CN111878545A - 一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞轮技术领域，提供了一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统和方法。该系统和方法基于在磁悬浮飞轮装置中配置可调节提升组件，以提供大小可调节的辅助承载力，然后采用双闭环控制，第一控制闭环根据转子系统的综合状态信息、电磁控制线圈的电信息和第一给定目标驱动磁轴承提供期望磁控制力，以实现转子系统动态响应外界干扰；第二控制闭环根据磁轴承的磁控制力直流分量信息和第二给定目标驱动提升组件提供期望辅助承载力，以解决磁轴承的磁控制力随着飞轮运动工作点不同出现低频大幅度波动的问题，减小磁轴承的损耗。同时，该第二控制闭环可以降低磁轴承直流承载分量，提升磁轴承动态承载能力，增加整个支撑机构的鲁棒性。

Description

一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统和方法

技术领域

本发明涉及飞轮技术领域，更具体而言，涉及一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统和方法。

背景技术

出于提高飞轮储能系统动态响应特性和减小轴承系统压力的考虑，目前市场上大部分的飞轮储能装置均呈竖置放置状态，使得轴承力的主要承载方向为轴向。为了降低磁轴承运行负载以降低磁轴承损耗，同时降低对磁轴承尺寸的要求，现有技术在磁悬浮飞轮装置中采用提升组件技术。该技术在飞轮的上端面上设置一个可以导磁的工作面，同时在机壳的与该工作面相对的表面安装永磁体，利用永磁体在该导磁的工作面上形成轴向磁场作用。轴向磁场作用产生的轴向磁场力与飞轮的重力方向相反，因此可以减轻磁轴承的承载压力。

传统的提升组件技术将永磁体固定安装在机壳上，不可移动和调节，导致永磁体与导磁的工作面之间的工作间隙在大规模生产过程中较难以控制，且由于轴向磁场力与工作间隙的平方成反比，即非线性变化，因此使得不同的飞轮储能装置中的提升组件能够提供的辅助承载力差异很大，造成与之配套的磁轴承需要承担的承载力也各有差异。另外，飞轮一般工作在真空环境中，飞轮运行过程中散热较难，造成飞轮刚开机、长时间待机或者充放电时，飞轮本体、机壳、电机、轴承等部件温度变化较大，这种温度的变化会导致系统各个部件尺寸的变化，由于材料不同导致的部件尺寸变化差异，造成永磁体与导磁的工作面之间的工作气隙不断变化，并且该变化具有缓慢、低频、幅度较大的特性，进而造成提升组件提供的辅助承载力随着飞轮工作点的不同做缓慢但幅度较大的变化。

磁悬浮飞轮装置中飞轮的重力由提升组件的辅助承载力和磁轴承的磁控制力双重支承，提升组件的辅助承载力随着飞轮工作点变化而改变的特性，造成其对飞轮本身重量支撑力的上下波动，导致磁轴承需要提供的承载力出现缓慢且大幅度的上下漂移，增加了磁轴承的损耗，并且在极端情况下可能造成系统失稳。

同时，由于磁轴承的最大承载力和最大驱动电流限制，这些波动，减小了磁轴承对系统外界干扰做出反应的反应裕量，使得磁轴承在设计时必须选择更大的载荷能力来维持系统可靠性。这样做不仅会增加系统体积，而且对磁轴承控制硬件、系统成本以及转子动力学设计等方面都产生了不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统和方法，以解决现有配备不可移动调节的提升组件的磁悬浮飞轮装置中磁轴承需要提供的轴向承载力随着飞轮工作点不同出现低频大幅度波动的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统，所述磁悬浮飞轮装置包括壳体、设于所述壳体内的可旋转的飞轮、以及用于承载所述飞轮重力的支撑机构；所述支撑机构包括磁轴承和提升组件，所述提升组件用于提供大小可调节的辅助承载力，所述辅助承载力的方向与所述飞轮重力方向相反；所述磁轴承用于提供磁控制力；所述磁悬浮飞轮装置还包括转子系统，所述转子系统包括所述飞轮以及所述磁轴承的转子；所述双闭环控制系统包括：

获取模块，用于获取所述转子系统的综合状态信息、以及所述磁轴承的电磁控制线圈的电信息；

磁轴承控制模块，用于根据所述综合状态信息、所述电信息和第一给定目标计算并输出第一驱动信号；

第一驱动模块，用于根据所述第一驱动信号驱动所述电磁控制线圈产生期望控制磁场，所述期望控制磁场与所述磁轴承自身的偏置磁场相作用，使得所述磁轴承提供期望磁控制力；

低频解耦模块，用于对所述综合状态信息和所述电信息分析并进行解耦，根据解耦后的信息获取磁轴承的磁控制力直流分量信息；

提升组件控制模块，用于根据所述磁控制力直流分量信息和第二给定目标计算并输出第二驱动信号；

第二驱动模块，用于根据所述第二驱动信号驱动所述提升组件提供期望辅助承载力；

所述获取模块与所述磁轴承控制模块和所述第一驱动模块构成用于产生所述期望磁控制力的第一控制闭环；所述获取模块与所述低频解耦模块、所述提升组件控制模块以及所述第二驱动模块构成用于产生所述期望辅助承载力的第二控制闭环。

优选的，所述第二控制闭环的控制频率低于所述第一控制闭环的控制频率。

优选的，所述获取模块包括传感器单元，用于采集所述转子系统的状态信号、以及所述磁轴承的电磁控制线圈的电信号；所述状态信号包括转速、位置信号、速度信号或者加速度信号中的任意一种或多种的组合；所述电信号包括电流信号、电压信号中的任意一种或者两种的组合。

优选的，所述获取模块还包括转换单元，用于对所述传感器单元采集到的状态信号和电信号进行转换，并将转换后的信息对应发送至所述第一控制闭环和所述第二控制闭环。

优选的，所述提升组件包括沿所述飞轮轴向方向相对间隔设置的第一导磁件和第二导磁件、以及与所述第二导磁件连接的调节单元；所述第二导磁件与所述第一导磁件之间形成沿所述飞轮轴向方向的磁场作用；所述第一导磁件固定设于所述飞轮上，所述调节单元固定设于所述壳体上；所述调节单元用于使所述第二导磁件在所述飞轮轴向方向上进行位移运动，以调节所述第二导磁件与所述第一导磁件之间的工作间隙，使所述提升组件提供期望辅助承载力。

为了进一步解决上述技术问题，本发明还提供了一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法，所述磁悬浮飞轮装置包括壳体、设于所述壳体内的可旋转的飞轮、以及用于承载所述飞轮重力的支撑机构；所述支撑机构包括磁轴承和提升组件，所述提升组件用于提供大小可调节的辅助承载力，所述辅助承载力的方向与所述飞轮重力方向相反；所述磁轴承用于提供磁控制力；所述磁悬浮飞轮装置还包括转子系统，所述转子系统包括所述飞轮以及所述磁轴承的转子；所述双闭环控制方法包括：

获取所述转子系统的综合状态信息、以及所述磁轴承的电磁控制线圈的电信息；

以所述综合状态信息和所述电信息为第一控制闭环的输入量，以第一给定目标为所述第一控制闭环的控制目标计算并输出第一驱动信号；

根据所述第一驱动信号驱动所述磁轴承提供期望磁控制力；

综合分析所述综合状态信息和所述电信息，并进行解耦；

根据解耦后的信息获取所述磁轴承的磁控制力直流分量信息；

以所述磁控制力直流分量信息为第二控制闭环的输入量，以第二给定目标为所述第二控制闭环的控制目标计算并输出第二驱动信号；

根据所述第二驱动信号驱动所述提升组件提供期望辅助承载力。

优选的，所述提升组件包括沿所述飞轮轴向方向相对间隔设置的第一导磁件和第二导磁件、以及与所述第二导磁件连接的调节单元；所述第一导磁件固定设于所述飞轮上，所述调节单元固定设于所述壳体上；所述第二驱动信号为所述第二导磁件在所述飞轮的轴向方向上要进行的位移运动；

所述根据所述第二驱动信号驱动所述提升组件提供期望辅助承载力，包括：

将所述第二驱动信号发送至所述调节单元；

所述调节单元根据所述第二驱动信号驱动所述第二导磁件在所述飞轮轴向方向上进行位移运动，改变所述第一导磁件与所述第二导磁件之间的工作间隙，以使得所述提升组件提供所述期望辅助承载力。

优选的，所述第一驱动信号为驱动电流或者驱动电压，所述根据所述第一驱动信号驱动所述磁轴承提供期望磁控制力，包括：

根据所述驱动电流或者驱动电压驱动所述电磁控制线圈产生期望控制磁场，所述期望控制磁场与所述磁轴承自身的偏置磁场相作用，以使得所述磁轴承提供所述期望磁控制力。

优选的，所述第二控制闭环的控制频率低于所述第一控制闭环的控制频率。

优选的，所述第一给定目标为控制所述转子系统相对基准状态不偏移；和/或

所述第二给定目标为0。

与现有技术相比，本发明提供的磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统和方法基于在磁悬浮飞轮装置中配置可调节提升组件，以提供大小可调节的辅助承载力，然后采用双闭环控制，第一控制闭环根据转子系统的综合状态信息、电磁控制线圈的电信息和第一给定目标驱动磁轴承提供期望磁控制力，以实现转子系统动态响应外界干扰，提升转子系统的稳定性。第二控制闭环根据磁轴承的磁控制力直流分量信息和第二给定目标驱动提升组件提供期望辅助承载力，以解决磁轴承的磁控制力随着飞轮运动工作点不同出现低频大幅度波动的问题，减小磁轴承的损耗。同时，通过设置第二控制闭环可以降低磁轴承直流承载分量，提升磁轴承动态承载能力，从而提高磁轴承应对外界动态干扰的反应裕量，增加整个支撑机构的鲁棒性，使得磁悬浮飞轮装置的动态特性更加一致。此外，通过设置第二控制闭环还能够进一步减小磁轴承的承载力设计指标，减小磁轴承体积，有利于后续进一步改善转子动力学特性，使得飞轮可以达到更高的转速。而且由于磁轴承体积减小，还可以降低对磁轴承控制硬件和驱动硬件的要求。

附图说明

图1是本发明第一实施例磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统的结构示意图；

图2是配备可调节提升组件的磁悬浮飞轮装置的一种结构示意图；

图3是图2所示磁悬浮飞轮装置中调节单元与第二导磁件的装配示意图；

图4是本发明第二实施例磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法的流程示意图。

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，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

为了解决现有配备不可移动调节的提升组件的磁悬浮飞轮装置中磁轴承的承载力随着飞轮工作点不同出现低频大幅度波动的问题，本发明提供了一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统和方法，该系统和方法基于在磁悬浮飞轮装置中配置可调节提升组件，以提供大小可调节的辅助承载力，然后通过双闭环控制，使得磁悬浮飞轮装置的动态特性更加一致，不随飞轮工作点变化而变化。

需要说明的是，本发明所提供的多个实施例中，磁悬浮飞轮装置均呈竖直放置状态。请参阅图2所示的一种配备可调节提升组件的磁悬浮飞轮装置的结构示意图，该磁悬浮飞轮装置200包括壳体21、设于壳体21内的可旋转的飞轮22、以及用于承载飞轮22重力的支撑机构，该支撑机构包括磁轴承24和提升组件23。具体的，提升组件23用于提供大小可调节的辅助承载力，该辅助承载力的方向与飞轮22重力方向相反。磁轴承24用于提供磁控制力，该磁控制力中包含了沿飞轮22的轴向方向(即图2，3中所示Z方向)的轴向承载力。飞轮22的重力由提升组件23提供的辅助承载力和磁轴承24提供的磁控制力中的轴向承载力双重支承。进一步的，磁轴承24包括定子(图2中未示出)、悬浮于定子内且可旋转的转子(图2中未示出)、以及可产生电磁场的电磁控制线圈(图2中未示出)，以及可产生偏置电磁场的电磁偏置线圈和/或产生永磁场的永磁体(图2中未示出)。当电磁控制线圈产生磁场，该磁场与偏置磁场(偏置电磁场和/或永磁场)相作用后，产生磁控制力。磁轴承24的转子与飞轮22的转轴222一体设计，共同构成该飞轮装置200的转子系统。

请参阅图1所示，图1是本发明第一实施例磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统的结构示意图，该双闭环控制系统100集成于前述的磁悬浮飞轮装置200中。具体的，该双闭环控制系统100包括获取模块11、磁轴承控制模块12、第一驱动模块13、低频解耦模块14、提升组件控制模块15和第二驱动模块16。

其中，获取模块11与磁轴承控制模块12和第一驱动模块13构成第一控制闭环。获取模块11与低频解耦模块14、提升组件控制模块15以及第二驱动模块16构成第二控制闭环。

具体的，获取模块11用于获取转子系统的综合状态信息、以及电磁控制线圈的电信息。磁轴承控制模块12与获取模块11耦接，用于根据该综合状态信息、该电信息和第一给定目标计算并输出第一驱动信号。第一驱动模块13与磁轴承控制模块12耦接，用于根据该第一驱动信号驱动电磁控制线圈产生期望控制磁场，该期望控制磁场与磁轴承24自身的偏置磁场相作用，使得磁轴承24提供期望磁控制力。具体的，该磁控制力由偏置磁场与控制磁场叠加形成的磁场所产生

需要说明的是，该综合状态信息主要为转子系统在各种力作用后的状态变化信息，如轴向位置状态变化、径向位置状态变化等。电磁控制线圈的电信息m1为驱动电磁控制线圈产生控制磁场的当前电流或电压。通过获取转子系统的综合状态信息，可以分析出提升组件23提供的辅助承载力、飞轮22的重力、转子系统本身的不平衡力，以及外界干扰力间的关系大小，同时依据转子系统的震动状态，并结合第一给定目标，就能够分析出当前磁轴承24所需要提供的磁控制力的大小和方向。而该需要提供的磁控制力由电磁控制线圈产生控制磁场后，与磁轴承24自身的偏置磁场相作用产生，因此，对应可以分析出当前电磁控制线圈所需要的驱动电信息m2。再结合电磁控制线圈中的当前电信息m1，将两者作差(△m＝m2-m1)后即可得到用于驱动电磁控制线圈产生期望控制磁场的第一驱动信号。

优选的，该第一给定目标为控制转子系统相对基准状态不偏移。具体为，转子系统的各个组成部分(如飞轮、磁轴承的转子、甚至电机的转子)上均预设有物标，并且每个物标均有对应的基准状态，第一给定目标为控制转子系统的各个物标相对各自的基准状态不偏移。更具体的，若转子系统的综合状态信息为各个物标的实际位置偏移信息，包括具体偏移量或偏移方向，则该第一给定目标均设为0，即控制各个物标的偏移量为0。

第一控制闭环根据转子系统的综合状态信息、电磁控制线圈的电信息和第一给定目标驱动磁轴承24提供期望磁控制力，该期望磁控制力与其他力作用后能够使转子系统重新调整至基准状态，以实现转子系统动态响应外界干扰，提升转子系统的稳定性。

如背景中所述，提升组件23提供的辅助承载力随着飞轮22工作点变化会出现低频、缓慢、但幅度大的波动，因此，本发明在上述的第一控制闭环的外围增加了用于驱动提升组件23提供期望辅助承载力的第二控制闭环，以减小或消除这种波动，从而减小或消除对磁轴承24造成的波动影响。

具体的，获取模块11的另一个输出端与低频解耦模块14耦接，低频解耦模块14用于对转子系统的综合状态信息和电磁控制线圈的电信息分析并进行解耦，根据解耦后的信息获取磁轴承24的磁控制力直流分量信息。提升组件控制模块15与低频解耦模块14耦接，用于根据该磁控制力直流分量信息和第二给定目标计算并输出第二驱动信号。第二驱动模块16与提升组件控制模块15耦接，用于根据该第二驱动信号驱动提升组件23提供期望辅助承载力。

需要说明的是，该磁控制力直流分量信息为电磁控制线圈中的直流电流信息或者直流电压信息，主要用于驱动电磁控制线圈产生轴向方向上的控制磁场，该轴向方向上的控制磁场与偏置磁场作用后，就会生成对应大小和方向的轴向磁承载力。

第二控制闭环的设计原理如下：当提升组件23提供的辅助承载力随着飞轮22工作点变化出现波动时，通过前述的第一控制闭环，可以计算出磁轴承24为应对该波动所需要的第一驱动信号，即用于驱动电磁控制线圈产生期望控制磁场的驱动电流或驱动电压。当磁轴承24应对该波动后，获取模块11获取到的电磁控制线圈的当前电信息中就会包含与这些波动相对应的变动信息。后续再通过对这些变动信息进行提取，如提取当前电信息中用于产生轴向磁承载力的直流分量信息，并进行分析处理，就能对应得到提升组件23提供的辅助承载力随飞轮22工作点变化而产生的变动数据，进而再根据这些变动数据对提升组件23发出对应的调整指令，以驱动提升组件23提供期望辅助承载力。

因此，该第二控制闭环以该磁控制力直流分量信息为输入量，以第二给定目标为控制目标，通过逻辑运算后得到用于驱动提升组件23提供期望辅助承载力的第二驱动信号，从而解决磁轴承24的磁控制力随着飞轮运动工作点不同出现低频大幅度波动的问题，减小磁轴承24的损耗。

优选的，该第二给定目标为0，即将电磁控制线圈中的直流电降为0作为第二控制闭环的控制目标。也就是说，通过驱动提升组件23提供期望辅助承载力，使得磁轴承24无需提供轴向磁承载力为控制目标。

由于该期望辅助承载力能够使得转子系统在轴向上不偏移的情况下，大大减小磁轴承24的轴向承载压力，因此，通过设置该第二控制闭环可以降低磁轴承24的直流承载分量，提升磁轴承24的动态承载能力，从而提高磁轴承24应对外界动态干扰的反应裕量，增加整个支撑机构的鲁棒性，使得磁悬浮飞轮装置100的动态特性更加一致。同时，通过设置第二控制闭环还能够进一步减小磁轴承24的承载力设计指标，减小磁轴承24体积，有利于后续进一步改善转子动力学特性，使得飞轮22可以达到更高的转速，提供飞轮22的储能密度。而且由于磁轴承24体积减小，还可以降低对磁轴承24控制硬件和驱动硬件的要求。

优选的，在该第一实施例中，第二控制闭环的控制频率低于第一控制闭环的控制频率。其中，该控制频率即为各个控制闭环的变换和响应速度。具体的，第一控制闭环的控制频率需要设置得很高，可以参考现有的磁轴承控制系统中设置的控制频率。第二控制闭环的控制频率理论上也可以设置得很高，但是在具体应用中，应以缓慢控制为主。因为随着飞轮22工作点的不同，提升组件23提供的辅助承载力还具有缓慢变化的特性，如秒级、分钟级，甚至是小时级的。如果将第二控制闭环的控制频率设置得很高，不仅会不必要的增加控制系统的损耗，而且还有可能会对第一控制闭环造成额外的干扰，使得第一控制闭环不稳定。因此，在一些实施例中，将第二控制闭环的控制频率设置得低于或等于第一控制闭环的控制频率，优选将第二控制闭环的控制频率设置得低于第一控制闭环的控制频率。

可选的，在另一个实施例中，获取模块11包括传感器单元，该传感器单元用于采集转子系统的状态信号、以及用于采集磁轴承24的驱动电信号。可选的，该状态信号包括但不限于转速信号、位置信号、速度信号或者加速度信号中的任意一种或多种的组合。该驱动电信号包括但不限于电流信号、电压信号中的任意一种或者两种的组合。

可选的，在一些实施例中，该传感器单元可以自身具备将这些状态信号转换成能够反应转子系统状态变化的信息的功能、以及将这些电信号转换成对应电信息的功能，因此，在这些实施例中，传感器单元将采集并转换后的信息对应发送至第一控制闭环和第二控制闭环。在另一些实施例中，该获取模块11还包括与传感器单元耦接的转换单元，通过转换单元将这些状态信号转换成能够反应转子系统状态变化的信息、以及将这些电信号转换成对应电信息，并将转换后的信息对应发送至第一控制闭环和第二控制闭环，以分别作为各个控制闭环的输入量。

可选的，在另一个具体实施例中，提升组件23包括沿飞轮22轴向方向相对间隔设置的第一导磁件231和第二导磁件232、以及与第二导磁件232连接的调节单元233。第二导磁件232沿飞轮22轴向方向充磁，第一导磁件231不充磁或者与第二导磁件232同向充磁，使得第二导磁件232与第一导磁件231之间形成沿飞轮22轴向方向的磁场作用，具体为第二导磁件232在第一导磁件231的工作面上形成向上(即与飞轮22重力方向相反)的磁场吸力。第一导磁件231固定设于飞轮22上，调节单元233固定设于壳体21上。调节单元233用于使第二导磁件232在飞轮22轴向方向上进行位移运动，以调节第二导磁件232与第一导磁件231之间的工作间隙大小。

具体的，前述的第二驱动信号为该第二导磁件232在飞轮22轴向上要进行的位移运动，具体包括要移动的方向和距离。第二驱动模块16将该第二驱动信号发送至调节单元233后，调节单元233根据该第二驱动信号驱动第二导磁件232在飞轮22轴向方向上进行对应的位移运动，改变第二导磁件232与第一导磁件231之间的工作间隙，以最终使得提升组件23提供期望辅助承载力。

在该具体实施例中，通过在第二导磁件232与壳体21之间设置可以驱动该第二导磁件232进行轴向位移运动的调节单元233，使得第一导磁件231和第二导磁件232之间的工作间隙大小可控，从而可以实现控制提升组件23提供大小可调节的辅助承载力。同时，通过设置该调节单元233，大大降低了生产过程中对工作间隙大小的调控难度，无需额外机器拆解和机械加工，提高了生产效率，降低了装配调节成本，增加了产品一致性，提升了产品良率。

具体的，该第一导磁件231固定设于飞轮本体221的上端面2211上。可选的，第一导磁件231可以为独立的零件，也可以与飞轮本体221一体成型，当飞轮本体221本身为金属材料时，利用飞轮本体221本身的导磁特性被动磁化。如该具体实施例中所示，飞轮本体221的上端面2211即为第一导磁件231的工作面，第二导磁件232在该工作面上形成向上的磁场吸力作用。

优选的，在该具体实施例中，第二导磁件232为永磁体，以在第一导磁件231的工作面上形成稳定的轴向磁场作用。

继续参阅图3所示，调节单元233包括自壳体21内壁向壳体21的收容腔210内延伸的承重臂2331、以及可旋转地套设于承重臂2331的悬挂台2332。承重臂2331用于承担整个调节单元233和第二导磁件232的负载并将其传递至壳体21上。第二导磁件232设于悬挂台2332的靠近第一导磁件231侧，悬挂台2332围绕承重臂2331旋转时，带动第二导磁件232相对承重臂2331在轴向上进行位移运动。

在该具体实施例中，第二导磁件232和第一导磁件231均呈环状结构，可以为整块环形结构或者由若干块较小的导磁体组成的环状结构。并且第二导磁件232与第一导磁件231同轴设置。由于第二导磁件232为轴对称结构，因此，以其自身轴线为中心的旋转不会对磁场作用力产生影响。

进一步的，承重臂2331和悬挂台2332均呈环状结构，承重臂2331的外周壁上设有第一螺纹(图中未示出)，悬挂台2332的内周壁上设有与该第一螺纹配合连接的第二螺纹(图中未示出)，悬挂台2332通过该第二螺纹与第一螺纹配合连接以实现可旋转地套设于承重臂2331上。当悬挂台2332围绕承重臂2331旋转时，由于螺纹的进给作用，带动第二导磁件232相对于承重臂2331做轴向移动。

优选的，悬挂台2332的轴向厚度小于承重臂2331的轴向厚度，以为第二导磁件232在轴向上预留足够的位移空间。

具体的，调节单元233还包括用于驱动悬挂台2332围绕承重臂2331旋转的驱动模块2333，以便于实施对悬挂台2332进行旋转的操作，同时也有利于更加精准地控制第二导磁件232在轴向上运动的位移。

更具体的，在该具体实施例中，所述驱动模块2333包括第一齿轮2334、以及用于驱动该第一齿轮2334旋转的调节器2335。调节器2335的一端贯穿壳体21后于收容腔210内与第一齿轮2334连接，调节器2335的另一端设于壳体21外。需要说明的是，安装完调节器2335后可以通过本领域中任何合适的方式对各个连接处进行密封，以保证收容腔210的真空状态。悬挂台2332的外周壁上设有与第一齿轮2334啮合的第二齿轮2336，调节器2335驱动第一齿轮2334旋转时，悬挂台2332在第二齿轮2336与第一齿轮2334的啮合作用下旋转。

进一步的，第一齿轮2334和第二齿轮2336均为直齿。优选的，在该具体实施例中，第一齿轮2334小于第二齿轮2336。具体的，该第一齿轮2334的直径小于第二齿轮2336的直径，使得两个齿轮之间具有较高的减速比，从而有利于提升第二导磁件232在轴向上进行位移运动的控制精度。更具体的，第一齿轮2334的轴向厚度小于第二齿轮2336的轴向厚度，以保证当悬挂台2332围绕承重臂2331旋转后，第一齿轮2334和第二齿轮2336之间仍然能够保持较好的啮合作用。

在该具体实施例中，由于第一齿轮2334与第二齿轮2336之间的减速比、以及螺纹旋转与直线运动之间的减速比，使得第二导磁件232能够以很高的精度在轴向上进行位移运动，从而可以对第一导磁件231和第二导磁件232之间的工作间隙大小进行精准控制，进而实现对提升组件23提供的辅助承载力(即磁场作用力)大小进行精确控制。

进一步的，调节器2335包括驱动杆23351以及位于壳体21外的位置调整电机23352，位置调整电机23352的输出端与驱动杆23351连接，驱动杆23351与第一齿轮2334连接，位置调整电机23352根据驱动信号调节和控制第一齿轮2334旋转。进一步的，在该具体实施例中，在位置调整电机23352外套设一个金属罩(图中未示出)，金属罩的边缘与壳体21密封连接，以保证所述收容腔210的真空状态。

请参阅图4所示，图4是本发明第二实施例的磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法，该双闭环控制方法应用于第一实施例的磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统和前述的配置可调节提升组件的磁悬浮飞轮装置。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图4所示的流程顺序为限。如图4所示，该方法包括步骤：

步骤S201：获取转子系统的综合状态信息、以及磁轴承的电磁控制线圈的电信息。

需要说明的是，该综合状态信息主要为转子系统在各种力作用后的状态变化信息，如轴向位置状态变化、径向位置状态变化等。电磁控制线圈的电信息为驱动电磁控制线圈产生控制磁场的当前电流或电压。

可选的，在步骤S201中，先采集转子系统的状态信号、以及磁轴承的驱动电信号，然后将这些状态信号转换成能够反应转子系统状态变化的信息、以及将这些电信号转换成对应电信息，并将转换后的信息对应发送至第一控制闭环和第二控制闭环，以分别作为各个控制闭环的输入量。

可选的，该状态信号包括但不限于转速信号、位置信号、速度信号或者加速度信号中的任意一种或多种的组合。该驱动电信号包括但不限于电流信号、电压信号中的任意一种或者两种的组合。

步骤S202：以该综合状态信息和电信息为第一控制闭环的输入量，以第一给定目标为该第一控制闭环的控制目标计算并输出第一驱动信号。

可选的，在步骤S202中，该第一给定目标为控制转子系统相对基准状态不偏移。具体为，转子系统的各个组成部分(如飞轮、磁轴承的转子、甚至电机的转子)上均预设有物标，并且每个物标均有对应的基准状态，第一给定目标为控制转子系统的各个物标相对各自的基准状态不偏移。更具体的，若转子系统的综合状态信息为各个物标的实际位置偏移信息，包括具体偏移量或偏移方向，则该第一给定目标均设为0，即控制各个物标的偏移量为0。

步骤S203：根据该第一驱动信号驱动磁轴承提供期望磁控制力。

可选的，在步骤S203中，该第一驱动信号为驱动电流或者驱动电压，通过该驱动电流或者驱动电压驱动磁轴承的电磁控制线圈产生期望控制磁场，该期望控制磁场与磁轴承自身的偏置磁场相作用，以使得该磁轴承提供期望磁控制力。

步骤S204：综合分析转子系统的综合状态信息和电磁控制线圈的电信息，并进行解耦，根据解耦后的信息获取磁轴承的磁控制力直流分量信息。

在步骤S204中，该磁控制力直流分量信息为电磁控制线圈中的直流电流信息或者直流电压信息，主要用于驱动电磁控制线圈产生轴向方向上的控制磁场，该轴向方向上的控制磁场与偏置磁场作用后，就会生成对应大小和方向的轴向磁承载力。

步骤S205：以该磁控制力直流分量信息为第二控制闭环的输入量，以第二给定目标为该第二控制闭环的控制目标计算并输出第二驱动信号。

可选的，在步骤S205中，第二给定目标为0，即将电磁控制线圈中的直流电降为0作为第二控制闭环的控制目标。也就是说，通过驱动提升组件23提供期望辅助承载力，使得磁轴承24无需提供轴向磁承载力为控制目标。

优选的，第二控制闭环的控制频率低于第一控制闭环的控制频率。

步骤S206：根据该第二驱动信号驱动提升组件提供期望辅助承载力。

可选的，在步骤S206中，第二驱动信号为第二导磁件在飞轮的轴向方向上要进行的位移运动；通过将第二驱动信号发送至提升组件的调节单元；调节单元根据该第二驱动信号驱动第二导磁件在飞轮的轴向方向上进行位移运动，改变第二导磁件与第一导磁件之间的工作间隙大小，以使得提升组件提供该期望辅助承载力。

本发明第二实施例的磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法基于在磁悬浮飞轮装置中配置可调节提升组件，以提供大小可调节的辅助承载力，然后采用双闭环控制，第一控制闭环根据转子系统的综合状态信息、电磁控制线圈的电信息和第一给定目标驱动磁轴承提供期望磁控制力，以实现转子系统动态响应外界干扰，提升转子系统的稳定性。第二控制闭环根据磁轴承的磁控制力直流分量信息和第二给定目标驱动提升组件提供期望辅助承载力，以解决磁轴承的磁控制力随着飞轮运动工作点不同出现低频大幅度波动的问题，减小磁轴承的损耗。同时，通过第二控制闭环可以降低磁轴承直流承载分量，提升磁轴承动态承载能力，从而提高磁轴承应对外界动态干扰的反应裕量，增加整个支撑机构的鲁棒性，使得磁悬浮飞轮装置的动态特性更加一致。此外，通过第二控制闭环还能够进一步减小磁轴承的承载力设计指标，减小磁轴承体积，有利于后续进一步改善转子动力学特性，使得飞轮可以达到更高的转速。而且由于磁轴承体积减小，还可以降低对磁轴承控制硬件和驱动硬件的要求。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统，其特征在于，所述磁悬浮飞轮装置包括壳体、设于所述壳体内的可旋转的飞轮、以及用于承载所述飞轮重力的支撑机构；所述支撑机构包括磁轴承和提升组件，所述提升组件用于提供大小可调节的辅助承载力，所述辅助承载力的方向与所述飞轮重力方向相反；所述磁轴承用于提供磁控制力；所述磁悬浮飞轮装置还包括转子系统，所述转子系统包括所述飞轮以及所述磁轴承的转子；所述双闭环控制系统包括：

获取模块，用于获取所述转子系统的综合状态信息、以及所述磁轴承的电磁控制线圈的电信息；

磁轴承控制模块，用于根据所述综合状态信息、所述电信息和第一给定目标计算并输出第一驱动信号；

第一驱动模块，用于根据所述第一驱动信号驱动所述电磁控制线圈产生期望控制磁场，所述期望控制磁场与所述磁轴承自身的偏置磁场相作用，使得所述磁轴承提供期望磁控制力；

低频解耦模块，用于对所述综合状态信息和所述电信息分析并进行解耦，根据解耦后的信息获取磁轴承的磁控制力直流分量信息；

提升组件控制模块，用于根据所述磁控制力直流分量信息和第二给定目标计算并输出第二驱动信号；

第二驱动模块，用于根据所述第二驱动信号驱动所述提升组件提供期望辅助承载力；

所述获取模块与所述磁轴承控制模块和所述第一驱动模块构成用于产生所述期望磁控制力的第一控制闭环；所述获取模块与所述低频解耦模块、所述提升组件控制模块以及所述第二驱动模块构成用于产生所述期望辅助承载力的第二控制闭环。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统，其特征在于，所述第二控制闭环的控制频率低于所述第一控制闭环的控制频率。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统，其特征在于，所述获取模块包括传感器单元，用于采集所述转子系统的状态信号、以及所述磁轴承的电磁控制线圈的电信号；所述状态信号包括转速信号、位置信号、速度信号、以及加速度信号中的任意一种或多种的组合；所述电信号包括电流信号、电压信号中的任意一种或者两种的组合。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统，其特征在于，所述获取模块还包括转换单元，用于对所述传感器单元采集到的状态信号和电信号进行转换，并将转换后的信息对应发送至所述第一控制闭环和所述第二控制闭环。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮装置双闭环控制系统，其特征在于，所述提升组件包括沿所述飞轮轴向方向相对间隔设置的第一导磁件和第二导磁件、以及与所述第二导磁件连接的调节单元；所述第二导磁件与所述第一导磁件之间形成沿所述飞轮轴向方向的磁场作用；所述第一导磁件固定设于所述飞轮上，所述调节单元固定设于所述壳体上；所述调节单元用于使所述第二导磁件在所述飞轮轴向方向上进行位移运动，以调节所述第二导磁件与所述第一导磁件之间的工作间隙，使所述提升组件提供期望辅助承载力。

6.一种磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法，其特征在于，所述磁悬浮飞轮装置包括壳体、设于所述壳体内的可旋转的飞轮、以及用于承载所述飞轮重力的支撑机构；所述支撑机构包括磁轴承和提升组件，所述提升组件用于提供大小可调节的辅助承载力，所述辅助承载力的方向与所述飞轮重力方向相反；所述磁轴承用于提供磁控制力；所述磁悬浮飞轮装置还包括转子系统，所述转子系统包括所述飞轮以及所述磁轴承的转子；所述双闭环控制方法包括：

获取所述转子系统的综合状态信息、以及所述磁轴承的电磁控制线圈的电信息；

以所述综合状态信息和所述电信息为第一控制闭环的输入量，以第一给定目标为所述第一控制闭环的控制目标计算并输出第一驱动信号；

根据所述第一驱动信号驱动所述磁轴承提供期望磁控制力；

综合分析所述综合状态信息和所述电信息，并进行解耦；

根据解耦后的信息获取所述磁轴承的磁控制力直流分量信息；

以所述磁控制力直流分量信息为第二控制闭环的输入量，以第二给定目标为所述第二控制闭环的控制目标计算并输出第二驱动信号；

根据所述第二驱动信号驱动所述提升组件提供期望辅助承载力。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法，其特征在于，所述提升组件包括沿所述飞轮轴向方向相对间隔设置的第一导磁件和第二导磁件、以及与所述第二导磁件连接的调节单元；所述第一导磁件固定设于所述飞轮上，所述调节单元固定设于所述壳体上；所述第二驱动信号为所述第二导磁件在所述飞轮的轴向方向上要进行的位移运动；

所述根据所述第二驱动信号驱动所述提升组件提供期望辅助承载力，包括：

将所述第二驱动信号发送至所述调节单元；

所述调节单元根据所述第二驱动信号驱动所述第二导磁件在所述飞轮轴向方向上进行位移运动，改变所述第一导磁件与所述第二导磁件之间的工作间隙，以使得所述提升组件提供所述期望辅助承载力。

8.根据权利要求6所述的磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法，其特征在于，所述第一驱动信号为驱动电流或者驱动电压，所述根据所述第一驱动信号驱动所述磁轴承提供期望磁控制力，包括：

根据所述驱动电流或者驱动电压驱动所述电磁控制线圈产生期望控制磁场，所述期望控制磁场与所述磁轴承自身的偏置磁场相作用，以使得所述磁轴承提供所述期望磁控制力。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法，其特征在于，所述第二控制闭环的控制频率低于所述第一控制闭环的控制频率。

10.根据权利要求6-8中任一项所述的磁悬浮飞轮装置双闭环控制方法，其特征在于，

所述第一给定目标为控制所述转子系统相对基准状态不偏移；和/或

所述第二给定目标为0。

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