CN111458531B - 一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，属于磁悬浮测速技术领域，包括磁悬浮主轴和磁悬浮控制板，所述磁悬浮主轴包括：转子、电机驱动和位移传感器；位移传感器用于采集转子位移信号；电机驱动用于在转子悬浮后，驱动转子旋转；磁悬浮控制板包括：悬浮控制模块、电流驱动模块和转速估计模块；悬浮控制模块，用于在转子悬浮前根据转子位移信号产生电流控制信号；电流驱动模块，用于接收电流控制信号后控制转子悬浮；转速估计模块，用于对转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号和正交信号，利用估计信号和正交信号估计转子转速。本发明无需外加转速传感器，就可完成对旋转速度的在线监测。

Description

一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统

技术领域

本发明属于磁悬浮测速技术领域，更具体地，涉及一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统。

背景技术

磁悬浮轴承是利用可控电磁力作用将转子或轴稳定悬浮于空间的一种新型高性能轴承，与传统轴承相比，磁悬浮轴承相对运动表面之间没有接触，转子能够运行到很高的转速，同时具有无摩擦、无需润滑、功耗低、清洁无污染等优点，因此广泛的应用于机械工业领域，如各类机床、涡轮分子泵、高速离心机、涡轮发电机等各种高速旋转机械。

磁悬浮轴承系统的运行主要包含稳定的悬浮和旋转。当磁悬浮主轴在旋转时，由于磁悬浮主轴的不平衡力引起转子径向位移的包含转速频率正弦波的不平衡振动，为保证磁悬浮轴承系统的稳定运行，主控板及机床需要监测转速信号。由于磁悬浮轴承与电机分离，传统方案需要额外的转速传感器和主控板的接口资源去接收转速信号，不利于磁悬浮主轴系统的设计及成本控制，同时现有的磁悬浮主轴中，大部分没有构建转速传感器到主控板的转速信号闭环，主控板的转速监测成为困难。目前现有的技术都是基于转速传感器对转速进行测量，没有适用于无速度传感器的磁悬浮主轴转速测量方案。

现有实用新型专利如一种用于磁悬浮电机的速度检测系统，授权公开号为CN209283040U，需要利用速度传感器进行磁悬浮电机的转速测量，同时还需要设计滤波处理电路以及增加屏蔽电缆来减小测量过程中传感器受到的影响。

由此可见，现有技术存在磁悬浮主轴系统设计复杂、成本高、不能在无速度传感器下进行测量的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，由此解决现有技术存在磁悬浮主轴系统设计复杂、成本高、不能在无速度传感器下进行测量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，包括：磁悬浮主轴和磁悬浮控制板，

所述磁悬浮主轴包括：转子、电机驱动和位移传感器；

所述位移传感器，用于采集转子位移信号；

所述电机驱动，用于在转子悬浮后，驱动转子旋转；

所述磁悬浮控制板包括：悬浮控制模块、电流驱动模块和转速估计模块；

所述悬浮控制模块，用于在转子悬浮前根据转子位移信号产生电流控制信号；

所述电流驱动模块，用于接收电流控制信号后控制转子悬浮；

所述转速估计模块，用于对转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号和正交信号，利用估计信号和正交信号估计转子转速。

进一步地，磁悬浮主轴还包括：驱动线圈，

所述驱动线圈，用于在电流驱动模块接收电流控制信号后，产生电流和磁力，控制转子悬浮。

进一步地，磁悬浮控制板还包括：位移采样模块，

所述位移采样模块，用于在转子悬浮前，将位移传感器采集的转子位移信号传输至悬浮控制模块，在转子旋转时，将位移传感器采集的转子位移信号传输至转速估计模块。

进一步地，磁悬浮主轴包括前端XY轴、后端XY轴以及径向Z轴5个自由度，每个自由度均包括转子和位移传感器，电机驱动在径向XY平面驱动转子旋转。

进一步地，转速估计模块，用于对前端X轴、前端Y轴、后端X轴、后端Y轴、前端XY轴或者后端XY轴的转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号和正交信号，利用估计信号和正交信号估计转子转速。

进一步地，转速估计模块内部具有转速估计器，所述转速估计器包括二阶广义积分器滤波模块和锁频环模块，

所述二阶广义积分器滤波模块，用于利用传递函数对转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号、正交信号和误差信号；

所述锁频环模块，用于根据正交信号和误差信号，跟踪估计出转子转速。

进一步地，二阶广义积分器滤波模块中传递函数为：

其中，x为转子旋转时的转子位移信号，x₁为估计信号，x₂为正交信号，e为误差信号，s为拉普拉斯算子，k为增益调节参数，D(s)、Q(s)和E(s)分别为估计信号、正交信号和误差信号的传递函数，ω′为估计出的转子转速。

进一步地，锁频环模块中跟踪估计的具体实现方式为：

ω′＝-∫Γ·γ·e·x₂+ω₀。

其中，Γ为锁频环积分增益系数，

为增益归一化系数，ω₀为初始转速。

进一步地，二阶广义积分器滤波模块中传递函数为：

其中，x为转子旋转时的转子位移信号，x₁为估计信号，x₂为正交信号，e为误差信号，s为拉普拉斯算子，k为增益调节参数，D(s)、Q(s)和E(s)分别为估计信号、正交信号和误差信号的传递函数，ω′为估计出的转子转速。

进一步地，锁频环模块中跟踪估计的具体实现方式为：

ω′＝-∫γ·e·x₂+ω₀。

其中，γ为锁频环比例系数，ω₀为初始转速。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明系统在磁悬浮主轴稳定悬浮旋转时，不需要外加转速传感器，只需要利用主轴本身的位移信号即可完成对旋转速度的在线监测。本发明系统结构简单，本发明系统使能对磁悬浮转子转动宽频率范围内的转速进行估计，节约电机转速传感器成本，同时节省了磁悬浮轴承主控器的转速接口资源，并有效的解决在磁悬浮电主轴系统无法加入转速传感器的测速问题，可以推广到无转速传感器的磁悬浮轴承领域。

(2)本发明悬浮控制模块根据转子位移信号产生稳定的控制信号输入到电流驱动模块，使得转子驱动线圈产生稳定的电流和磁力，进而磁悬浮主轴转子在气隙中稳定悬浮。

(3)在旋转的状态下，由于转子的不平衡力引起的不平衡振动，X-Y方向位移会呈现正余弦波形，因此利用前端X轴、前端Y轴、后端X轴、后端Y轴的转子旋转时的转子位移信号进行估计得到转子转速，其中，为了更加准确的估计，可以利用前端XY轴或者后端XY轴的信号进行估计，此时是同时用X和Y轴位移信号做转速估计求转速平均值。

(4)本申请中转速估计模块内部的转速估计器具有两种结构，具体表现为可以通过两种传递函数及其对应的跟踪估计，得到转子转速，证明本发明系统在进行转速估计的多样性，说明本发明系统的适用范围广。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统的框架图；

图2是本发明实施例提供的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统的连接图；

图3(a)是本发明实施例提供的转速估计器的第一种结构图；

图3(b)是本发明实施例提供的转速估计器的第二种结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为磁悬浮控制板，2为磁悬浮主轴，3为数模转换模块，4为悬浮控制模块，5为转速估计模块，6为位移采样模块，7为电流驱动模块，8为位移传感器，9为电机驱动，10为驱动线圈，11为转子。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，包括：磁悬浮控制板和磁悬浮主轴，

所述磁悬浮控制板以DSP为核心可编程芯片，包括悬浮控制模块、电流驱动模块、位移采样模块、数模转换模块以及转速估计模块；磁悬浮主轴包含前端XY轴、后端XY轴，以及径向Z轴5个自由度磁悬浮轴承，每个自由度均包括转子和位移传感器，电机驱动在径向XY平面驱动转子旋转。

本发明设计的磁悬浮主轴基于转子位移的无需转速传感器的转速监测系统，当磁悬浮主轴稳定悬浮旋转时，该系统不需要外加转速传感器，只需要利用主轴本身的位移信号即可完成对旋转速度的在线监测。

如图2所示，磁悬浮控制板1中，位移采样模块6实时采样位移传感器8的转子位移信号；悬浮控制模块4根据转子位移信号产生稳定的控制信号输入到电流驱动模块7，使得驱动线圈10产生稳定的电流，进而磁悬浮主轴2稳定悬浮。转速估计模块5是转速估计器4的DSP代码实现，转速估计器4由二阶广义积分器滤波模块和锁频环模块组成。在磁悬浮主轴2的转子11以某一转速下旋转时，转子位移呈现正余弦型号特征，转速估计器根据接收的位移信号，利用二阶广义积分器滤波模块处理得到位移信号的估计信号和正交信号，锁频环模块可以快速跟踪估计出转速频率，并通过数模转换模块3将转速信号转变为模拟电压信号，用于其他设备的读取。磁悬浮主轴2中，驱动线圈10通过电流驱动模块7产生电流，继而产生可调的磁力，悬浮转子11于气隙中，位移传感器8测量转子在气隙中的位置，传入磁悬浮主轴2的位移采样模块6中。电机驱动9使得已经稳定悬浮的磁悬浮主轴转子11以某一转速旋转。

本发明系统在使用时，包括：

第一步程序实现：编写好的包含悬浮控制模块和转速估计模块的DSP程序并下载到磁悬浮控制板中。

第二步悬浮转子：位移传感器测量转子在气隙中的实际位置，传入位移采样模块中，通过悬浮控制模块中的PID算法将实际位置与设定位置进行比较，获得电流控制信号，公式如下：

e(t)为t时刻设定位置与实际位置的误差，u(t)为t时刻电流控制信号，K_p，T_i，τ为分别为PID控制器中的比例系数，积分系数和微分系数，所述实际位置为在转子悬浮前的转子位移信号，所述设定位置为转子悬浮时转子在气隙中的预设位置。

电流控制信号u(t)控制电流驱动模块，使得驱动线圈产生可控的电流及磁力，调整磁悬浮主轴的转子在气隙中的位置，达到动态平衡。

第三步旋转转子：设置驱动电机的转速，如转速设置为ω＝2*π*f，f＝50Hz，开启电机，使得转子以频率为50Hz的转速旋转。

第四步转速估计：在旋转的状态下，由于转子的不平衡力引起的不平衡振动，X-Y方向位移会呈现正余弦波形。将任意一个X或者Y信号输入到转速估模块中，即可估计出转速ω′。这里转速估计模块所使用的转速估计器，由二阶广义积分器滤波模块和锁频环模块组成。在磁悬浮主轴的转子以转速ω旋转时，转速估计器根据接收位移信号，利用二阶广义积分器滤波模块处理得到位移信号的估计信号和正交信号，锁频环模块可以快速跟踪估计出转速ω′。如附图3(a)所示的转速估计器，其具体计算过程为：以X方向位移作为输入信号x，二阶广义积分器滤波模块能够产生估计信号x₁，正交信号x₂以及误差信号e，X方向位移为前端X轴或后端X轴的转子旋转时的转子位移信号，他们的传递函数分别为：

式中，s为拉普拉斯算子，k为增益调节参数，具体的。然后锁频环对转速进行估计，锁频环的转速特性为ω′＝-∫Γ·γ·e·x₂+ω₀。

其中，Γ为锁频环积分增益系数，

为增益归一化系数。ω₀为初始转速用于加快暂态过程，实现转速的快速锁频。具体实施中，设置k＝1，Γ＝50，ω₀＝10能够获得快速的转速估计速度，使得ω′≈ω。如果想要使得ω′更加准确的估计ω，可以选择同时用X和Y轴位移信号做转速估计，Y轴位移信号为前端Y轴或后端Y轴的转子旋转时的转子位移信号，转速平均值得到ω′＝(ω′_x+ω′_y)/2，但这样消耗更多的计算资源。

相似的，图3(b)的所示的转速估计器，其具体计算过程为：以X方向位移作为输入信号x，二阶广义积分器滤波模块能够产生估计信号x₁，正交信号x₂以及误差信号e，他们的传递函数分别为：

式中，s为拉普拉斯算子，k为增益调节参数，具体的。然后锁频环对转速进行估计，锁频环的转速特性为

ω′＝-∫γ·e·x₂+ω₀。

其中，γ为锁频环比例系数。ω₀为初始转速用于加快暂态过程，实现转速的快速锁频。例如，在具体实施中，可设置k＝1，γ＝5，ω₀＝10。

第五步转速信号输出：最后通过数模转换模块将转速信号转变为模拟电压信号，用于其他设备的读取，比如外接一个采样器，或者示波器设备。

本发明所设计的测速系统使能对磁悬浮转子转动宽频率范围内的转速进行估计；节约电机转速传感器成本，同时节省了磁悬浮轴承主控器的转速接口资源，并有效的解决在磁悬浮电主轴系统无法加入转速传感器的测速问题，可以推广到无转速传感器的磁悬浮轴承领域。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，包括：磁悬浮主轴和磁悬浮控制板，

所述磁悬浮主轴包括：转子、电机驱动和位移传感器；

所述位移传感器，用于采集转子位移信号；

所述电机驱动，用于在转子悬浮后，驱动转子旋转；

所述磁悬浮控制板包括：悬浮控制模块、电流驱动模块和转速估计模块；

所述悬浮控制模块，用于在转子悬浮前根据转子位移信号产生电流控制信号；

所述电流驱动模块，用于接收电流控制信号后控制转子悬浮；

所述转速估计模块，用于对转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号和正交信号，利用估计信号和正交信号估计转子转速；

所述转速估计模块内部具有转速估计器，所述转速估计器包括二阶广义积分器滤波模块和锁频环模块，

所述二阶广义积分器滤波模块，用于利用传递函数对转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号、正交信号和误差信号；

所述锁频环模块，用于根据估计信号、正交信号和误差信号，跟踪估计出转子转速；

所述二阶广义积分器滤波模块中传递函数为：

其中，x为转子旋转时的转子位移信号，x₁为估计信号，x₂为正交信号，e为误差信号，s为拉普拉斯算子，k为增益调节参数，D(s)、Q(s)和E(s)分别为估计信号、正交信号和误差信号的传递函数，ω′为估计出的转子转速；

所述锁频环模块中跟踪估计的具体实现方式为：

ω′＝-∫Γ·γ·e·x₂+ω₀

其中，Γ为锁频环积分增益系数，

为增益归一化系数，ω₀为初始转速。

2.如权利要求1所述的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，所述磁悬浮主轴还包括：驱动线圈，

所述驱动线圈，用于在电流驱动模块接收电流控制信号后，产生电流和磁力，控制转子悬浮。

3.如权利要求1或2所述的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，所述磁悬浮控制板还包括：位移采样模块，

所述位移采样模块，用于在转子悬浮前，将位移传感器采集的转子位移信号传输至悬浮控制模块，在转子旋转时，将位移传感器采集的转子位移信号传输至转速估计模块。

4.如权利要求1或2所述的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，所述磁悬浮主轴包括前端X轴、前端Y轴、后端X轴、后端Y轴以及径向Z轴5个自由度，每个自由度均包括转子和位移传感器，电机驱动在径向XY平面驱动转子旋转。

5.如权利要求4所述的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，所述转速估计模块，用于对前端X轴、前端Y轴、后端X轴、后端Y轴、前端XY轴或者后端XY轴的转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号和正交信号，利用估计信号和正交信号估计转子转速。

6.一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，包括：磁悬浮主轴和磁悬浮控制板，

所述磁悬浮主轴包括：转子、电机驱动和位移传感器；

所述位移传感器，用于采集转子位移信号；

所述电机驱动，用于在转子悬浮后，驱动转子旋转；

所述磁悬浮控制板包括：悬浮控制模块、电流驱动模块和转速估计模块；

所述悬浮控制模块，用于在转子悬浮前根据转子位移信号产生电流控制信号；

所述电流驱动模块，用于接收电流控制信号后控制转子悬浮；

所述转速估计模块，用于对转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号和正交信号，利用估计信号和正交信号估计转子转速；

所述转速估计模块内部具有转速估计器，所述转速估计器包括二阶广义积分器滤波模块和锁频环模块，

所述二阶广义积分器滤波模块，用于利用传递函数对转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号、正交信号和误差信号；

所述锁频环模块，用于根据估计信号、正交信号和误差信号，跟踪估计出转子转速；

所述二阶广义积分器滤波模块中传递函数为：

其中，x为转子旋转时的转子位移信号，x₁为估计信号，x₂为正交信号，e为误差信号，s为拉普拉斯算子，k为增益调节参数，D(s)、Q(s)和E(s)分别为估计信号、正交信号和误差信号的传递函数，ω′为估计出的转子转速；

所述锁频环模块中跟踪估计的具体实现方式为：

ω′＝-∫γ·e·x₂+ω₀

其中，γ为锁频环比例系数，ω₀为初始转速。

7.如权利要求6所述的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，所述磁悬浮主轴还包括：驱动线圈，

所述驱动线圈，用于在电流驱动模块接收电流控制信号后，产生电流和磁力，控制转子悬浮。

8.如权利要求6或7所述的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，所述磁悬浮控制板还包括：位移采样模块，

所述位移采样模块，用于在转子悬浮前，将位移传感器采集的转子位移信号传输至悬浮控制模块，在转子旋转时，将位移传感器采集的转子位移信号传输至转速估计模块。

9.如权利要求6或7所述的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，所述磁悬浮主轴包括前端X轴、前端Y轴、后端X轴、后端Y轴以及径向Z轴5个自由度，每个自由度均包括转子和位移传感器，电机驱动在径向XY平面驱动转子旋转。

10.如权利要求9所述的一种磁悬浮主轴基于转子位移的转速监测系统，其特征在于，所述转速估计模块，用于对前端X轴、前端Y轴、后端X轴、后端Y轴、前端XY轴或者后端XY轴的转子旋转时的转子位移信号进行滤波，得到估计信号和正交信号，利用估计信号和正交信号估计转子转速。

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