线与x轴的夹角的绝对值。令XA组磁极靠近x轴正方向，XB组磁极远离x轴正方向，YA组磁极靠近y轴正方向，YB组磁极远离y轴正方向，当n分别为2、3、4或5时，每组磁极的磁极数分别为2、3、4或5。当转子轴心在x和y方向均发生偏移时，电控系统根据偏置磁感应强度设计值生成偏置电流I₀，根据转子轴心在x和y方向偏离坐标轴的距离分别生成控制电流i_cx和i_cy；在x方向远离转子轴心的XA或XB组磁极以（I₀+i_cx）激磁，在x方向靠近转子轴心的XB或XA组磁极以（I₀-i_cx）激磁，在y方向远离转子轴心的YA或YB组磁极以（I₀+i_cy）激磁，在y方向靠近转子轴心的YB或YA组磁极以（I₀-i_cy）激磁；转子在x和y方向分别同时受到两组磁极的吸力作用，即受到x和y方向差动电磁力的共同作用，迫使转子轴心回到坐标原点；当转子轴心只在x或y方向发生偏移时，则只有对应的X或Y区磁极的两组磁极产生差动电磁力，而对应的Y或X区磁极的两组磁极不产生差动电磁力。

需要说明的是，采用常规的径向磁悬浮轴承的控制方法时，由于X和Y两区磁极分别固定并独立控制转子轴心在x和y方向的位置，并且XA、XB、YA、YB四组磁极内的各个磁极线圈通过串联方式连接，当某一磁极线圈出现故障，磁悬浮轴承立即在某一方向完全失去支承功能，造成高速转子与静止件碰撞，引发重大事故。

本发明公开了一种具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法，其中，径向磁悬浮轴承包含定子、转子、数字控制器、以及4n个功率放大器，n为大于等于2的整数；

所述定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，所述磁极上均设有线圈、且各个线圈相互独立；所述定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量、并将其传递给所述数字控制器；

所述4n个功率放大器分别和所述4n个磁极线圈一一对应相连，用于产生PWM波以控制其对应磁极线圈中电流的大小、并将其产生的PWM波传递给所述数字控制器；

所述数字控制器分别和所述第一移传感器、第二位移传感器、4n个功率放大器相连，用于根据第一移传感器、第二位移传感器、4n个功率放大器传递的信号控制4n个功率放大器产生相应的电流至其对应的磁极线圈中。

第一位移传感器、第二位移传感器可以采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种。

该具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法，包含以下步骤：

步骤1），根据第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量，集合转子的直径，计算出转子轴心相对定子内孔中心的位置，并将其传递给数字控制器；

步骤2），数字控制器以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子轴心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子轴心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子轴心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极，其中A组磁极靠近y轴正方向，B组磁极远离y轴正方向；

步骤3），数字控制器根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I₀，根据转子轴心和坐标原点的距离生成控制电流i_c；

步骤4），数字控制器控制4n个功率放大器工作，使得远离y轴正方向的B组磁极均以I₀+i_c激磁、靠近y轴正方向的A组磁极均以I₀-i_c激磁，进而使得转子轴心在y方向差动电磁力的作用下回到坐标原点；

步骤5）4n个功率放大器均将其PWM波传递给数字控制器；

步骤6），数字控制器分别计算各个功率放大器PWM波的占空比以及这些占空比的占空比算术平均值，并求得各个功率放大器PWM波占空比除以占空比算术平均值后减去1的误差绝对值；

步骤7），数字控制器将各个功率放大器的误差绝对值和预设的误差阈值进行比较，如果存在功率放大器的误差绝对值大于等于预设的误差阈值，则控制该功率放大器输入零电流至其相应的磁极线圈，使得该磁极线圈被屏蔽，不参与支承转子。

需要说明的是，由于每个磁极线圈的设计参数相同，在输入相同的激磁电流时，功率放大器内的PWM波占空比基本相同，即A组和B组磁极中的2n个磁极线圈所对应的PWM波占空比分别基本相同；当某一个磁极线圈由于高温、高湿或者腐蚀性介质造成匝间短路或者对地短路时，磁极线圈的等效负载明显减小，则功率放大器输出同样激磁电流时的PWM波占空比会出现明显不同；数字控制器根据某一PWM波占空比与其他PWM波占空比明显不同，即可判断相应的磁极线圈出现匝间短路或者对地短路。

还需要说明的是，采用本发明提供的径向磁悬浮轴承的控制方法时，一旦某个磁极线圈发生故障，数字控制器可以及时自动将故障信息和故障位置发送至系统上位机，并根据剩余磁极线圈的电流值是否接近最大值，而发出报警和停机信号。

下面通过举例，进一步说明两种径向磁悬浮轴承的控制方法的区别。

举例：径向磁悬浮轴承包含8个磁极，每个磁极上均安置有线圈，以径向磁悬浮轴承的内孔中心为基准，假设在某一时刻，转子轴心位于该基准的左上方，并且转子轴心与该基准的连线与垂直方向夹角为a，并且与坐标原点有一定距离，如图1所示。

对于上述例子，各磁极名称定义如下：当采用常规的径向磁悬浮轴承的控制方法时，XA1、XA2为X区磁极的A组磁极，XB1、XB2为X区磁极的B组磁极，YA1、YA2为Y区磁极的A组磁极，YB1、YB2为Y区磁极的B组磁极，每个区的各组磁极内的每个磁极线圈通过串联方式连接；当采用本发明的径向磁悬浮轴承的控制方法时，A1、A2、A3、A4为A组磁极，B1、B2、B3、B4为B组磁极，全部8个磁极线圈相互独立。

对于上述例子，当采用常规的径向磁悬浮轴承的控制方法时，以径向磁悬浮轴承的内孔中心为坐标原点，在平行于径向磁悬浮轴承端面的平面内建立固定平面坐标系，在某一时刻，各磁极的位置如图2所示。当采用本发明的径向磁悬浮轴承的控制方法时，以径向磁悬浮轴承的内孔中心为坐标原点，在平行于径向磁悬浮轴承端面的平面内建立非固定平面坐标系，在某一时刻，各磁极的位置如图3所示。

对于上述例子，当采用本发明的径向磁悬浮轴承的控制方法时，系统框图如图4所示。在图4中，位移传感器获取转子在固定坐标系中的位置信息x和y，并转换为电压信号u_x和u_y，再送入数字控制器；数字控制器根据转子轴心和坐标原点的距离和控制算法生成控制信号u_c，并送入功率放大器；数字控制器同时接受功率放大器的PWM波信号，并计算和比较各功率放大器的PWM波占空比，以判断各磁极线圈是否正常；如果各磁极线圈正常，功率放大器根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I₀，根据控制信号u_c生成控制电流i_c，并送入各磁极线圈，其中B组磁极以I₀+i_c激磁，A组磁极以I₀-i_c激磁；如果某一磁极线圈不正常，则控制信号u_c、偏置电流I₀、控制电流i_c均为零，即该磁极线圈中的电流为零，不参与支承转子。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法，所述径向磁悬浮轴承包含定子、转子、数字控制器、以及4n个功率放大器，n为大于等于2的整数；

所述定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，所述磁极上均设有线圈、且各个线圈相互独立；所述定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量、并将其传递给所述数字控制器；

所述4n个功率放大器分别和所述4n个磁极线圈一一对应相连，用于产生PWM波以控制其对应磁极线圈中电流的大小、并将其产生的PWM波传递给所述数字控制器；

所述数字控制器分别和所述第一移传感器、第二位移传感器、4n个功率放大器相连，用于根据第一移传感器、第二位移传感器、4n个功率放大器传递的信号控制4n个功率放大器产生相应的电流至其对应的磁极线圈中；

其特征在于，所述具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法包含以下步骤：

步骤1），根据第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量，集合转子的直径，计算出转子轴心相对定子内孔中心的位置，并将其传递给数字控制器；

步骤2），数字控制器以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子轴心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子轴心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子轴心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极，其中A组磁极靠近y轴正方向，B组磁极远离y轴正方向；

步骤3），数字控制器根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I₀，根据转子轴心和坐标原点的距离生成控制电流i_c；

步骤4），数字控制器控制4n个功率放大器工作，使得远离y轴正方向的B组磁极均以I₀+i_c激磁、靠近y轴正方向的A组磁极均以I₀-i_c激磁，进而使得转子轴心在y方向差动电磁力的作用下回到坐标原点；

步骤5）4n个功率放大器均将其PWM波传递给数字控制器；

步骤6），数字控制器分别计算各个功率放大器PWM波的占空比以及这些占空比的占空比算术平均值，并求得各个功率放大器PWM波占空比除以占空比算术平均值后减去1的误差绝对值；

步骤7），数字控制器将各个功率放大器的误差绝对值和预设的误差阈值进行比较，如果存在功率放大器的误差绝对值大于等于预设的误差阈值，则控制该功率放大器输入零电流至其相应的磁极线圈，使得该磁极线圈被屏蔽，不参与支承转子。

2.基于权利要求1所述的具有冗余功能的径向磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，所述第一位移传感器、第二位移传感器采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种。