CN110657159A - 一种磁悬浮轴承稳定控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁悬浮轴承稳定控制装置及方法，涉及电力电子技术领域。该装置及方法，将通过位移传感器和电流传感器采集的磁悬浮轴承位置信号和电流信号经过硬件滤波电路传到DSP芯片，进而确定磁悬浮轴承工作的状态；当位移传感器检测到的磁悬浮轴承的位置信息与参考值的差值大于等于阈值时，DSP芯片运行于第I种模式，控制MOSFET开通关断，实现对磁轴承的位置进行快速的调节；当位移传感器检测到磁悬浮轴承的位置信息与参考值的差值小于阈值时，DSP芯片运行于第II种模式，抑制磁悬浮轴承线圈电流的纹波；同时对第II种模式中控制方法进行补充，防止第II种模式调节失控。通过多模式的切换，降低磁悬浮轴承线圈电流纹波，使磁轴承稳定悬浮。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种磁悬浮轴承稳定控制装置及方法。
背景技术
近年来，电机在高速化和高精度化的工业场合应用越来越普遍，高速电机进而成为了机械传动与电工领域的研究热点。为了满足工业需求，新兴材料科学技术和电力电子技术水平大幅度的提高，各类新型电机应运而成，而作为电机重要部件的支撑轴承技术一直被认为是电机向高速化、高精度化发展的重点。为了解决传统机械轴承由于机械接触所造成的缺陷，磁悬浮轴承技术成为主要的突破点。
磁悬浮轴承是一种利用电磁力使转轴悬浮的新型轴承，具有无接触、无摩擦、无需润滑和密封、发热少等优点。磁悬浮轴承可以用在需要长期运行许多极端的场合，如高温、真空环境。磁悬浮轴承通过位置传感器实时测量转轴位移并据此调整电磁力，实现对转轴位置的精确控制。实现磁悬浮轴承的稳定悬浮一直是该技术的难点。
磁悬浮轴承可以分为被动式磁轴承、主动式磁轴承和混合磁轴承。被动式磁轴承是指磁力的产生全是由永磁体提供。主动式磁轴承是指磁力产生有一部分或者全部来源于线圈通电产生的励磁磁场。混合磁轴承将主动磁轴承与被动磁轴承相结合，两种励磁方式同时存在。
磁轴承系统中的功率放大器是将控制信号转变为控制电流的执行装置。采用开关功放的一个固有缺陷是会引入电流纹波。它对磁轴承系统的影响主要体现在三个方面：电流纹波会在磁轴承系统中引起额外的铁耗和铜耗；较大的电流纹波会造成磁轴承系统中微小控制电流的非线性控制区域；电流振荡会产生相应的电磁力振荡，继而引起轴承转子的机械振荡，特别是在开关频率较低的情况下，影响尤其严重。因而设法降低电流振荡便成为磁轴承开关功放设计中的关键问题之一。
主动磁悬浮轴承系统的电控部分由众多电子部件组成，导致在转子高速运行过程中产生故障的事件在所难免，而且，任何一个故障都有可能导致整个磁悬浮轴承系统完全失效。磁轴承的价格昂贵，控制难度较大，一旦失去磁场控制，其转子将跌落，造成巨大损失，因此磁轴承的失稳保护尤为关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种磁悬浮轴承稳定控制装置及方法，对磁悬浮轴承进行精确的位置控制，降低磁轴承控制器的电流纹波，使磁轴承稳定。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种磁悬浮轴承稳定控制装置，包括高精度位移传感器、电流传感器、光电耦合器、驱动MOSFET的驱动芯片、处理信号的硬件滤波电路以及DSP芯片；所述高精度位移传感器用于检测磁悬浮轴承的位置，并将检测的位置信号经过硬件滤波电路滤波后传到DSP芯片；所述电流传感器用于检测磁悬浮轴承线圈的电流，并将电流信号经过硬件滤波电路滤波后传到DSP芯片；DSP芯片通过获取的磁悬浮轴承位置信息和电流信息确定磁悬浮轴承的工作状态，并输出PWM信号，PWM信号通过光电耦合器、驱动芯片控制磁悬浮轴承中金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的通断，进而实现对磁悬浮轴承进行稳定性控制。
另一方面，本发明还提供一种磁悬浮轴承稳定控制方法，包括以下步骤：
步骤1、高精度位移传感器将采集的磁悬浮轴承位置信号经过硬件滤波电路传到DSP芯片；电流传感器采集的信号经过硬件滤波电路传到DSP芯片；
步骤2、DSP芯片通过获取到的磁悬浮轴承位置信息、电流信息确定磁悬浮轴承工作的状态；当位移传感器检测到的磁悬浮轴承的位置信息与参考值的差值大于等于阈值时，DSP芯片运行于第I种模式，将实际检测到的磁轴承位置信号与参考值做差，计算出磁悬浮轴承中转子中心位置的偏移量，进行PID控制算法处理，再将PID算法处理后的值与三角波比较得到PWM波；PWM波经过隔离作用的光电耦合器、驱动MOSFET通断的驱动芯片，控制MOSFET开通关断，实现对磁轴承的位置进行快速的调节，记录下磁悬浮轴承稳定时刻的电流值，使磁悬浮轴承快速稳定悬浮；
步骤3、当位移传感器检测到磁悬浮轴承的位置信息与参考值的差值小于阈值时，DSP芯片运行于第II种模式，抑制磁悬浮轴承线圈电流的纹波；
所述第II种模式在步骤2的控制方案基础上添加电流补偿的控制方法控制磁悬浮轴承，减小电流纹波；该控制方法由位移控制外环和电流控制内环两个控制环路组成，具体方法为：
控制外环为位移误差PID控制，内环为电流补偿环节；控制外环仍然采用步骤2中的位移差作为控制量，将该位移差进行PID调节控制，再将其PID控制之后的值归一化得到一个标幺值；控制内环将磁悬浮轴承线圈的电流通过电流传感器采集，该电流信号通过硬件滤波再送入DSP处理；DSP芯片将电流信号进行二阶滤波器滤波提取电流信号的基准波，将未经过提取的电流信号与该基准波相减得到纹波，再将得到的纹波信号移相180度，将移相之后的信号与控制外环归一化得到的标幺值进行做差作为补偿量；将该补偿量与三角波比较作为控制磁悬浮轴承MOSFET开关管的PWM波，PWM波经过隔离作用的光电耦合器、驱动MOSFET通断的驱动芯片，控制MOSFET开通关断，实现对磁悬浮轴承控制；
步骤4、DSP芯片运行第III种模式，对步骤3中控制方法进行补充，防止步骤3调节失控；在步骤3执行过程中，当位移传感器检测到的位置信号与参考值的差值大于阈值两倍以上的时候，说明步骤3中PID调节的参数设置不合适，使得磁悬浮轴承失去控制；此时DSP立刻发出报警信号，禁用现有的PID参数，利用步骤2中PID参数使磁悬浮轴承恢复正常运行。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种磁悬浮轴承稳定控制装置及方法能够对磁悬浮轴承进行精确的位置控制，通过多模式的切换，降低磁悬浮轴承线圈电流纹波，使磁轴承稳定悬浮。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种磁悬浮轴承稳定控制装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的DSP芯片运行的第I种模式的控制框图；
图3为本发明实施例提供的DSP芯片运行的第I种模式的传递函数框图；
图4为本发明实施例提供的DSP芯片运行的第II种模式的控制框图；
图5为本发明实施例提供的理想状态下对称波形补偿的电流波形图；
图6为本发明实施例提供的理想状态下不对称波形补偿的电流波形图；
图7为本发明实施例提供的DSP芯片运行的三种模式转换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种磁悬浮轴承稳定控制装置，如图1所示，包括高精度位移传感器、电流传感器、光电耦合器、驱动MOSFET的驱动芯片、处理信号的硬件滤波电路以及DSP芯片；所述高精度位移传感器用于检测磁悬浮轴承的位置，并将检测的位置信号经过硬件滤波电路滤波后传到DSP芯片；所述硬件滤波电路采用二阶滤波器；所述电流传感器用于检测磁悬浮轴承线圈的电流，并将电流信号经过硬件滤波电路滤波后传到DSP芯片；DSP芯片通过获取的磁悬浮轴承位置信息和电流信息确定磁悬浮轴承的工作状态，并输出PWM信号，PWM信号通过光电耦合器、驱动芯片控制磁悬浮轴承中金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的通断，进而实现对磁悬浮轴承进行稳定性控制。
在忽略漏磁、铁芯磁阻等因素的影响，单边结构磁悬浮轴承产生的电磁力与电流、气隙的关系可表示为：
其中，μ0为相对磁导率，A0为磁极面积，N为线圈匝数，I为激励电流，c为气隙。电磁力与电流、气隙是一种二次非线性关系。因此在一定条件下，控制激励电流I，即可控制电磁力的大小，使得磁悬浮轴承转子稳定悬浮。
磁悬浮轴承控制回路的目的是在设定的平衡点处使不稳定的转子运动变得稳定。当转子在重力或者外力作用下，偏离最初的平衡位置，此时通过位置传感器将检测出的偏离的位移信号转换为电信号，电信号经过处理，被控制器采样，在控制器中与给定的参考信号做差，从而得到位置偏移的误差信号，此时控制器根据设置好的算法计算输出电压，经过数模转换、功率放大器转换成控制电流，使磁悬浮轴承产生相应的电磁力，最终使转子稳定悬浮。
一种磁悬浮轴承稳定控制方法，包括以下步骤：
步骤1、高精度位移传感器将采集的磁悬浮轴承位置信号经过硬件滤波电路传到DSP芯片；电流传感器采集的信号经过硬件滤波电路传到DSP芯片；
步骤2、DSP芯片通过获取到的磁悬浮轴承位置信息、电流信息确定磁悬浮轴承工作的状态；当位移传感器检测到的磁悬浮轴承的位置信息与参考值的差值大于等于阈值时，DSP芯片运行于第I种模式，将实际检测到的磁悬浮轴承位置信号与参考值做差，计算出磁悬浮轴承中转子中心位置的偏移量，进行PID控制算法处理，再将PID算法处理后的值与三角波比较得到PWM波；PWM波经过隔离作用的光电耦合器、驱动MOSFET通断的驱动芯片，控制磁悬浮轴承中MOSFET开通关断，实现对磁轴承的位置进行快速的调节，记录下磁悬浮轴承稳定时刻的电流值，使磁悬浮轴承快速稳定悬浮；
该模式的控制框图如图2所示，其中，
磁悬浮轴承的传递函数为：
其中，Ka和Kz为主动磁悬浮轴承的设计参数，m为转子的质量；Ka和Kz的值根据实际计算可得。
PID控制的传递函数为
其中，Kp为比例增益，Ki为积分环节增益，Kd为微分环节增益；
则整个控制装置的传递函数为
其中，Kx为位置传感器的增益，其传递函数框图如图3所示；
步骤3、当位移传感器检测到磁悬浮轴承的位置信息与参考值的差值小于阈值时，DSP芯片运行于第II种模式，抑制磁悬浮轴承线圈电流的纹波；
所述第II种模式在步骤2的控制方案基础上添加电流补偿的控制方法控制磁悬浮轴承，减小电流纹波；该控制方法由位移控制外环和电流控制内环两个控制环路组成，具体方法为：
控制外环为位移差PID控制，内环为电流补偿环节；控制外环仍然采用步骤2中的位移差作为控制量，将该位移差进行PID(此时的PID值与步骤二中的PID值的不同)调节控制，再将其PID控制之后的值归一化得到一个标幺值；控制内环将磁悬浮轴承线圈的电流通过电流传感器采集，该电流信号通过硬件滤波再送入DSP处理；DSP芯片将电流信号进行二阶滤波器滤波提取电流信号的基准波，将未经过提取的电流信号与该基准波相减得到纹波，再将得到的纹波信号移相180度，将移相之后的信号与控制外环归一化得到的标幺值进行做差作为补偿量；将该补偿量与三角波比较作为控制磁悬浮轴承MOSFET开关管的PWM波，PWM波经过隔离作用的光电耦合器、驱动MOSFET通断的驱动芯片，控制MOSFET开通关断，实现对磁悬浮轴承控制；
第II种模式利用改进型峰值电流控制方法控制磁悬浮轴承，以减小电流纹波，其控制框图如图4所示，其具体实现原理如下：
将模式I稳定之后的电流值作为参考信号。该控制方法由位移控制外环和电流控制内环两个控制环路组成，控制外环控制外环仍然采用步骤2中的位移差作为控制量，将该位移差进行PID调节控制，再将其PID控制之后的值归一化得到一个标幺值。同时，为了减小电流纹波，再在原有基础上添加一个补偿控制环节：将输出电流移相，与控制信号做差，起到纹波补偿的作用。
纹波补偿的原理如下：
当磁轴承线圈电路达到稳态时，电感电流iL(t)可看做为由交流分量ir(t)和直流分量IL叠加而成，用公式可表示成：
iL(t)＝IL+ir(t)
若不对电感的纹波电流进行补偿，则电感电流中的直流成分和丰富的交流成分会对磁悬浮轴承的稳定运行造成巨大影响，引入纹波补偿环节后，为使得流过磁悬浮轴承线圈的电流含有较少交流成分，补偿电路的电流输出应与电感纹波电流大小相等且相位相差180度，这样才可以将纹波电流进行最大程度的补偿。补偿电流的数学表达式为：
iB(t)＝IB+ib(t)
其中，IB为补偿电流的直流分量，ib(t)为交流分量，为达到电感电流的全补偿应满足：ib(t)＝-ir(t)，即补偿电路的输出波形与电感纹波电流大小相等且相位相差180度，此时补偿电流的平均值为
其中，IM为电感输出纹波的最大值，IN为电感输出纹波的最小值。
此时，补偿电流为
电感电流为
所以最后经过补偿后的电流波形为
iO＝iB(t)+iL(t)＝IM
理想状态下对称波形补偿的电流波形如图5所示，理想状态下不对称波形补偿的电流波形如图6所示。在实际操作中，经过实际仿真验证，将波形移相180度时，补偿效果最佳。
步骤4、DSP芯片运行第III种模式，对步骤3中控制方法进行补充，防止步骤3调节失控；在步骤3执行过程中，当位移传感器检测到的位置信号与参考值的差值大于阈值两倍以上的时候，说明步骤3中PID调节的参数设置不合适，使得磁悬浮轴承失去控制；此时DSP立刻发出报警信号，禁用现有的PID参数，利用步骤2中PID参数使磁悬浮轴承恢复正常运行。
本实施例中，DSP芯片通过获取到的磁悬浮轴承位置信息、电流信息确定磁悬浮轴承工作的状态，进而根据切换条件在三种运行模式之间切换，如图7所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种磁悬浮轴承稳定控制装置，其特征在于：包括高精度位移传感器、电流传感器、光电耦合器、驱动MOSFET的驱动芯片、处理信号的硬件滤波电路以及DSP芯片；所述高精度位移传感器用于检测磁悬浮轴承的位置，并将检测的位置信号经过硬件滤波电路滤波后传到DSP芯片；所述电流传感器用于检测磁悬浮轴承线圈的电流，并将电流信号经过硬件滤波电路滤波后传到DSP芯片；DSP芯片通过获取的磁悬浮轴承位置信息和电流信息确定磁悬浮轴承的工作状态，并输出PWM信号，PWM信号通过光电耦合器、驱动芯片控制磁悬浮轴承中金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的通断，进而实现对磁悬浮轴承进行稳定性控制。
2.一种磁悬浮轴承稳定控制方法，采用权利要求1所述装置对磁悬浮轴承进行稳定控制，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、高精度位移传感器将采集的磁悬浮轴承位置信号经过硬件滤波电路传到DSP芯片；电流传感器采集的信号经过硬件滤波电路传到DSP芯片；
步骤2、DSP芯片通过获取到的磁悬浮轴承位置信息、电流信息确定磁悬浮轴承工作的状态；当位移传感器检测到的磁悬浮轴承的位置信号与参考值的差值大于等于阈值时，DSP芯片运行于第I种模式，将实际检测到的磁轴承位置信息与参考值做差，计算出磁悬浮轴承中转子中心位置的偏移量，进行PID控制算法处理，再将PID算法处理后的值与三角波比较得到PWM波；PWM波经过隔离作用的光电耦合器、驱动MOSFET通断的驱动芯片，控制MOSFET开通关断，实现对磁轴承的位置进行快速的调节，记录下磁悬浮轴承稳定时刻的电流值，使磁悬浮轴承快速稳定悬浮；
步骤3、当位移传感器检测到磁悬浮轴承的位置信号与参考值的差值小于阈值时，DSP芯片运行于第II种模式，在步骤2的控制方案基础上添加电流补偿的控制方法控制磁悬浮轴承，抑制磁悬浮轴承线圈电流的纹波；
步骤4、DSP芯片运行第III种模式，对步骤3中控制方法进行补充，防止步骤3调节失控；在步骤3执行过程中，当位移传感器检测到的位置信号与参考值的差值大于阈值两倍以上的时候，说明步骤3中PID调节的参数设置不合适，使得磁悬浮轴承失去控制；此时DSP立刻发出报警信号，禁用现有的PID参数，利用步骤2中PID参数使磁悬浮轴承恢复正常运行。
3.根据权利要求2所述的一种磁悬浮轴承稳定控制方法，其特征在于，步骤3所述第II种模式在步骤2的控制方案基础上添加电流补偿的控制方法控制磁悬浮轴承，减小电流纹波；该控制方法由位移控制外环和电流控制内环两个控制环路组成，具体方法为：
控制外环为位移误差PID控制，内环为电流补偿环节；控制外环仍然采用步骤2中的位移差作为控制量，将该位移差进行PID调节控制，再将其PID控制之后的值归一化得到一个标幺值；控制内环将磁悬浮轴承线圈的电流通过电流传感器采集，该电流信号通过硬件滤波再送入DSP处理；DSP芯片将电流信号进行二阶滤波器滤波提取电流信号的基准波，将未经过提取的电流信号与该基准波相减得到纹波，再将得到的纹波信号移相180度，将移相之后的信号与控制外环归一化得到的标幺值进行做差作为补偿量；将该补偿量与三角波比较作为控制磁悬浮轴承MOSFET开关管的PWM波，PWM波经过隔离作用的光电耦合器、驱动MOSFET通断的驱动芯片，控制MOSFET开通关断，实现对磁悬浮轴承控制。
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Application publication date: 20200107 Assignee: Dongneng (Shenyang) Energy Engineering Technology Co.,Ltd. Assignor: Northeastern University Contract record no.: X2023210000291 Denomination of invention: A Stable Control Method for Magnetic Suspension Bearings Granted publication date: 20210219 License type: Common License Record date: 20231207 |