CN112983989B - 一种磁悬浮轴承及其控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请适用于磁悬浮轴承技术领域，提供一种磁悬浮轴承及其控制方法和系统，通过对执行器的输入电流进行采样，获得采样电流数据；获取采样电流数据的电流最大分量谐波频率；当电流最大分量谐波频率大于预设起始频率时，对转子的位移进行采样，获得采样位移；获取采样位移数据的位移最大分量谐波频率；根据电流最大分量谐波频率和位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率；通过自适应平衡算法根据谐波抑制频率，获得前馈补偿量；根据前馈补偿量对执行器的输入电流进行补偿，以驱动转子，可以抑制执行器的输入电流中与转子的转速同频的电流分量，减小功率放大器的输出电流，减小功率放大器的电流应力和输出损耗，使转子绕自身的惯性主轴旋转，减小转子位移的同步振动，维持控制系统的稳定性。

Description

一种磁悬浮轴承及其控制方法和系统

技术领域

本申请属于磁悬浮轴承技术领域，尤其涉及一种磁悬浮轴承及其控制方法和系统。

背景技术

磁悬浮轴承包含定子、转子、轴承、位移传感器、控制器和执行器等部件，执行器包括磁轴承和功率放大器。由于转子在制造过程中存在公差，导致转子的质心与几何中心偏移、与位移传感器的检测平面存在偏差，又由于轴承在安装过程中存在误差，导致整个磁悬浮轴承的几何中心与质心不重合，使得当转子在高速旋转时，会在磁悬浮轴承的控制系统中引入不平衡量，在位移反馈信号中带来与转速同频的不平衡干扰信号，从而在执行器的输入电流中也会引入同频分量，增加功率放大器的输出电流，引起转子位移振荡，甚至导致整个控制系统失去稳定性。

发明内容

本申请实施例提供了一种磁悬浮轴承及其控制方法和系统，能够抑制执行器的输入电流中与转子的转速同频的电流分量，减小功率放大器的输出电流，从而使转子绕自身的惯性主轴旋转，维持控制系统的稳定性。

本申请实施例的第一方面提供了一种磁悬浮轴承的控制方法，包括：

对执行器的输入电流进行采样，获得采样电流数据；

获取所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率；

当所述电流最大分量谐波频率大于预设起始频率时，对转子的位移进行采样，获得采样位移数据；

获取所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率；

根据所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率；

通过自适应平衡算法根据所述谐波抑制频率，获得前馈补偿量；

根据所述前馈补偿量对所述执行器的输入电流进行补偿，以驱动转子。

本申请实施例的第二方面提供了一种磁悬浮轴承的控制系统，包括：

电流采样单元，用于对执行器的输入电流进行采样，获得采样电流数据；

第一频率获取单元，用于获取所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率；

位移采样单元，用于当所述电流最大分量谐波频率大于预设起始频率时，对转子的位移进行采样，获得采样位移数据；

第二频率获取单元，用于获取所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率；

第三频率获取单元，用于根据所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率；

补偿量获取单元，用于通过自适应平衡算法根据所述谐波抑制频率，获得前馈补偿量；

前馈补偿单元，用于根据所述前馈补偿量对所述执行器的输入电流进行补偿，以驱动转子。

本申请实施例的第三方面提供了一种磁悬浮轴承，包括转子、位移传感器、电流传感器、执行器、存储器、控制器以及存储在所述存储器中并可在所述控制器上运行的计算机程序，所述控制器执行所述计算机程序时实现本申请实施例的第一方面所述磁悬浮轴承的控制方法的步骤。

本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被控制器执行时实现如本申请实施例的第一方面所述磁悬浮轴承的控制方法的步骤。

本申请实施例的第一方面提供的磁悬浮轴承的控制方法，通过对执行器的输入电流进行采样，获得采样电流数据；获取采样电流数据的电流最大分量谐波频率；当电流最大分量谐波频率大于预设起始频率时，对转子的位移进行采样，获得采样位移；获取采样位移数据的位移最大分量谐波频率；根据电流最大分量谐波频率和位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率；通过自适应平衡算法根据谐波抑制频率，获得前馈补偿量；根据前馈补偿量对执行器的输入电流进行补偿，以驱动转子，可以抑制执行器的输入电流中与转子的转速同频的电流分量，减小功率放大器的输出电流，从而减小功率放大器的电流应力和输出损耗，使转子绕自身的惯性主轴旋转，减小转子位移的同步振动，维持控制系统的稳定性。

可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的转子的几何主和轴惯性主轴的示意图；

图2是本申请实施例提供的转子静止时不平衡力的示意图；

图3是本申请实施例提供的转子高速旋转时不平衡力的示意图；

图4是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的第一种结构示意图；

图5是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法的第一种流程示意图；

图6是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法的第二种流程示意图；

图7是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法的第三种流程示意图；

图8是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法的第四种流程示意图；

图9是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法的第五种流程示意图；

图10是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法的第六种流程示意图；

图11是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法的第七种流程示意图；

图12是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制系统的结构示意图；

图13是本申请实施例提供的磁悬浮轴承的第二种结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

本申请实施例提供一种磁悬浮轴承的控制方法，可以由磁悬浮轴承的控制器在运行对应的计算机程序时执行，用于抑制执行器的输入电流中与转子的转速同频的电流分量。磁悬浮轴承可以应用于透平机(Turbine)、膨胀机(Expander)、压缩机(Compressor)等，压缩机具体可以应用于空调、电冰箱等电气设备。

在应用中，由于转子在制造过程中存在公差，使得转子在进行高速旋转时并非绕转子的几何主轴进行旋转，而是绕转子的惯性主轴进行旋转，导致转子不平衡。

如图1所示，示例性的示出了转子的几何主轴11和惯性主轴12的示意图。

在应用中，假设转子的不平衡质量为Δm，半径为r，长度为L，转子在进行高速旋转时，转子的不平衡质量Δm就会在控制系统中引入不平衡力F(离心力)和不平衡力矩M。其中，不平衡力的大小体现为离心力，F＝Δmω²r；不平衡质量体现为一对方向相向的不平衡力，此时不平衡力矩M＝L×(Δmω²r)，其中，×表示叉乘。

如图2所示，示例性的示出了转子静止时不平衡力21和22的示意图。

如图3所示，示例性的示出了转子高速旋转时不平衡力31和32的示意图。

如图4所示，磁悬浮轴承主要由转子41、位移传感器42、位移控制器43、电流传感器44、电流控制器45、功率放大器46和磁轴承47组成。磁轴承可以由定子和磁感线圈构成。控制系统的外环为位移控制环，内环为电流控制环。位移控制器43通过计算参考位移与位移传感器42反馈的转子的实际位移之间的偏差，并根据偏差产生电流控制信号，电流控制信号输入到电流控制环49。当转子在高速转动时，不平衡量会在位移控制环48中引入与转子41的转速同频的不平衡扰动量，使电流控制环49中产生同频控制电流，从而增加功率放大器46的损耗，且由于不平衡力的作用可能会导致控制系统失去稳定。

在应用中，磁悬浮轴承的控制系统通常采用陷波器对执行器的输入电流中的同频不平衡扰动量进行抑制，通过在控制系统中嵌入陷波器进行抑制。由于将陷波器加入控制系统中会提高控制系统的阶数，增加控制系统的零极点，从而影响控制系统的稳定性；另外，由于执行器的实际输入电流的响应速度通常远高于转子的机械转速的变化，因此，可以采用前馈抑制方式来对同频不平衡扰动量进行抑制。

如图5所示，本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法，包括如下步骤S501至S507：

步骤S501、对执行器的输入电流进行采样，获得采样电流数据。

在应用中，可以通过电流传感器采样执行器的输入电流。电流传感器可以通过模数转换器实现。执行器的输入电流可以是电流控制环输出至功率放大器的控制电流，也可以是功率放大器输出至磁轴承的控制电流。

在一个实施例中，步骤S501包括：

对功率放大器或磁轴承的输入电流进行采样，获得采样电流数据。

在应用中，对执行器的输入电流进行采样的采样时间可以是实时采样，也可以是每间隔预设时间采样一次，可以由用户根据实际需要通过磁悬浮轴承所应用的电气设备的人机交互器件输入采样时间设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送采样时间设置指令，以设置采样时间。

在应用中，电气设备的人机交互器件可以包括实体按键、触控传感器、手势识别传感器和语音识别单元中的至少一种，使得用户可以通过对应的触控方式、手势操控方式或语音控制方式输入指令。

在应用中，实体按键和触控传感器可以设置于电气设备的任意位置，例如，控制面板。对实体按键的触控方式具体可以是按压或拨动。对触控传感器的触控方式具体可以为按压或触摸等。

在应用中，手势识别传感器可以设置在电气设备的壳体外部的任意位置。用于控制电气设备的手势可以由用户根据实际需要自定义设置或者采用出厂时的默认设置。

在应用中，语音识别单元可以包括麦克风和语音识别芯片，也可以仅包括麦克风并由电气设备的控制器来实现语音识别功能。用于控制电气设备的语音可以由用户根据实际需要自定义设置或者采用出厂时的默认设置。

在应用中，终端设备可以是手机、智能手环、平板电脑、笔记本电脑、上网本、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)等具有无线通信功能，能够与电气设备进行无线通信连接的电子设备，本申请实施例对终端设备的具体类型不作任何限制。用户可以通过终端设备所支持的任意人机交互方式控制终端设备向电气设备发送指令。终端设备所支持的人机交互方式可以与电气设备相同，此处不再赘述。

步骤S502、获取所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率。

在应用中，可以通过傅里叶分析方法对采样电流数据进行分析，获得采样电流数据中的有效高频电流信号和高频谐波信号的频率特性，并根据其中高频谐波信号的频率特性获取高频谐波信号(也即第一高频谐波信号)的频率。

如图6所示，在一个实施例中，步骤S502包括如下步骤S601和S602：

步骤S601、对所述采样电流数据进行傅里叶分析，获得所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性；

步骤S602、根据所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性，获得所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率。

在应用中，基于傅里叶分析方法首先获得采样电流数据中的有效高频电流信号和高频谐波信号的幅值和相位特性，然后再根据高频谐波信号的幅值和相位特性获取其中高频谐波信号的频率。

如图7所示，在一个实施例中，步骤S601包括如下步骤S701和S702，步骤S602包括如下步骤S703和S704：

步骤S701、对所述采样电流数据进行快速傅里叶变换，获得所述采样电流数据的幅值频谱图；

步骤S702、根据所述采样电流数据的幅值频谱图，获得所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性。

在应用中，可以通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)分析方法对采样电流数据进行分析，获得采样电流数据的幅值和相位特性，并根据幅值和相位特性获得电流最大分量谐波频率。幅值和相位特性具体可以体现为幅值频谱图(MagnitudeSpectrum Map)，幅值频谱图是用于反映采样电流数据在不同频率点的分量幅值的波形图，幅值频谱图的横轴为频率、纵轴为幅值。

步骤S703、获取所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性的函数表达式的绝对值的最大值；

步骤S704、获取与所述最大值对应的频率，得到所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率。

在应用中，可以根据基于幅值频谱图获得的与频率点相关的幅值和相位特性，构建函数表达式，然后计算函数表达式在不同频率点的绝对值，并比较函数表达式在不同频率点的绝对值的大小，从中获取最大绝对值，并将最大绝对值所对应的频率点的频率作为电流最大分量谐波频率。获取最大绝对值的方式具体可以是采用排序算法对函数表达式在不同频率点的绝对值按照由大到小或由小到大的方式进行排序，在排序完成后即可获取最大的绝对值。排序算法可以由用户根据实际需要进行设置，例如，快速排序算法、插入排序算法、选择排序算法等。用户可以通过磁悬浮轴承所应用的电气设备的人机交互器件输入排序算法设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送排序算法设置指令，以设置排序算法。

在一个实施例中，采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性的函数表达式为：

其中，X(k)为所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性，x[n]为幅值，

为相位，j为常数，N为所述傅里叶分析的采样点数，N为大于1的任意整数；

电流最大分量谐波频率的表达式为：

f₁＝f_s1*k_max/N

其中，f₁为所述电流最大分量谐波频率，f_s1为所述傅里叶分析的采样频率，k_max为与所述最大值对应的k的值。

在应用于中，采样点数N可以由用户根据实际需要进行设置为大于1的任意整数。用户可以通过磁悬浮轴承所应用的电气设备的人机交互器件输入采样点数设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送采样点数设置指令，以设置采样点数N的值。同理，采样频率f_s1也可以由用户根据实际需要进行设置。用户也可以通过磁悬浮轴承所应用的电气设备的人机交互器件输入采样频率设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送采样频率设置指令，以设置采样频率f_s1的值。

步骤S503、当所述电流最大分量谐波频率大于预设起始频率时，对转子的位移进行采样，获得采样位移数据。

在应用中，由于在输入电流中的低频段信号对转子的不平衡干扰量较小，对输入电流中的低频段信号进行抑制，所实现的前馈抑制效果不明显，因此，可以根据控制系统的实际运行特性设置一个预设起始频率，具体可以在不进行前馈抑制的情况下，根据输入电流的幅值来确定预设起始频率，在输入电流中存在频率大于预设起始频率的不平衡干扰量(也即电流最大分量谐波频率)之后，再对控制系统进行前馈抑制。在获得电流最大分量谐波频率之后，比较电流最大分量谐波频率与预设起始频率之间的大小，以判断电流最大分量谐波频率是否大于预设起始频率，当电流最大分量谐波频率小于或等于预设起始频率，返回执行步骤S501。

在一个实施例中，步骤S502之前，还包括：

比较所述电流最大分量谐波频率与预设起始频率之间的大小；

当所述电流最大分量谐波频率小于或等于预设起始频率时，返回执行步骤S501。

在应用中，可以通过位移传感器采样转子的位移。对转子的位移进行采样的采样时间应当与对执行器的输入电流进行采样的采样时间保持同步。

步骤S504、获取所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率。

在应用中，可以通过傅里叶分析方法对采样位移数据进行分析，获得采样位移数据中的有效高频位移信号和高频谐波信号的频率特性，并根据其中高频谐波信号的频率特性获取高频谐波信号(也即第二高频谐波信号)的频率。

如图8所示，在一个实施例中，步骤S802包括如下步骤S801和S802：

步骤S801、对所述采样位移数据进行傅里叶分析，获得所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性；

步骤S802、根据所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性，获得所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率。

在应用中，基于傅里叶分析方法首先获得采样位移数据中的有效高频位移信号和高频谐波信号的增益和相位特性，然后再根据高频谐波信号的增益和相位特性获取其中高频谐波信号的频率。

如图9所示，在一个实施例中，步骤S801包括如下步骤S901和S902，步骤S802包括如下步骤S903和S904：

步骤S901、对所述采样位移数据进行快速傅里叶变换，获得所述采样位移数据的幅值频谱图和相位频谱图；

步骤S902、根据所述采样位移数据的幅值频谱图和相位频谱图，获得所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性。

在应用中，可以通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)分析方法对采样位移数据进行分析，获得采样位移数据的增益和相位特性，并根据增益和相位特性获得位移最大分量谐波频率。增益特性具体可以体现为幅值频谱图(Magnitude SpectrumMap)，幅值频谱图是用于反映采样位移数据在不同频率点的分量大小的波形图，幅值频谱图的横轴为频率、纵轴为幅值。相位特性具体可以体现为相位频谱图(Phase SpectrumMap)，相位频谱图是用于反映采样位移数据在不同频率点的分量大小所对应的相位的波形图，相位频谱图的横轴为频率、纵轴为相位。

步骤S903、获取所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性的函数表达式的绝对值的最大值；

步骤S904、获取与所述最大值对应的频率，得到所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率。

在应用中，可以根据基于幅值频谱图和相位频谱图获得的与频率点相关的增益和相位特性，构建函数表达式，然后计算函数表达式在不同频率点的绝对值，并比较函数表达式在不同频率点的绝对值的大小，从中获取最大绝对值，并将最大绝对值所对应的频率点的频率作为位移最大分量谐波频率。获取最大绝对值的方式具体可以是采用排序算法对函数表达式在不同频率点的绝对值按照由大到小或由小到大的方式进行排序，在排序完成后即可获取最大的绝对值。排序算法可以由用户根据实际需要进行设置，例如，快速排序算法、插入排序算法、选择排序算法等。用户可以通过磁悬浮轴承所应用的电气设备的人机交互器件输入排序算法设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送排序算法设置指令，以设置排序算法。

在一个实施例中，采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性的函数表达式为：

其中，Y(q)为所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性，y[m]为增益，

为相位，j为常数，M为所述傅里叶分析的采样点数；

所述电流最大分量谐波频率的表达式为：

f₂＝f_s2*q_max/M

其中，f₂为所述位移最大分量谐波频率，f_s2为所述傅里叶分析的采样频率，q_max为与所述最大值对应的q的值。

在应用于中，采样点数M可以由用户根据实际需要进行设置为大于1的任意整数。用户可以通过磁悬浮轴承所应用的电气设备的人机交互器件输入采样点数设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送采样点数设置指令，以设置采样点数M的值。同理，采样频率f_s2也可以由用户根据实际需要进行设置。用户也可以通过磁悬浮轴承所应用的电气设备的人机交互器件输入采样频率设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送采样频率设置指令，以设置采样频率f_s2的值。

步骤S505、根据所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率。

在应用中，位移谐波幅值的大小，反映了同频不平衡干扰量对转子产生的实际不平衡力的大小，在应用中，理论上来说，电流最大分量谐波频率与位移最大分量谐波频率相同，但在实际运行过程中，由于磁悬浮轴承的工作环境中电磁干扰较大，可能会影响位移传感器的正常工作，所以电流最大分量谐波频率f₁与位移最大分量谐波频率f₂可能会产生偏差，由于实际补偿目标为电流，因此，可以根据二者之间的误差来确定谐波抑制频率。

如图10所示，在一个实施例中，步骤S505包括如下步骤S1001至S1003：

步骤S1001、获取所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率之间的差值；

步骤S1002、当所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率之间的差值在预设差值范围内时，将所述位移最大分量谐波频率作为谐波抑制频率；

步骤S1003、当所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率之间的差值不在预设差值范围内时，将上一次获取的位移最大分量谐波频率作为谐波抑制频率。

在应用中，比较电流最大分量谐波频率和位移最大分量谐波频率，当两者的差值在一定的误差范围内时，输出位移最大分量谐波频率，否则输出上一次获得的位移最大分量谐波频率。预设差值范围为-f₁*A～f₁*A，A的具体取值与位移传感器的抗干扰性相关，可以由用户根据实际需要进行设置。用户可以通过磁悬浮轴承所应用的电气设备的人机交互器件输入预设差值范围设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送采样频率设置指令，以设置预设差值范围的A值。

步骤S506、通过自适应平衡算法根据所述谐波抑制频率，获得前馈补偿量。

在应用中，可以采用基于最小均方误差(Least Mean Square,LMS)的自适应平衡(Adaptive equalization)算法根据谐波抑制频率获得前馈补偿量，自适应平衡算法具体可以通过自适应陷波器实现。

如图11所示，在一个实施例中，步骤S506包括如下步骤S1101和S1102：

步骤S1101、生成与所述谐波抑制频率的频率相同的正弦信号和余弦信号。

在应用中，可以利用谐波抑制频率通过正弦发生器来生成与谐波抑制频率同频的正弦信号，然后通过调整正弦信号的相位获得与谐波抑制频率同频的余弦信号；同理，也可以利用谐波抑制频率通过余弦发生器来生成与谐波抑制频率同频的余弦信号，然后通过调整余弦信号的相位获得与谐波抑制频率同频的正弦信号；还可以分别利用谐波抑制频率通过正弦发生器来生成与谐波抑制频率同频的正弦信号、通过余弦发生器来生成与谐波抑制频率同频的余弦信号。

步骤S1102、通过基于最小均方误差的自适应平衡算法根据所述正弦信号和所述余弦信号，获得前馈补偿量。

在应用中，可以通过基于最小均方误差的自适应平衡算法获得同频不平衡干扰量的正弦补偿系数和余弦补偿系数，进而根据正弦信号、余弦信号、正弦补偿系数和余弦补偿系数计算得到前馈补偿量。

在一个实施例中，步骤S1102包括：

获取与所述输入电流之间具有最小均方误差的前馈补偿量，所述前馈补偿量等于所述正弦信号和正弦补偿系数的乘积与所述余弦信号和余弦补偿系数的乘积之和。

在应用中，基于最小均方误差的自适应平衡算法的理想的迭代结果是使正弦信号和正弦补偿系数的乘积与余弦信号和余弦补偿系数的乘积之和与执行器的输入电流中的抑制频率分量(也即前馈补偿量)大小相同，相位相反，即具有最小均方差。

在一个实施例中，所述均方误差的表达式为：

δ(t)＝E[d(t)-XW]²

W＝[L₁(ω₀,t) L₂(ω₀,t)]

其中，δ(t)为所述最小均方误差，d(t)为所述输入电流，sinω₀t为所述正弦信号，cosω₀t为所述余弦信号，L₁(ω₀,t)为所述正弦补偿系数，L₂(ω₀,t)为所述余弦补偿系数，ω₀为角频率，t为时间。

步骤S507、根据所述前馈补偿量对所述执行器的输入电流进行补偿，以驱动转子。

在应用中，在获得前馈补偿量之后，可以将前馈补偿量输出至位移控制环(也即作为位移控制器的输入)或电流控制环(也即作为电流控制器的输入)，以对位移控制器或电流控制器输出的电流控制信号进行补偿，从而抑制最终输出至执行器的电流中的同频控制电流，减小功率放大器的电流应力和输出损耗。

本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制方法，可以抑制执行器的输入电流中与转子的转速同频的电流分量，减小功率放大器的输出电流，从而减小功率放大器的电流应力和输出损耗，使转子绕自身的惯性主轴旋转，减小转子位移的同步振动，维持控制系统的稳定性。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

本申请实施例还提供一种磁悬浮轴承的控制系统，应用于磁悬浮轴承，用于执行上述方法实施例中的方法步骤。该系统可以是磁悬浮轴承中的虚拟系统(virtualappliance)，由磁悬浮轴承的控制器运行，也可以是磁悬浮轴承本身。

如图12所示，本申请实施例提供的磁悬浮轴承的控制系统100包括：

电流采样单元101，用于对执行器的输入电流进行采样，获得采样电流数据；

第一频率获取单元102，用于获取所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率；

位移采样单元103，用于当所述电流最大分量谐波频率大于预设起始频率时，对转子的位移进行采样，获得采样位移数据；

第二频率获取单元104，用于获取所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率；

第三频率获取单元105，用于根据所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率；

补偿量获取单元106，用于通过自适应平衡算法根据所述谐波抑制频率，获得前馈补偿量；

前馈补偿单元107，用于根据所述前馈补偿量对所述执行器的输入电流进行补偿，以驱动转子。

在一个实施例中，控制系统还包括：

比较单元，用于比较所述电流最大分量谐波频率与预设起始频率之间的大小；

返回单元，当所述电流最大分量谐波频率小于或等于预设起始频率时，返回电流采样单元。

在应用中，上述系统中的各部件可以为软件程序单元，也可以通过控制器中集成的不同逻辑电路或与控制器连接的独立物理部件实现，还可以通过多个分布式控制器实现。例如，电流采样单元、位移采样单元和比较单元可以通过与控制器连接的独立物理部件实现，电流采样单元可以是电流传感器、位移采样单元可以是位移传感器、比较单元可以是比较器，比较器也可以集成于控制器集；其他单元可以为软件程序单元，也可以通过控制器中集成的不同逻辑电路实现，还可以通过多个分布式控制器实现。

如图13所示，本申请实施例还提供一种磁悬浮轴承200，包括：至少一个控制器201(图13中仅示出一个控制器)、存储器202以及存储在存储器202中并可在至少一个控制器201上运行的计算机程序203，还包括转子204、位移传感器205、电流传感器206和执行器207，控制器201执行计算机程序203时实现上述各个方法实施例中的步骤。

在应用中，磁悬浮轴承可包括，但不仅限于，转子、位移传感器、电流传感器、执行器、存储器、控制器等。本领域技术人员可以理解，图13仅仅是磁悬浮轴承的举例，并不构成对磁悬浮轴承的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如，还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。输入输出设备可以包括前述人机交互器件，还可以包括显示屏，用于显示磁悬浮轴承的工作参数。网络接入设备可以包括通信单元，用于磁悬浮轴承与前述的终端设备进行通信。

在应用中，控制器可以包括图4所示的位移控制器和电流控制器，执行器可以包括图4所示的功率放大器和磁轴承。控制器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该控制器还可以是其他通用控制器、数字信号控制器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用控制器可以是微控制器或者该控制器也可以是任何常规的控制器等。

在应用中，存储器在一些实施例中可以是磁悬浮轴承所应用的电气设备的内部存储单元，例如，电气设备的硬盘或内存。存储器在另一些实施例中也可以电气设备的外部存储设备，例如，电气设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。存储器还可以既包括电气设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(Boot Loader)、数据以及其他程序等，例如计算机程序的程序代码等。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

在应用中，电流传感器可以根据实际需要选择采样精度符合要求的任意类型的模数转换器，例如，并联比较型、逐次逼近型或双积分型模数转换器。模数转换器的采样精度由其分辨率决定，分辨率可以根据实际需要进行选择，例如，八位、十二位或二十四位。当选用分辨率可切换的模数转换器时，用户可以根据实际需要通过磁悬浮轴承或终端设备的人机交互器件输入分辨率设置指令，或者，通过与电气设备通信连接的终端设备向电气设备发送分辨率设置指令，切换模数转换器的分辨率，以适应不同的应用场景。

在应用中，位移传感器可以通过应变式位移传感器、电感式位移传感器、差动变压器式位移传感器、涡流式位移传感器或霍尔传感器等来实现。

在应用中，显示器可以为薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor LiquidCrystal Display，TFT-LCD)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机电激光显示器(Organic Electroluminesence Display，OLED)、量子点发光二极管(Quantum DotLight Emitting Diodes，QLED)显示器，七段或八段数码管等。

在应用中，通信单元可以根据实际需要设置为任意能够与客户端直接或间接进行远距离有线或无线通信的器件，例如，通信单元可以提供应用在网络设备上的包括无线局域网(Wireless Localarea Networks，WLAN)(如Wi-Fi网络)，蓝牙，Zigbee，移动通信网络，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，调频(FrequencyModulation，FM)，近距离无线通信技术(Near Field Communication，NFC)，红外技术(Infrared，IR)等通信的解决方案。通信单元可以包括天线，天线可以只有一个阵元，也可以是包括多个阵元的天线阵列。通信单元可以通过天线接收电磁波，将电磁波信号调频以及滤波处理，将处理后的信号发送到控制器。通信单元还可以从控制器接收待发送的信号，对其进行调频、放大，经天线转为电磁波辐射出去。

需要说明的是，上述系统/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将所述系统的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被控制器所执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在磁悬浮轴承上运行时，使得磁悬浮轴承可实现上述各个方法实施例中的步骤。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被控制器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到磁悬浮轴承的任何实体或系统、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，系统或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，包括：

对执行器的输入电流进行采样，获得采样电流数据；

获取所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率；

当所述电流最大分量谐波频率大于预设起始频率时，对转子的位移进行采样，获得采样位移数据；

获取所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率；

根据所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率；

通过自适应平衡算法根据所述谐波抑制频率，获得前馈补偿量；

根据所述前馈补偿量对所述执行器的输入电流进行补偿，以驱动转子。

2.如权利要求1所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述获取所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率，包括：

对所述采样电流数据进行傅里叶分析，获得所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性；

根据所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性，获得所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率。

3.如权利要求2所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述对所述采样电流数据进行傅里叶分析，获得所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性，包括：

对所述采样电流数据进行快速傅里叶变换，获得所述采样电流数据的幅值频谱图；

根据所述采样电流数据的幅值频谱图，获得所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性；

所述根据所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性，获得所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率，包括：

获取所述采样电流数据在不同频率点的幅值和相位特性的函数表达式的绝对值的最大值；

获取与所述最大值对应的频率，得到所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率。

4.如权利要求1所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述获取所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率，包括：

对所述采样位移数据进行傅里叶分析，获得所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性；

根据所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性，获得所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率。

5.如权利要求4所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述对所述采样位移数据进行傅里叶分析，获得所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性，包括：

对所述采样位移数据进行快速傅里叶变换，获得所述采样位移数据的幅值频谱图和相位频谱图；

根据所述采样位移数据的幅值频谱图和相位频谱图，获得所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性；

所述根据所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性，获得所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率，包括：

获取所述采样位移数据在不同频率点的增益和相位特性的函数表达式的绝对值的最大值；

获取与所述最大值对应的频率，得到所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率。

6.如权利要求1所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述根据所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率，包括：

当所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率之间的差值在预设差值范围内时，将所述位移最大分量谐波频率作为谐波抑制频率；

当所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率之间的差值不在预设差值范围内时，将上一次获取的位移最大分量谐波频率作为谐波抑制频率。

7.如权利要求1所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述通过自适应平衡算法根据所述谐波抑制频率，获得前馈补偿量，包括：

生成与所述谐波抑制频率的频率相同的正弦信号和余弦信号；

通过基于最小均方误差的自适应平衡算法根据所述正弦信号和所述余弦信号，获得前馈补偿量。

8.如权利要求7所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述通过基于最小均方误差的自适应平衡算法根据所述正弦信号和所述余弦信号，获得前馈补偿量，包括：

获取与所述输入电流之间具有最小均方误差的前馈补偿量，所述前馈补偿量等于所述正弦信号和正弦补偿系数的乘积与所述余弦信号和余弦补偿系数的乘积之和。

9.如权利要求8所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述均方误差的表达式为：

δ(t)＝E[d(t)-XW]²

W＝[L₁(ω₀，t) L₂(ω₀，t)]

其中，δ(t)为所述最小均方误差，d(t)为所述输入电流，sinω₀t为所述正弦信号，cosω₀t为所述余弦信号，L₁(ω₀，t)为所述正弦补偿系数，L₂(ω₀，t)为所述余弦补偿系数，ω₀为角频率，t为时间。

10.一种磁悬浮轴承的控制系统，其特征在于，包括：

电流采样单元，用于对执行器的输入电流进行采样，获得采样电流数据；

第一频率获取单元，用于获取所述采样电流数据的电流最大分量谐波频率；

位移采样单元，用于当所述电流最大分量谐波频率大于预设起始频率时，对转子的位移进行采样，获得采样位移数据；

第二频率获取单元，用于获取所述采样位移数据的位移最大分量谐波频率；

第三频率获取单元，用于根据所述电流最大分量谐波频率和所述位移最大分量谐波频率，获得谐波抑制频率；

补偿量获取单元，用于通过自适应平衡算法根据所述谐波抑制频率，获得前馈补偿量；

前馈补偿单元，用于根据所述前馈补偿量对所述执行器的输入电流进行补偿，以驱动转子。

11.一种磁悬浮轴承，其特征在于，包括转子、位移传感器、电流传感器、执行器、存储器、控制器以及存储在所述存储器中并可在所述控制器上运行的计算机程序，所述控制器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至9任一项所述控制方法的步骤。

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