CN111288081A

CN111288081A - 一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统

Info

Publication number: CN111288081A
Application number: CN201911267208.9A
Authority: CN
Inventors: 赵建华; 闫伟东; 马旭超; 李胜; 王永强
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: CN111288081B

Abstract

本发明公开了一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，属于控制技术领域。一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，包括PD控制器与差动式功率放大器、磁力转换模块及反馈比例模块依次连接构成电磁闭环控制系统；反馈比例模块连接静压力转换模块，静压力转换模块同时连接压力传感器1和压力传感器2，压力传感器1和压力传感器2设置于单自由度磁液双悬浮轴承本体的上、下两个支承腔上。定量泵、溢流阀、单向阀、过滤器、PM流量控制器及单自由度磁液双悬浮轴承依次连接构成静压控制系统。本发明提供的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，调节能力大，响应快，动态特性好，大大提高了磁液双悬浮轴承运行的稳定性。

Description

一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统

技术领域

本发明属于控制技术领域，具体涉及一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统。

背景技术

磁液双悬浮轴承是利用电磁力将被支承件稳定悬浮在空间的一种高性能机电一体化轴承。磁液双悬浮轴承包含电磁支承和静压支承两套支承系统，而传统的控制方法单一，恢复响应速度较慢。

发明内容

本发明需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，通过实时输出电磁力与静压力补偿外负载时的比例关系，提高了磁液双悬浮轴承承载能力和响应速度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，包括PD控制器与差动式功率放大器、磁力转换模块及反馈比例模块依次连接构成电磁闭环控制系统；反馈比例模块连接静压力转换模块，静压力转换模块同时连接压力传感器1和压力传感器2，压力传感器1和压力传感器2设置于单自由度磁液双悬浮轴承本体的上、下两个支承腔上。

定量泵、溢流阀、单向阀、过滤器、PM流量控制器及单自由度磁液双悬浮轴承依次连接构成静压控制系统。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述压力传感器1和压力传感器2分别检测单自由度磁液双悬浮轴承本体的上、下两个支承腔的压力差值；经过静压转换模块输出静压力，通过反馈比例模块得到的电磁力与静压力比值与磁液比例系数比较，之后PD控制器输出控制电流经过差动式功率放大器输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，从而控制电磁力，同时驱动电流通过磁力转换模块输出电磁力，通过反馈比例模块形成力反馈闭环控制系统。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述静压控制系统用于控制单自由度磁液双悬浮轴承静压支承系统。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明提供的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统其特点是：1.完全消除磨损，轴承寿命理论上是无限的；2.转速只受转轴材料的限制，可高达 200m/s；3.精度高，能达到亚微米级；4.功耗是普通轴承的10％；5.阻尼、刚度可调可控；6.转子的运转特性可以检测和控制；7.无润滑和密封装置，没有环境污染。

本发明提供的PM流量控制器及电磁闭环控制系统，确定初始流量泵压等系数，使PM流量控制的支撑刚度等于电磁支撑系统的位移刚度系数，采用力反馈，时时输出电磁力与静压力补偿外负载时的比例关系。提高了磁液双悬浮轴承承载能力和响应速度，采用力反馈，实时输出电磁力与静压力补偿外负载时的比例关系，直到满足比例基准信号所设定的基准比例。

附图说明

图1是本发明提供的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统结构示意图；

图2是本发明提供的单自由度磁液双悬浮轴承本体结构示意图；

图3是simulink仿真示意图；

图4是本发明提供的当外负载为100N时，轴承控制系统静压力的变化曲线示意图；

图5是本发明提供的当外负载为100N时，轴承控制系统电磁力的变化曲线示意图；

图6是本发明提供的当外负载为100N时，轴承控制系统静压力与电磁力的时时比值示意图。

其中，1、定量泵，2、溢流阀，3、压力表，4，单向阀，5、过滤器，6、 PM流量控制器，7、单自由度磁液双悬浮轴承，8、PD控制器，9、差动式功率放大器，10、磁力转换模块11、反馈比例模块，12、静压力转换模块，13、压力传感器1，14、压力传感器2，15、比例基准信号模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，其特征在于：PD控制器8与差动式功率放大器9、磁力转换模块10及反馈比例模块11依次连接构成电磁闭环控制系统；反馈比例模块11连接静压力转换模块12，静压力转换模块12同时连接压力传感器1 13和压力传感器214，压力传感器1 13和压力传感器2 14 设置于单自由度磁液双悬浮轴承7本体的上、下两个支承腔上。

定量泵1、溢流阀2、单向阀4、过滤器5、PM流量控制器6及单自由度磁液双悬浮轴承7依次连接构成静压控制系统。

在本发明提供的实施例中一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，压力传感器113和压力传感器2 14分别检测单自由度磁液双悬浮轴承7本体的上、下两个支承腔的压力差值；经过静压转换模块12输出静压力，通过反馈比例模块11得到的电磁力与静压力比值与磁液比例系数比较，之后PD控制器8输出控制电流经过差动式功率放大器9输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，从而控制电磁力，同时驱动电流通过磁力转换模块10输出电磁力，通过反馈比例模块11形成力反馈闭环控制系统。

进一步地，所述静压控制系统用于控制单自由度磁液双悬浮轴承静压支承系统。

具体的，在本发明提供的实施例中，本发明公开的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，如图1所示，一种新型单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，其中PD控制器8、差动式功率放大器9、磁力转换模块10、反馈比例模块11 依次闭合连接构成电磁闭环控制系统，所述液压泵1、溢流阀2、压力表3、单向阀4、过滤器5、PM流量控制器6、单自由度磁液双悬浮轴承7依次连接构成静压控制系统，所述压力传感器1和压力传感器2用于检测单自由度磁液双悬浮轴承7本体的上、下两个支承腔的压力差值，所述PM流量控制器6只依靠单自由度磁液双悬浮轴承7支承腔压差的变化，使其内部的金属薄膜产生相应的变形来控制流量，不需要外部能量的输入或电子控制；所述电磁闭环控制系统，用于控制单自由度磁液双悬浮轴承7电磁支承系统的电流参数，从而改变电磁力；所述静压控制系统，用于控制单自由度磁液双悬浮轴承7静压支承系统的流量参数，从而改变上下支承腔的静压力。

如图2所示，所述单自由度磁液双悬浮轴承7的定子设有4个径向磁极；每个磁极上都设有进油通孔并绑有线圈，且在每个磁极底部都加工有支承腔，每2个磁极构成一个支承单元，并共用一个进油口。

1、初始状态时，无外负载作用下，转子无偏移即处于参考位置，此时压力传感器1和压力传感器2检测到压力差为0，因此PD控制器8的输出控制电流为0，经差动式功率放大器9输出的驱动电流为基准电流i0。此时上、下电磁线圈的电流相等，及上、下电磁支承力相等。而且此时上支承腔、下支承腔的流量以及液阻相等，所以上、下静压支承力相等，转子处于平衡状态。

初始状态，上、下支承腔的压力相等，流经上、下支承腔流量相等，即：

q_1,0＝q_2,0

根据Navier-Stokes方程，可得到上、下支承腔的静压支承力f液,1,0、f 液,2,0为：

式中，θ-支承腔中心线与转轴中心线夹角；

p1,0-初始上支承腔1的压力，MPa；

p2,0-初始下支承腔2的压力，MPa；

Ae-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1、下支承单元2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

此时，f_电合/f_液合＝磁液比例系数

2、当存在外负载荷时，转子会偏移基准位置，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，进而导致上、下支承腔压力发生变化，PM流量控制器6依靠单自由度磁液双悬浮轴承7支承腔压差的变化，使其内部的金属薄膜产生相应的变形来控制流量的大小，因此实现了磁液双悬浮轴承7静压支承力的自动调节，此时控制器输出电流为i，上、下支承腔受到的静压支承力分别为f液,1、f液,2，静压支承合力，从而实现电磁支承力与静压支承力共同补偿外负载f外。

工作状态下转子受力平衡方程：

外负载(f外)作用下，轴承转子的位移变化为x，则上支承腔1、下支承腔 2的液膜厚度h1、h2为：

则此时通过上、下电磁线圈电流分别为(i0+i)、(i0-i)，因此上支承单元1、下支承单元2的电磁支承力分别为：

式中，i-转子位移引起控制电流。

同理，上、下支承腔的静压支承力f液,1,0、f液,2,0为：

-上支承腔1的压力；

-下支承腔2的压力；

给定每个支承腔对应的PM流量控制器的参数，并确定泵压ps后，可推导出上、下支承腔的压力表达式分别为：

式中，q01、q02分别为上、下支承腔对应的PM流量控制器6的初始流量；c1， c2分别为上、下支承腔对应的PM流量控制器的比流量，其值为：

而qp1、qp2分别为上、下支承腔对应的PM流量控制器在压力等于供油压力ps时通过的流量，R1为上支承腔1的液阻，N·s/m5；；R2为下支承腔2的液阻，N·s/m5；；其中μ为油液的动力粘度，Pa·s；为支承腔支承流量系数，无量纲。

综上：静压支承力的表达式可写为：

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，kx1-位移刚度系数，N/m；ki-电流刚度系数，N/A。

对f液,合在x＝0进行线性化处理得：

f_液,合＝k_xx

式中，kx-位移刚度系数，N/m。

当单自由度磁液双悬浮轴承系统受外负载的作用下，通过改变电磁力和静压力使得转子重新达到平衡，而且可以达到电磁合力与静压合力基本上相等的效果即：

k_x1x+k_ii＝k_xx

则控制器产生的控制电流i为：

本发明针对单自由度磁液双悬浮轴承7的电磁支承系统和静压支承系统，分别采用电磁闭环及PM流量控制器控制6，使电磁力与静压力按照一定比例共同补偿外负载，该控制方法的调节能力大，响应快，动态特性好，大大提高了磁液双悬浮轴承7运行的稳定性。

运用simulink进行仿真模拟，simulink仿真框如图3所示。

当施加的外负载为100N时，系统静压力的变化曲线如图4所示，

电磁力的变化曲线如图5所示，

系统静压力与电磁力的时时比值如图6所示，

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撑承载力小的缺点，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，采用了压力传感器来测量上下两个支承腔的压力差△P，可以提高油腔压力变化测量精度，测量方便。

3、本发明针对单自由度磁液双悬浮轴承7的电磁支承系统和静压支承系统，分别采用电磁闭环及PM流量控制器6，使电磁力与静压力按照一定比例共同补偿外负载，该控制方法的调节能力大，响应快，动态特性好，大大提高了磁液双悬浮轴承7运行的稳定性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，其特征在于：PD控制器（8）与差动式功率放大器（9）、磁力转换模块（10）及反馈比例模块（11）依次连接构成电磁闭环控制系统；反馈比例模块（11）连接静压力转换模块（12），静压力转换模块（12）同时连接压力传感器1（13）和压力传感器2（14），压力传感器1（13）和压力传感器2（14）设置于单自由度磁液双悬浮轴承（7）本体的上、下两个支承腔上；

定量泵（1）、溢流阀（2）、单向阀（4）、过滤器（5）、PM流量控制器（6）及单自由度磁液双悬浮轴承（7）依次连接构成静压控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述压力传感器1（13）和压力传感器2（14）分别检测单自由度磁液双悬浮轴承（7）本体的上、下两个支承腔的压力差值；经过静压转换模块（12）输出静压力，通过反馈比例模块（11）得到的电磁力与静压力比值同磁液比例系数比较，之后PD控制器（8）输出控制电流经过差动式功率放大器（9）输出电磁线圈承载范围内的驱动电流来控制电磁力，同时驱动电流通过磁力转换模块（10）输出电磁力，通过反馈比例模块（11）形成力反馈闭环控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述静压控制系统用于控制单自由度磁液双悬浮轴承静压支承系统。