CN109780058B - 一种磁悬浮轴承控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承控制方法，属于轴承技术领域。本发明以直流电源供电，一个单相全桥功率变换器作为电能变换装置，以磁悬浮轴承本体为控制对象。本发明以三闭环控制方式为控制结构，其中，三闭环中的反馈信号包括实时位移、移动速度信号、以及实时电流三个反馈控制量。实时位移与移动速度信号通过位移传感器与微分跟踪器配合实现观测，实时电流通过电流传感器实现观测。较传统磁悬浮轴承控制方案，本方法通过对三个反馈控制量进行闭环控制，可以获取更强的控制刚度、更强的稳定性，以及更高的控制精度。

Description

一种磁悬浮轴承控制方法
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种磁悬浮轴承控制方法。
背景技术
磁悬浮轴承是一种采用输出电磁力，实现运动部件悬浮，从而代替传统机械轴承的超静音、高效率、高转速/速度以及高可靠性轴承，近年来，磁悬浮轴承在高速/超高速、超洁净、超静音等领域得到了广泛的应用。磁悬浮轴承的工作原理为：通过位移传感器实时检测磁悬浮轴承转子位移反馈，再通过磁悬浮控制器实时控制注入磁悬浮轴承本体的电流，进而控制悬浮力大小，实现磁悬浮轴承转子的稳定悬浮。传统的磁悬浮控制算法采用位移电流双闭环控制结构，该类控制结构存在的问题在于： (1)位移控制环所面对的系统为二级系统，需采用高阶位移调节器才能够实现控制系统稳定运行，进而实现悬浮；
(2)高阶位移调节器需整定大量的参数才能实现最优效果，整定过程较为复杂；
(3)高阶位移调节器对扰动变化的抑制能力较弱，因此在系统出现外部扰动时，会严重影响磁悬浮轴承的控制精度和控制刚度。
为了解决上述问题，设计一种新型的磁悬浮轴承控制方法尤为必要。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种磁悬浮轴承控制方法，在保持原有控制硬件不变的条件下，获取更高的控制精度、更强的稳定性以及更强的控制刚度，易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种磁悬浮轴承控制方法，其步骤为：(1)通过电流传感器检测得到电流信号，通过位移传感器检测得到实时位移信号，通过微分跟踪器得到移动速度信号和用于反馈控制的实时位移信号；
(2)通过位移误差计算单元计算得到基准位移与实时位移之间的误差，将该误差输入位移调节器，计算得到基准移动速度信号；
(3)通过移动速度误差计算单元计算得到基准移动速度与移动速度信号之间的误差，将该误差输入移动速度调节器，计算得到基准电流信号；
(4)通过电流误差计算单元计算得到基准电流与实时电流之间的误差，将该误差输入电流调节器，计算得到占空比信号；
(5)将基准占空比信号输入开关顺序表，得到开关管V1-V4的门极驱动信号，用以驱动单相全桥电路，进而驱动磁悬浮轴承；
(6)重复步骤(1)至步骤(5)，使得实时位移、移动速度信号、和实时电流分别跟踪各自的基准信号。
作为优选，所述的位移调节器、移动速度调节器以及电流调节器均采用一阶以下调节器。
作为优选，所述的步骤(1)中的移动速度为磁悬浮轴承沿悬浮自由度方向的移动速度，移动速度和位移信号通过微分跟踪器对位移传感器输出的初始位移信号处理得到。
作为优选，所述的步骤(5)中开关顺序表的建立方法为标准双极性调制方法、单极性调制方法、单极性倍频调制方法以及双极性滞环调制方法当中的一种，或是由上述调试方法所衍生的其他类型调制方法。
本发明的有益效果：(1)在三闭环控制结构中引入了移动速度闭环，在保持原有控制硬件不变的条件下，实现了控制系统的降阶处理，从而提高了控制系统的稳定性、控制精度和控制刚度；
(2)控制系统降阶后，位移调节器、移动速度调节器以及电流调节器均采用一阶以下调节器，如比例调节器、比例积分调节器，即可实现稳定，且参数易于调节；
(3)引入了移动速度闭环，控制系统可以更快地反馈外部扰动引起的变化，再通过移动速度控制环的控制作用，控制系统具有更强的抗扰动性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明微分跟踪器的结构示意图；
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1，本具体实施方式采用以下技术方案：一种磁悬浮轴承控制方法，其使用的装置包括直流电源、单相全桥变换器、磁悬浮轴承、电流传感器、位移传感器、三闭环控制结构，其中，三闭环控制结构包括微分跟踪器、位移误差计算单元、位移调节器、移动速度误差计算单元、移动速度调节器、电流误差计算单元、电流调节器、开关顺序表；该方法的步骤：
(1)通过电流传感器检测得到电流信号，通过位移传感器检测得到实时位移信号，通过微分跟踪器得到移动速度信号和用于反馈控制的实时位移信号；
(2)通过位移误差计算单元计算得到基准位移与实时位移之间的误差，将该误差输入位移调节器，计算得到基准移动速度信号；
(3)通过移动速度误差计算单元计算得到基准移动速度与移动速度信号之间的误差，将该误差输入移动速度调节器，计算得到基准电流信号；
(4)通过电流误差计算单元计算得到基准电流与实时电流之间的误差，将该误差输入电流调节器，计算得到占空比信号；
(5)将基准占空比信号输入开关顺序表，得到开关管V1-V4的门极驱动信号，用以驱动单相全桥电路，进而驱动磁悬浮轴承；
(6)重复步骤(1)至步骤(5)，使得实时位移、移动速度信号、和实时电流分别跟踪各自的基准信号。
本具体实施方式相比于传统位移-电流双闭环控制结构，在位移控制环和电流控制环之间加入一个移动速度控制环，构成了三闭环控制结构，其中，步骤(1)中的移动速度为磁悬浮轴承沿悬浮自由度方向的移动速度，移动速度和位移信号通过微分跟踪器对位移传感器输出的初始位移信号处理得到。
值得注意的是，所述的位移调节器、移动速度调节器以及电流调节器均采用线性或非线性调节器，如比例调节器或比例积分调节器。
此外，所述的步骤(5)中开关顺序表的建立方法为标准双极性调制方法、单极性调方法、单极性倍频调制方法以及双极性滞环调制方法当中的一种，或是由上述调试方法所衍生的其他类型调制方法。
本具体实施方式相比于传统位移-电流双闭环控制结构，在位移控制环和电流控制环之间加入一个移动速度控制环，构成了三闭环控制结构，其中，步骤(1)中的移动速度为磁悬浮轴承沿悬浮自由度方向的移动速度，移动速度和位移信号通过微分跟踪器对位移传感器输出的初始位移信号处理得到。
本具体实施方式以直流电源供电，以单相全桥功率变换器作为电能变换装置，以磁悬浮轴承本体为控制对象。以三闭环控制方式为控制结构，其中三闭环中的反馈信号包括实时位移、移动速度信号、以及实时电流三个反馈控制量，实时位移与移动速度信号通过位移传感器与微分跟踪器配合实现观测，实时电流通过电流传感器实现观测。该方法较传统磁悬浮轴承控制方案，通过对三个反馈控制量进行闭环控制，实现了控制系统的降阶处理，可以获取更强的控制刚度、更强的稳定性以及更高的控制精度，具有广阔的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，其步骤为：(1)通过电流传感器检测得到电流信号，通过位移传感器检测得到实时位移信号，通过微分跟踪器得到移动速度信号和用于反馈控制的实时位移信号，移动速度和位移信号通过微分跟踪器对位移传感器输出的初始位移信号处理得到，其中初始位移信号为本发明所涉及控制方法未生效时的实时位移信号，初始位移信号与基准位移之间通常存在一定偏差；
(2)通过位移误差计算单元计算得到基准位移与实时位移信号之间的误差，将该误差输入位移调节器，计算得到基准移动速度，位移调节器采用一阶以下调节器；
(3)通过移动速度误差计算单元计算得到基准移动速度与实时移动速度之间的误差，将该误差输入移动速度调节器，计算得到基准电流，移动速度为磁悬浮轴承沿悬浮自由度方向的移动速度，移动速度调节器采用一阶以下调节器；
(4)通过电流误差计算单元计算得到基准电流与实时电流之间的误差，将该误差输入电流调节器，计算得到基准占空比信号，电流调节器采用一阶以下调节器；
(5)将基准占空比输入开关顺序表，得到开关管V1-V4的门极驱动信号，用以驱动单相全桥电路，进而驱动磁悬浮轴承，开关顺序表的建立方法为标准双极性调制方法、单极性调制方法、单极性倍频调制方法以及双极性滞环调制方法当中的一种；
(6)重复步骤(1)至步骤(5)，使得实时位移信号、移动速度信号、和实时电流分别跟踪各自的基准信号。
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