CN112096737B - 一种磁悬浮轴承-转子装置的控制方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承‑转子装置的控制方法和控制系统，属于磁悬浮轴承控制领域，所述方法包括：S1:获取处于原始悬浮状态的转子的原始径向位移；S2:获取原始径向位移和参考位移指令对应的位移差值信号，并根据位移差值信号获取原始电流指令；S3:采集磁轴承绕组上的绕组电流信号，并根据原始径向位移和绕组电流信号获取电流补偿信号；S4:将原始电流指令和电流补偿信号进行叠加得到目标电流指令；S5:利用目标电流指令在磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使磁轴承绕组生成目标电磁力将转子从原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。本申请可以有效抑制转子在径向位移振动，从而避免转子径向位移振动引起的机械装置损坏、噪声过大和稳定性差等问题。

Description

一种磁悬浮轴承-转子装置的控制方法和控制系统
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种磁悬浮轴承-转子装置的控制方法和控制系统。
背景技术
磁悬浮轴承通过非接触的电磁力对转子进行支撑，具有无摩擦、无碰撞等显著优势。目前磁悬浮轴承已在飞轮储能、高速电机、离心式压缩机等领域得到应用。
转子的径向位移振动是旋转机械中普遍存在的问题，磁悬浮轴承-转子系统中，过大的位移振动会产生碰撞，损坏机械装置；振动通过磁轴承传导到基座，引起基座振动与噪声；过大的位移振动也会导致系统失稳，产生安全事故。
现有的位移振动抑制方法往往需要利用转速传感器测量转速或旋转频率。然而，实际工作过程中，对于转速传感器的可靠性、精确性具有较高要求，且需要对转速传感器进行维护；对于尚未安装转速传感器，或系统结构不具备安装转速传感器条件的磁轴承-转子系统，基本无法实现位移振动抑制的功能。
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轴承-转子装置的控制方法和控制系统，其目的在于无需转速传感器即可抑制转子的位移振动，由此解决转子的径向位移振动引起的机械装置损坏、噪声过大和稳定性差等的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁悬浮轴承-转子装置的控制方法，包括：
S1:获取处于原始悬浮状态的所述转子至少一个自由度上对应的原始径向位移；
S2:获取所述原始径向位移和预设的参考位移指令对应的位移差值信号，根据所述位移差值信号获取原始电流指令，所述位移差值信号和所述原始电流指令存在映射关系；
S3:采集磁轴承绕组上的绕组电流信号，并根据所述原始径向位移和所述绕组电流信号获取电流补偿信号；
S4:将所述原始电流指令和所述电流补偿信号进行叠加得到目标电流指令；
S5:利用所述目标电流指令在所述磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使所述磁轴承绕组生成目标电磁力将所述转子从所述原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
S201：将所述原始径向位移和预设的参考位移指令做差值得到的所述位移差值信号；
S202：将所述位移差值信号输入位移控制器，以使所述位移控制器输出所述原始电流指令。
在其中一个实施例中，所述S3包括：
S301：将从所述磁轴承绕组上采集的绕组电流信号依次输入高通滤波器和广义积分-锁频环，以获取所述转子的旋转频率Ω*；
S302：将所述原始径向位移和所述旋转频率Ω*输入相移广义积分环节，以使所述相移广义积分环节输出所述电流补偿信号。
在其中一个实施例中，所述S5包括：
S501：将所述目标电流指令进行功率放大得到所述目标电流信号；
S502：在所述目标电流信号的作用下所述磁轴承绕组生成目标电磁力将所述转子从原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
按照本发明的另一方面，提供了一种磁悬浮轴承-转子装置的控制系统，包括：
位移采集器，用于获取处于原始悬浮状态的所述转子至少一个自由度上对应的原始径向位移；
减法器，与所述位移采集器连接，用于将所述原始径向位移和预设的参考位移指令做差值得到的位移差值信号；
位移控制器，与所述减法器连接，用于利用位移控制算法处理接收到所述位移差值信号得到原始电流指令；
电流采集器，用于采集磁轴承绕组上的绕组电流信号；
补偿获取模块，与所述电流采集器和所述位移采集器连接，用于根据所述原始径向位移和所述绕组电流信号获取电流补偿信号；
磁力生成模块，与所述补偿获取模块和位移控制器连接，用于将所述原始电流指令和所述电流补偿信号进行叠加得到目标电流指令，利用所述目标电流指令在所述磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使所述磁轴承绕组生成目标电磁力将所述转子从所述原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
在其中一个实施例中，所述补偿获取模块包括：
频率观测环节，与所述电流采集器连接，用于接收所述绕组电流信号，并根据所述绕组电流信号获取所述转子的旋转频率Ω*；
相移广义积分环节，与所述频率观测环节和所述位移采集器连接，用于根据所述旋转频率Ω*和所述原始径向位移获取所述电流补偿信号。
在其中一个实施例中，所述频率观测环节包括：依次连接的高通滤波器与广义积分-锁频环。
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)本申请通过获取所述转子至少一个自由度上对应的原始径向位移，并采集磁轴承绕组上绕组电流信号；再根据所述原始径向位移和所述绕组电流信号获取电流补偿信号及对应的目标电流指令；最后根据所述目标电流指令在磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使所述磁轴承绕组生成目标电磁力将所述转子从所述原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。本申请提供的控制方法可以有效抑制转子在径向上位移振动，从而解决由转子的径向位移振动引起的机械装置损坏、噪声过大和稳定性差等问题；
(2)本申请通过采集所述绕组电流信号获取所述转子的旋转频率Ω*，进而利用旋转频率Ω*来获取电流补偿信号，无需要安装转速传感器采集转速信息并从中提取转子的旋转频率Ω*，能够简化了控制系统的组成结构，消除转速传感器的维护检修成本；且可为未安装或无法安装转速传感器的磁轴承-转子装置进行位移振动抑制；另外，利用绕组电流信号获取电流补偿信号，可以提高补偿的精度，避免了由于转子径向移振动信号过小而出现频率观测失效的问题。
附图说明
图1是本申请一实施例中八极径向磁轴承转子装置的结构示意图；
图2是本申请一实施例中磁悬浮轴承-转子装置的控制方法的流程图；
图3是本申请一实施例中磁悬浮轴承-转子装置的控制系统中每个自由度的进行位移振动抑制的逻辑框图；
图4是本申请一实施例中相移广义积分环节的结构示意图；
图5是本申请一实施例中频率观测环节的结构示意图；
图6是本申请一实施例中磁悬浮轴承-转子装置的控制系统进行位移振动抑制的仿真结果图；
图7是本申请一实施例中磁悬浮轴承-转子装置的控制系统进行位移振动抑制的实验结果图。
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，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。
图1是本申请一实施例中八极径向磁轴承转子装置的结构示意图，该径向磁轴承的转子具有两个正交的自由度x，y。每个自由度受到该方向正对的两个磁极的电磁吸引力，因此控制x，y两个自由度共需要Ixa、Ixc、Iya和Iyc四个电流。位移传感器将采集的转子的径向位移数据转化为电信号即原始径向位移，并将原始径向位移和参考位移指令的位移差值信号输入到位移控制器。位移控制器利用控制算法的运算处理位移差值信号得到对应的原始电流指令。实际工作中，原始电流指令输入至磁轴承绕组，以产生实际电流及对应的实际电磁力，进而控制转子在原始悬浮状态下进行悬浮。
图2是本申请一实施例中磁悬浮轴承-转子装置的控制方法的流程，其中，磁悬浮轴承-转子装置的控制方法包括：步骤S1至步骤S5。其中，S1:获取处于原始悬浮状态的转子至少一个自由度上对应的原始径向位移。S2:获取原始径向位移和预设的参考位移指令对应的位移差值信号，根据位移差值信号获取原始电流指令，位移差值信号和原始电流指令存在映射关系。S3:采集磁轴承绕组上的绕组电流信号，并根据原始径向位移和绕组电流信号获取电流补偿信号。S4:将原始电流指令和电流补偿信号进行叠加得到目标电流指令；S5:利用目标电流指令在磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使磁轴承绕组生成目标电磁力将转子从原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
具体的，对于转子的一个自由度的控制，磁悬浮轴承-转子装置的控制方法包括：采集该自由度方向上的原始径向位移，将原始径向位移和预设参考位移指令作减法得到位移差值信号，并将位移差值信号输入到位移控制器；位移控制器经过其控制算法的应用，生成与原始径向位移对应的原始电流指令，其中，典型的位移控制器比如PID(比例-积分-微分)控制器，其运算出来的电流指令是输入差值的比例值、积分值、微分值的线性组合；其他类型的控制器比如鲁棒控制器等有其相应的运算原理；然后再采集磁轴承绕组上的绕组电流信号，将绕组电流信号输入频率观测环节，频率观测环节输出转子的观测频率Ω*，再将观测频率Ω*和转子的原始径向位移输入到相移广义积分环节，用于生成电流补偿信号；最后将电流补偿信号和原始电流指令进行叠加得到目标电流指令；功率放大器根据叠加后的目标电流指令在磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使磁轴承绕组生成目标电磁力将转子从原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
在其中一个实施例中，S2包括：S201：将原始径向位移和预设的参考位移指令做差值得到的位移差值信号；S202：将位移差值信号输入位移控制器，以使位移控制器输出原始电流指令。
在其中一个实施例中，S3包括：S301：将从磁轴承绕组上采集的绕组电流信号依次输入高通滤波器和广义积分-锁频环，以获取转子的旋转频率Ω*；S302：将原始径向位移和旋转频率Ω*输入相移广义积分环节，以使相移广义积分环节输出电流补偿信号。其中一个实施例中，S5包括：S501：将目标电流指令进行功率放大得到目标电流信号；S502：在目标电流信号的作用下磁轴承绕组生成目标电磁力将转子从原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
其中，以图1中八极径向磁轴承转子装置为例，x自由度对应的位移控制器经过其控制算法的运算，得到x自由度的原始电流指令Ix0；y自由度对应的位移控制器经过其控制算法的运算，得到y自由度的原始电流指令Iy0。在x，y自由度均安装用于绕组电流信号检测的电流传感器。位移传感器与电流传感器均是磁悬浮轴承-转子装置的控制系统普遍具有的环节，不必额外安装。选取一个绕组电流信号输入频率观测环节，得到转子对应的旋转频率Ω*；在自由度x的相移广义积分环节，输入旋转频率Ω*和自由度x的原始径向位移得到补偿信号Ix；在自由度y的相移广义积分环节，输入旋转频率Ω*和自由度y的原始径向位移得到补偿信号Iy。x自由度对应的两个功率放大器将磁轴承绕组电流分别控制为：
Figure BDA0002685800410000071
Figure BDA0002685800410000072
y自由度对应的两个功率放大器将磁轴承绕组电流分别控制为：
Figure BDA0002685800410000073
Figure BDA0002685800410000074
其中，I0为偏置电流。
图3是本申请一实施例中磁悬浮轴承-转子装置的控制系统中每个自由度的进行位移振动抑制的逻辑框图，磁悬浮轴承-转子装置的控制系统，包括：位移采集器、减法器、位移控制器、电流采集器、补偿获取模块和磁力生成模块。其中，位移采集器，用于获取处于原始悬浮状态的转子至少一个自由度上对应的原始径向位移；减法器，与位移采集器连接，用于将原始径向位移和预设的参考位移指令做差值得到的位移差值信号；位移控制器，与减法器连接，用于利用位移控制算法处理接收到位移差值信号得到原始电流指令；电流采集器，用于磁轴承绕组的电流信号；补偿获取模块，与电流采集器和位移采集器连接，用于根据原始径向位移和绕组电流信号获取电流补偿信号；磁力生成模块，与补偿获取模块和位移控制器连接，用于将原始电流指令和电流补偿信号进行叠加得到目标电流指令，并根据目标电流指令在磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使磁轴承绕组生成目标电磁力将转子从原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
具体的，对于转子的一个自由度的控制，磁悬浮轴承-转子装置的控制方法包括：采集该自由度方向上的原始径向位移，将原始径向位移和预设参考位移指令作减法得到位移差值信号，并将位移差值信号输入到位移控制器；位移控制器经过其控制算法的应用，生成与原始径向位移对应的原始电流指令；然后再采集转子上磁轴承绕组上的绕组电流信号，将绕组电流信号将输入频率观测环节，频率观测环节输出转子的观测频率Ω*，再将观测频率Ω*和转子的原始径向位移输入到相移广义积分环节，用于电流补偿信号；最后将电流补偿信号和原始电流指令进行叠加得到目标电流指令；功率放大器根据叠加后的目标电流指令在磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使磁轴承绕组生成目标电磁力将转子从原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
在其中一个实施例中，补偿获取模块包括：频率观测环节，与电流采集器连接，用于接收绕组电流信号，并根据绕组电流信号获取转子的旋转频率Ω*；相移广义积分环节，与频率观测环节和位移采集器连接，用于根据旋转频率Ω*和原始径向位移获取电流补偿信号。
图4是本申请一实施例中相移广义积分环节的结构示意图；相移广义积分环节主要结构包括由kIN,kPN及积分器构成的比例-积分环节，前馈积分器S1，反馈积分器S2，前馈增益ε。
在其中一个实施例中，频率观测环节包括：依次连接的高通滤波器与广义积分-锁频环。图5是本申请一实施例中频率观测环节的结构示意图；其主要结构包括高通滤波器和由积分器Sa、Sb、Sc，增益kg、
Figure BDA0002685800410000081
所构成的广义积分-锁频环，其中Ω*为观测所得角频率。因广义积分-锁频环在输入信号有直流分量时，难以得到正确的频率观测结果，而绕组电流信号中具有较大的直流分量，因此在频率观测环节中，将高通滤波器与广义积分-锁频环串联，由高通滤波器滤除磁轴承绕组电流中的直流分量后，由广义积分-锁频环对转子的旋转频率进行观测。
图6是本申请一实施例中磁悬浮轴承-转子装置的控制系统进行位移振动抑制的仿真结果图；图7是本申请一实施例中磁悬浮轴承-转子装置的控制系统进行位移振动抑制的实验结果图。
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 (4)

1.一种磁悬浮轴承-转子装置的控制方法，其特征在于，包括：
S1:获取处于原始悬浮状态的所述转子至少一个自由度上对应的原始径向位移；
S2:获取所述原始径向位移和预设的参考位移指令对应的位移差值信号，根据所述位移差值信号获取原始电流指令，所述位移差值信号和所述原始电流指令存在映射关系；
S3:采集磁轴承绕组上的绕组电流信号，并根据所述原始径向位移和所述绕组电流信号获取电流补偿信号；所述S3包括：
S301：将从所述磁轴承绕组上采集的绕组电流信号依次输入高通滤波器和广义积分-锁频环，以获取所述转子的旋转频率Ω*；
S302：将所述原始径向位移和所述旋转频率Ω*输入相移广义积分环节，以使所述相移广义积分环节输出所述电流补偿信号；
S4:将所述原始电流指令和所述电流补偿信号进行叠加得到目标电流指令；
S5:利用所述目标电流指令在所述磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使所述磁轴承绕组生成目标电磁力将所述转子从所述原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S2包括：
S201：将所述原始径向位移和预设的参考位移指令做差值得到的所述位移差值信号；
S202：将所述位移差值信号输入位移控制器，以使所述位移控制器输出所述原始电流指令。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S5包括：
S501：将所述目标电流指令进行功率放大得到所述目标电流信号；
S502：在所述目标电流信号的作用下所述磁轴承绕组生成目标电磁力将所述转子从原始悬浮状态调整为目标悬浮状态。
4.一种磁悬浮轴承-转子装置的控制系统，其特征在于，包括：
位移采集器，用于获取处于原始悬浮状态的所述转子至少一个自由度上对应的原始径向位移；
减法器，与所述位移采集器连接，用于将所述原始径向位移和预设的参考位移指令做差值得到的位移差值信号；
位移控制器，与所述减法器连接，用于利用位移控制算法处理接收到所述位移差值信号得到原始电流指令；
电流采集器，用于采集磁轴承绕组上的绕组电流信号；
补偿获取模块，与所述电流采集器和所述位移采集器连接，用于根据所述原始径向位移和所述绕组电流信号获取电流补偿信号；
磁力生成模块，与所述补偿获取模块和位移控制器连接，用于将所述原始电流指令和所述电流补偿信号进行叠加得到目标电流指令，利用所述目标电流指令在所述磁轴承绕组中产生目标电流信号，以使所述磁轴承绕组生成目标电磁力将所述转子从所述原始悬浮状态调整为目标悬浮状态；
所述补偿获取模块包括：
频率观测环节，与所述电流采集器连接，用于接收所述绕组电流信号，并根据所述绕组电流信号获取所述转子的旋转频率Ω*；
相移广义积分环节，与所述频率观测环节和所述位移采集器连接，用于根据所述旋转频率Ω*和所述原始径向位移获取所述电流补偿信号；
所述频率观测环节包括：依次连接的高通滤波器与广义积分-锁频环。
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