CN111350757A - 一种单自由度磁液双悬浮轴承控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度磁液双悬浮轴承控制方法，属于控制技术领域，包括控制器、差动式功率放大模块、单自由度磁液双悬浮轴承本体、差动式压力传感器、静压转换模块及磁液比例模块依次连接构成闭环控制系统。变量泵，溢流阀，比例调速阀及单自由度磁液双悬浮轴承本体连接构成静压支撑系统，比例调速阀设定初始电压实现恒流量静压支撑系统。本发明采用电磁闭环和恒流量静压系统两种方法，分别对电磁力与静压力进行调控，使其按比例共同补偿外负载，该发明调节能力大，响应快，动态特性好，有效的弥补了静压力响应慢的不足，大大提高了单自由度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方法

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。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方法，通过采用电磁闭环和恒流量静压系统两种方法，分别对电磁力与静压力进行调控，使其按比例共同补偿外负载，该发明调节能力大，响应快，动态特性好，有效的弥补了静压力响应慢的不足，大大提高了磁液双悬浮轴承运行的稳定性。

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方法，包括控制器、差动式功率放大模块、单自由度磁液双悬浮轴承本体、差动式压力传感器、静压转换模块及磁液比例模块依次连接构成闭环控制系统；

变量泵，溢流阀，比例调速阀及单自由度磁液双悬浮轴承本体连接构成静压支撑系统，比例调速阀设定初始电压实现恒流量静压支撑系统；

所述差动式位置传感器用于检测转子的偏移量差值；

所述差动式压力传感器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；

所述静压转换模块将上、下支承腔压力差转换为静压力差值输出，电磁转换模块将控制电流及转子偏移量差值转换为电磁力输出，磁液比例模块将电磁力与静压力的比值输出；

所述控制器输出控制电流经过差动式功率放大模块输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，从而控制电磁力，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：

控制方法包括以下步骤，

(1)、初始状态时，无外干扰作用下，此时可以认为上、下两个支承腔压力相等，P1＝P2，此时差动式压力传感器输出压力差值为0，上、下两个线圈的电流相等为初始电流i₀；上、下电磁线圈的电流相等，及上、下电磁支承力相等，且上支承腔、下支承腔的流量以及液阻相等，所以上、下静压支承力相等；

转子平衡，上、下支承腔的压力相等，流经上、下支承腔流量相等，即：

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。

f_液合＝f_液,1,0-f_液,2,0

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。

f_电合＝f_电,1,0-f_电,1,0

此时，f_电合/f_液合＝磁液比例系数；

(2)、当在外负载的作用下，转子偏离基准位置时，上、下两个支承腔的压力发生改变即P1≠P2，此时，因为支承腔压力发生变化，差动式压力传感器检测到压力差值△P，经过静压转换模块，输出静压支撑合力，位移传感器检测到转子偏移量，磁力转换模块输出电磁合力，磁液比例模块输出电磁力与静压力比值与比例基准相比较，控制器及功率放大电路输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，此时上、下两个线圈的电流I₁、I₂发生改变，上、下磁极的电磁悬浮支承力分别为F_电1、F_电2，最后通过闭环控制使f_电合/f_液合＝磁液比例系数, 从而使得产生电磁合力与静压支承合力按给定比例共同平衡外负载F。

本发明技术方案的进一步改进在于：

步骤(2)中控制计算过程如下，

通过上、下电磁线圈电流分别为(i₀+ic)、(i₀-ic)，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，ic-转子位移引起控制电流，A；

f_电,合＝f_电,1-f_电,2

静压控制系统中保持恒流量，静压支承合力f_液,合＝ΔP·Ae，Ae为有效面积；

通过力反馈调节使f_电合/f_液合＝磁液比例系数从而实现电磁支承力与静压支承力按比例共同补偿外负载f外。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明提供的针对支承腔的压力变化，采用了差动式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。

本发明提供的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承承载力小的缺点，而电磁支承可以弥补静压支承难以控制的问题。

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方法的结构示意图；

图2是本发明提供的一种单自由度磁液双悬浮轴承的simulink仿真框图；

图3是当外负载为100N时，一种单自由度磁液双悬浮轴承的电磁力变化示意图；

图4是当外负载为100N时，一种单自由度磁液双悬浮轴承的静压力变化示意图。

其中，1、变量泵，2、溢流阀，3、比例调速阀，4、单自由度磁液双悬浮轴承本体，5、控制器，6、差动式功率放大模块，7、差动式压力传感器，8、静压转换模块，9、磁液比例模块，10、差动式位置传感器，11、电磁转换模块、 12、比例基准模块。

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方法，包括控制器5、差动式功率放大模块6、单自由度磁液双悬浮轴承本体4、差动式压力传感器7、静压转换模块 8及磁液比例模块9依次连接构成闭环控制系统；

变量泵1，溢流阀2，比例调速阀3及单自由度磁液双悬浮轴承本体4连接构成静压支撑系统，比例调速阀3设定初始电压实现恒流量静压支撑系统；

所述差动式位置传感器10用于检测转子的偏移量差值；

所述差动式压力传感器7分别检测单自由度磁液双悬浮轴承本体4的上、下两个支承腔的压力差值；

所述静压转换模块8将上、下支承腔压力差转换为静压力差值输出，电磁转换模块11将控制电流及转子偏移量差值转换为电磁力输出，磁液比例模块9 将电磁力与静压力的比值输出；

所述控制器5输出控制电流经过差动式功率放大模块6输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，从而控制电磁力，形成力反馈闭环控制系统。

进一步地，控制方法包括以下步骤，

(1)、初始状态时，无外干扰作用下，此时可以认为上、下两个支承腔压力相等，P1＝P2，此时差动式压力传感器7输出压力差值为0，上、下两个线圈的电流相等为初始电流i₀；上、下电磁线圈的电流相等，及上、下电磁支承力相等，且上支承腔、下支承腔的流量以及液阻相等，所以上、下静压支承力相等；

转子平衡，上、下支承腔的压力相等，流经上、下支承腔流量相等，即：

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。

f_液合＝f_液,1,0-f_液,2,0

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。

f_电合＝f_电,1,0-f_电,1,0

此时，f_电合/f_液合＝磁液比例系数；

(2)、当在外负载的作用下，转子偏离基准位置时，上、下两个支承腔的压力发生改变即P1≠P2，此时，因为支承腔压力发生变化，差动式压力传感器 7检测到压力差值△P，经过静压转换模块8，输出静压支撑合力，位移传感器检测到转子偏移量，磁力转换模块输出电磁合力，磁液比例模块输出电磁力与静压力比值与比例基准相比较，控制器5及功率放大电路输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，此时上、下两个线圈的电流I₁、I₂发生改变，上、下磁极的电磁悬浮支承力分别为F_电1、F_电2，最后通过闭环控制使f_电合/f_液合＝磁液比例系数,从而使得产生电磁合力与静压支承合力按给定比例共同平衡外负载F。

进一步地，步骤(2)中控制计算过程如下，

通过上、下电磁线圈电流分别为(i₀+ic)、(i₀-ic)，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，ic-转子位移引起控制电流，A；

f_电,合＝f_电,1-f_电,2

静压控制系统中保持恒流量，静压支承合力f_液,合＝ΔP·Ae，Ae为有效面积；

通过力反馈调节使f_电合/f_液合＝磁液比例系数从而实现电磁支承力与静压支承力按比例共同补偿外负载f外。

包括控制器5、差动式功率放大模块6、单自由度磁液双悬浮轴承本体4、差动式压力传感器7、静压转换模块8及磁液比例模块9依次连接构成闭环控制系统。

变量泵1，溢流阀2，比例调速阀3及单自由度磁液双悬浮轴承本体4连接构成静压支撑系统，比例调速阀3设定初始电压实现恒流量静压支撑系统。

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方法，该控制方法的控制原理过程如下。

1、在初始状态时，无外负载作用下，转子无偏移即处于参考位置，此时差动式压力传感器7检测到压力差为0，因此输出控制电流为0，经差动式功率放大模块6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。

转子平衡，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。

f_液合＝f_液,1,0-f_液,2,0

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。

f_电合＝f_电,1,0-f_电,1,0

此时，f_电合/f_液合＝磁液比例系数

2、当转子在外负载f的干扰下，转子偏离基准位置时，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，此时差动式压力传感器7检测到的上下腔压力差值为△P，控制器的输出电流为ic，上电磁线圈、下电磁线圈产生电磁支承力分别为f电,1、 f电,2，则此时通过上、下电磁线圈电流分别为(i0+ic)、(i0-ic)，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，ic-转子位移引起控制电流，A。

f_电,合＝f_电,1-f_电,2

静压控制系统中保持恒流量，静压支承合力f_液,合＝ΔP·Ae，(Ae为有效面积) 通过力反馈调节使从而实现电磁支承力与静压支承力按比例共同补偿外负载f外。

经过simulink的仿真，验证该实施可行，图2为依据该思路进行仿真的 simulink框图。

当外负载为100N时，电磁力如图3所示，静压力如图4所示，

此时静压系统与电磁系统按给定比例共同承担负载。

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，采用了差动式压力传感器7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的电磁支承系统和静压支承系统，分别采用电磁闭环及恒流量控制，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 (3)

1.一种单自由度磁液双悬浮轴承控制方法，其特征在于：包括控制器(5)、差动式功率放大模块(6)、单自由度磁液双悬浮轴承本体(4)、差动式压力传感器(7)、静压转换模块(8)及磁液比例模块(9)依次连接构成闭环控制系统；

变量泵(1)，溢流阀(2)，比例调速阀(3)及单自由度磁液双悬浮轴承本体(4)连接构成静压支撑系统，比例调速阀(3)设定初始电压实现恒流量静压支撑系统；

所述差动式位置传感器(10)用于检测转子的偏移量差值；

所述差动式压力传感器(7)分别检测单自由度磁液双悬浮轴承本体(4)的上、下两个支承腔的压力差值；

所述静压转换模块(8)将上、下支承腔压力差转换为静压力差值输出，电磁转换模块(11)将控制电流及转子偏移量差值转换为电磁力输出，磁液比例模块(9)将电磁力与静压力的比值输出；

所述控制器(5)输出控制电流经过差动式功率放大模块(6)输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，从而控制电磁力，形成力反馈闭环控制系统。

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方法，其特征在于：控制方法包括以下步骤，

(1)、初始状态时，无外干扰作用下，此时可以认为上、下两个支承腔压力相等，P1＝P2，此时差动式压力传感器(7)输出压力差值为0，上、下两个线圈的电流相等为初始电流i₀；上、下电磁线圈的电流相等，及上、下电磁支承力相等，且上支承腔、下支承腔的流量以及液阻相等，所以上、下静压支承力相等；

转子平衡，上、下支承腔的压力相等，流经上、下支承腔流量相等，即：

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。

f_液合＝f_液,1,0-f_液,2,0

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，

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。

f_电合＝f_电,1,0-f_电,1,0

此时，f_电合/f_液合＝磁液比例系数；

(2)、当在外负载的作用下，转子偏离基准位置时，上、下两个支承腔的压力发生改变即P1≠P2，此时，因为支承腔压力发生变化，差动式压力传感器(7)检测到压力差值△P，经过静压转换模块(8)，输出静压支撑合力，位移传感器检测到转子偏移量，磁力转换模块输出电磁合力，磁液比例模块输出电磁力与静压力比值与比例基准相比较，控制器(5)及功率放大电路输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，此时上、下两个线圈的电流I₁、I₂发生改变，上、下磁极的电磁悬浮支承力分别为F_电1、F_电2，最后通过闭环控制使f_电合/f_液合＝磁液比例系数,从而使得产生电磁合力与静压支承合力按给定比例共同平衡外负载F。

3.根据权利要求2所述的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制方法，其特征在于：步骤(2)中控制计算过程如下，

通过上、下电磁线圈电流分别为(i₀+ic)、(i₀-ic)，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，ic-转子位移引起控制电流，A；

f_电,合＝f_电,1-f_电,2

静压控制系统中保持恒流量，静压支承合力f_液,合＝ΔP·Ae，Ae为有效面积；

通过力反馈调节使f_电合/f_液合＝磁液比例系数从而实现电磁支承力与静压支承力按比例共同补偿外负载f外。

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