CN113217540B - 磁轴承轴向悬浮位置自校正系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统和方法，涉及磁悬浮的技术领域，系统设有轴向位移传感器和矫正位移传感器；轴向位移传感器检测飞轮转轴的上轴端的位置信息；矫正位移传感器检测飞轮转子的位置信息；第一中央处理器可根据预设悬浮基准位置信息和矫正位移传感器发送的位置信息更新预设悬浮基准位置信息，再结合轴向位移传感器发送的位置信息确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承根据位置调整信号调整飞轮转子的位置，使飞轮转子重新位于悬浮中心。由于轴向位移传感器只检测飞轮转轴的中心位置，因此避免了多传感器的谐波信号混叠问题，进而有效地提升了磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的可靠性。

Description

磁轴承轴向悬浮位置自校正系统和方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮的技术领域，尤其是涉及一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统和方法。

背景技术

为了使得轴向悬浮系统中的飞轮始终处于稳定的平衡状态，现有技术中的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统采用四足差动采集方式来采集传感器信号，其轴向结构图如图1所示，轴向一共安装4组传感器探头，每一组上下两个探头做差动，输出四路位移信号再取平均，作为最后信号输出，得到较平稳的信号。

但是，上述自校正系统中，四组探头差动取平均的结构对于检测飞轮半径本体尺寸较为敏感，当尺寸较大时，飞轮表面受加工精度限制，以及整体结构的对中性，会对传感器信号的质量产生影响，尤其旋转后，传感器的检测面长度过长，带入较多的结构谐波信号，使得轴向信号过度响应，导致PID饱和，进而超出控制器的稳定工作范围，使得悬浮状态不稳定。

综上所述，现有技术中的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统存在可靠性差的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统和方法，以提升磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的可靠性。

第一方面，本发明提供一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统，包括：顶端机械轴承、底端机械轴承、电机、上轴向磁轴承、下轴向磁轴承、飞轮转子和飞轮转轴，所述飞轮转轴的上端和下端之间依次套设所述顶端机械轴承、所述电机、所述上轴向磁轴承、所述飞轮转子、所述下轴向磁轴承和所述底端机械轴承；还包括：轴向位移传感器、矫正位移传感器和第一中央处理器；所述轴向位移传感器设于所述飞轮转轴的上轴端上方，且与所述飞轮转轴的中心位置对正；所述矫正位移传感器设于所述上轴向磁轴承的吸力面上；所述第一中央处理器分别与所述轴向位移传感器、所述矫正位移传感器和所述上轴向磁轴承相连接；所述轴向位移传感器用于检测所述飞轮转轴的上轴端的位置信息；所述矫正位移传感器用于检测所述飞轮转子的位置信息；所述第一中央处理器用于基于所述飞轮转子的位置信息和预设悬浮基准位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，以及基于更新后的预设悬浮基准位置信息和所述飞轮转轴的上轴端的位置信息确定位置调整信号，以使所述上轴向磁轴承基于所述位置调整信号控制所述飞轮转子位于悬浮中心；其中，所述预设悬浮基准位置信息为所述飞轮转子位于所述悬浮中心时，所述飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

第二方面，本发明提供一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法，所述方法应用于上述前述实施方式中的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统中的第一中央处理器，所述方法包括：获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息；其中，所述预设悬浮基准位置信息为飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息；基于所述预设悬浮基准位置信息和所述第二位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息；基于所述第一位置信息和所述更新后的预设悬浮基准位置信息确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承基于所述位置调整信号控制所述飞轮转子位于所述悬浮中心。

在可选的实施方式中，基于所述预设悬浮基准位置信息和所述第二位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，包括：提取所述第二位置信息的直流分量，得到第三位置信息；基于所述预设悬浮基准位置信息和所述第三位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息。

在可选的实施方式中，基于所述预设悬浮基准位置信息和所述第三位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息，包括：将所述预设悬浮基准位置信息和所述第三位置信息做差，得到位置补偿信息；将所述预设悬浮基准位置信息和所述位置补偿信息做和，得到所述更新后的预设悬浮基准位置信息。

在可选的实施方式中，基于所述第一位置信息和所述更新后的预设悬浮基准位置信息确定位置调整信号，包括：将所述第一位置信息和所述更新后的预设悬浮基准位置信息做差，得到位置偏差信息；利用第一预设PID控制器对所述位置偏差信息进行偏差校正，得到所述位置调整信号。

在可选的实施方式中，获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息，包括：定时获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息。

第三方面，本发明提供一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统，包括：顶端机械轴承、底端机械轴承、电机、上轴向磁轴承、下轴向磁轴承、飞轮转子和飞轮转轴，所述飞轮转轴的上端和下端之间依次套设所述顶端机械轴承、所述电机、所述上轴向磁轴承、所述飞轮转子、所述下轴向磁轴承和所述底端机械轴承；还包括：轴向位移传感器和第二中央处理器；所述轴向位移传感器设于所述飞轮转轴的上轴端上方，且与所述飞轮转轴的中心位置对正；所述第二中央处理器分别与所述轴向位移传感器和所述上轴向磁轴承相连接；所述轴向位移传感器用于检测所述飞轮转轴的上轴端的位置信息；所述第二中央处理器用于基于目标电流信号和所述上轴向磁轴承的实际电流信号确定位置调整信号，以及基于所述位置调整信号调整预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息，以使所述上轴向磁轴承基于所述位置调整信号控制所述飞轮转子位于悬浮中心；其中，所述目标电流信号为所述磁轴承轴向悬浮位置自校正系统启动时，所述上轴向磁轴承的工作电流信号；所述预设悬浮基准位置信息为所述飞轮转子位于所述悬浮中心时，所述飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

第四方面，本发明提供一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法，所述方法应用于上述前述实施方式中的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统中的第二中央处理器，所述方法包括：获取目标电流信号和上轴向磁轴承的实际电流信号；其中，所述目标电流信号为所述磁轴承轴向悬浮位置自校正系统启动时，所述上轴向磁轴承的工作电流信号；基于所述目标电流信号和所述实际电流信号确定位置调整信号，以使所述上轴向磁轴承基于所述位置调整信号控制飞轮转子位于悬浮中心；基于所述位置调整信号调整预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息；其中，所述预设悬浮基准位置信息为所述飞轮转子位于所述悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

在可选的实施方式中，基于所述目标电流信号和所述实际电流信号确定位置调整信号，包括：对所述实际电流信号进行滤波处理，得到滤波后的电流信号；基于所述目标电流信号和所述滤波后的电流信号确定位置调整信号。

在可选的实施方式中，基于所述目标电流信号和所述滤波后的电流信号确定位置调整信号，包括：将所述目标电流信号和所述滤波后的电流信号做差，得到电流偏差信号；利用第二预设PID控制器对所述电流偏差信号进行电流校正，得到所述位置调整信号。

本发明提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统中，设置了位于飞轮转轴的上轴端上方，且与飞轮转轴的中心位置对正的轴向位移传感器，以及位于上轴向磁轴承的吸力面上的矫正位移传感器；轴向位移传感器用于检测飞轮转轴的上轴端的位置信息；矫正位移传感器用于检测飞轮转子的位置信息；根据飞轮转子的位置信息能够确定出悬浮间隙的变化量，因此，第一中央处理器能够根据预设悬浮基准位置信息和矫正位移传感器发送的位置信息更新预设悬浮基准位置信息，并基于更新后的预设悬浮基准位置信息和轴向位移传感器发送的位置信息确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承根据位置调整信号调整飞轮转子的位置，使其重新位于悬浮中心，保证了悬浮的稳定性。由于轴向位移传感器只检测飞轮转轴的中心位置，因此避免了多传感器的谐波信号混叠问题，进而有效地提升了磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为现有技术中的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的轴向结构图；

图2为本发明实施例提供的一种简易的磁悬浮系统结构图；

图3为本发明实施例提供的一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的结构图；

图4为本发明实施例提供的一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法的原理框图；

图6为本发明实施例提供的另一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的结构图；

图7为本发明实施例提供的另一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法的流程图；

图8为本发明实施例提供的一种电子设备的示意图。

图标：100-顶端机械轴承；200-底端机械轴承；300-电机；400-上轴向磁轴承；500-下轴向磁轴承；600-飞轮转子；700-飞轮转轴；800-轴向位移传感器；900-矫正位移传感器；60-处理器；61-存储器；62-总线；63-通信接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图2所示，简易的磁悬浮系统是由转子、位移传感器、控制器、功率放大器和电磁铁组成。假设在悬浮基准位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离该悬浮基准位置，这时位移传感器检测出转子偏离基准点的位移，作为控制器的微处理器根据检测的位移输出控制信号，然后功率放大器将上述控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。

对于复杂的磁轴承轴向悬浮系统中，为了使飞轮转子能够处于稳定的平衡状态，现有技术中的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统采用四足差动采集方式来采集传感器信号，轴向一共安装4组传感器探头，传感器检测面与磁轴承面位于同一个平面，每一组上下两个探头做差动，输出四路位移信号再取平均，作为最后信号输出。但是，飞轮转子旋转后，传感器的检测面长度过长，容易带入较多的结构谐波信号(飞轮转子表面不平整导致的谐波)，使得轴向信号过度响应，导致PID饱和，进而超出控制器的稳定工作范围，使得悬浮状态不稳定。有鉴于此，本发明实施例提供了以下两种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统，均能用于缓解上文中所提出的技术问题。

实施例一

图3为本发明实施例提供的一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的结构图，如图3所示，该系统包括：顶端机械轴承100、底端机械轴承200、电机300、上轴向磁轴承400、下轴向磁轴承500、飞轮转子600和飞轮转轴700，飞轮转轴的上端和下端之间依次套设顶端机械轴承、电机、上轴向磁轴承、飞轮转子、下轴向磁轴承和底端机械轴承；另外还包括：轴向位移传感器800、矫正位移传感器900和第一中央处理器(图3中未示出)。

轴向位移传感器设于飞轮转轴的上轴端上方，且与飞轮转轴的中心位置对正；矫正位移传感器设于上轴向磁轴承的吸力面上；第一中央处理器分别与轴向位移传感器、矫正位移传感器和上轴向磁轴承相连接。

轴向位移传感器用于检测飞轮转轴的上轴端的位置信息。

矫正位移传感器用于检测飞轮转子的位置信息。

第一中央处理器用于基于飞轮转子的位置信息和预设悬浮基准位置信息更新预设悬浮基准位置信息，以及基于更新后的预设悬浮基准位置信息和飞轮转轴的上轴端的位置信息确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承基于位置调整信号控制飞轮转子位于悬浮中心；其中，预设悬浮基准位置信息为飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

具体的，在对飞轮转子的悬浮位置进行自校正之前，系统首先需要进行初始化，进而才能保证自校正的准确性。初始化过程即通过寻找极限位置，将矫正位移传感器与轴向位移传感器调理到同范围；其中，极限位置是指飞轮转子在上轴向磁轴承和下轴向磁轴承的限制下上下移动时，矫正位移传感器的检测面距离矫正位移传感器的最远距离和最近距离，该距离是由飞轮设计结构决定的，且传感器的检测范围必须要包含飞轮转子的悬浮中心位置；将矫正位移传感器与轴向位移传感器调理到同范围的意思是：当矫正位移传感器的检测面与矫正位移传感器之间的距离为上述最远距离和最近距离时，分别调整矫正位移传感器与轴向位移传感器的放大电路，使得二者的输出信号保持一致。

初始化结束之后，还需进行系统自检，也即确定初始状态下各传感器反馈的位置信号以及系统电压电流采集信号是否处于正常范围，如果各项信号处于正常范围内，则确定系统正常；否则确定系统故障并报警，显示故障代码，由技术人员判断排除故障。只有自检正常情况下，才允许进入悬浮位置自校正的流程。

本发明实施例提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统，为了避免飞轮旋转对传感器采集信号的影响，在飞轮转轴的上轴端上方设置一个轴向位移传感器，且令轴向位移传感器的检测位置与飞轮转轴的中心位置对正，此时，轴向位移传感器的检测面为中心一点，与磁轴承面不是同一平面。因此，即便飞轮转子旋转起来，也不会引入结构谐波信号。

但是，当磁轴承轴向悬浮系统长时间运行时，系统温度由冷态渐变到热态进而进入到温度平衡态；当停机时，系统温度又从热态渐变到冷态，在上述任意一个温度变化过程中，由于金属具有热胀冷缩的特性，轴向位移传感器的检测间隙(也即，轴向位移传感器与飞轮转轴的上轴端之间的距离)，以及飞轮转子与上轴向磁轴承、下轴向磁轴承之间的悬浮间隙均会产生变化，如果不能及时发现飞轮转子位置的变化并做出相应调整，严重时会使得飞轮转子脱离平衡位置，导致轴承失稳。有鉴于此，本发明实施例在上轴向磁轴承的吸力面上加装一个矫正位移传感器，该矫正位移传感器用于检测飞轮转子的位置信息，根据该位置信息可确定出飞轮转子与上轴向磁轴承之间悬浮间隙的变化量。

因此，悬浮位置自校正系统中还设有分别与轴向位移传感器、矫正位移传感器和上轴向磁轴承相连接的第一中央处理器，该第一中央处理器存储预设悬浮基准位置信息，并接收轴向位移传感器发送的上轴端的位置信息，以及矫正位移传感器发送的飞轮转子的位置信息，其中，预设悬浮基准位置信息为飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

第一中央处理器在接收到矫正位移传感器发送的位置信息后，对其进行滤波，保留直流分量，然后与预设悬浮基准位置进行结合，以确定出矫正位移传感器的直流分量的变化量，并基于上述变化量更新预设悬浮基准位置信息。

在得到更新后的预设悬浮基准位置信息之后，再将其与轴向位移传感器发送的飞轮转轴的上轴端的位置信息相结合即可确定出位置调整信号，并将位置调整信号发送至上轴向磁轴承，以使上轴向磁轴承根据位置调整信号控制飞轮转子重新位于悬浮中心。

为了能够对磁轴承轴向悬浮系统中飞轮转子的悬浮位置进行合理校正，第一中央处理器可以定时获取预设悬浮基准位置信息(每校正一次均会更新)、轴向位移传感器发送的位置信息和矫正位移传感器发送的位置信息，然后基于获取到的信息对飞轮转子的位置进行调整，本发明实施例不对信息的获取周期进行具体限制，用户可以根据实际需求进行设置。

本发明实施例提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统中，设置了位于飞轮转轴的上轴端上方，且与飞轮转轴的中心位置对正的轴向位移传感器，以及位于上轴向磁轴承的吸力面上的矫正位移传感器；轴向位移传感器用于检测飞轮转轴的上轴端的位置信息；矫正位移传感器用于检测飞轮转子的位置信息；根据飞轮转子的位置信息能够确定出悬浮间隙的变化量，因此，第一中央处理器能够根据预设悬浮基准位置信息和矫正位移传感器发送的位置信息更新预设悬浮基准位置信息，并基于更新后的预设悬浮基准位置信息和轴向位移传感器发送的位置信息确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承根据位置调整信号调整飞轮转子的位置，使其重新位于悬浮中心，保证了悬浮的稳定性。由于轴向位移传感器只检测飞轮转轴的中心位置，因此避免了多传感器的谐波信号混叠问题，进而有效地提升了磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的可靠性。

实施例二

本发明实施例还提供了一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法，该磁轴承轴向悬浮位置自校正方法主要应用于上述实施例一所提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统中的第一中央处理器，以下对本发明实施例提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正方法做具体介绍。

图4是本发明实施例提供的一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法的流程图，如图4所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤S102，获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息。

上文中已经对磁轴承轴向悬浮位置自校正系统进行了详细的介绍，本发明实施例中涉及到的各组成结构的位置关系请参考上述实施例一，此处不再赘述。要对飞轮转子的悬浮位置进行校正，第一中央处理器首先获取轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息，同时还需获取预设悬浮基准位置信息，其中，预设悬浮基准位置信息为飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息；系统启动时，预设悬浮基准位置信息为系统设计阶段确定的默认信息。

步骤S104，基于预设悬浮基准位置信息和第二位置信息更新预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息。

上文中介绍了，系统运行过程中，会经历冷态到热态的渐变过程，以及热态到冷态的渐变过程，任意一个温度变化过程中，金属热胀冷缩会导致悬浮间隙发生变化，已知矫正位移传感器与轴向位移传感器输出信号具有一致性，因此，根据预设悬浮基准位置信息和第二位置信息之间的差异即可对预设悬浮基准位置信息进行补偿，以更新预设悬浮基准位置信息。

步骤S106，基于第一位置信息和更新后的预设悬浮基准位置信息确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承基于位置调整信号控制飞轮转子位于悬浮中心。

更新后的预设悬浮基准位置信息代表了当前状态下飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息，因此，在得到更新后的预设悬浮基准位置信息之后，再与轴向位移传感器发送的第一位置信息进行比较，中央处理器即可得到飞轮转轴的位置偏差，进而确定出位置调整信号，并将位置调整信号发送至上轴向磁轴承，以使上轴向磁轴承根据位置调整信号调整飞轮转子的位置，使其重新位于悬浮中心。

本发明实施例提供了一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法，首先，获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息；然后，基于预设悬浮基准位置信息和第二位置信息更新预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息；最后，基于第一位置信息和更新后的预设悬浮基准位置信息确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承基于位置调整信号控制飞轮转子位于悬浮中心。该方法利用矫正位移传感器发送的第二位置信息确定悬浮间隙的变化量，且轴向位移传感器只检测飞轮转轴的中心位置，因此避免了多传感器的谐波信号混叠问题，有效地提升了磁轴承轴向悬浮位置自校正方法的可靠性。

上文中对本发明实施例提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正方法进行了简要的描述，下面对其中涉及的部分方法步骤进行具体介绍。

在一个可选的实施方式中，上述步骤S102，获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息，具体包括如下内容：

定时获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息。

为了能够对磁轴承轴向悬浮系统中飞轮转子的悬浮位置进行合理校正，第一中央处理器可以定时获取以上三种信息，再基于获取到的最新信息对飞轮转子的位置进行调整，本发明实施例不对以上信息的获取周期进行具体限制，用户可以根据实际需求进行设置。

在一个可选的实施方式中，上述步骤S104，基于预设悬浮基准位置信息和第二位置信息更新预设悬浮基准位置信息，具体包括如下步骤：

步骤S1041，提取第二位置信息的直流分量，得到第三位置信息。

步骤S1042，基于预设悬浮基准位置信息和第三位置信息更新预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息。

飞轮转子旋转时，矫正位移传感器的检测面长度较长，且受飞轮表面加工精度的影响，矫正位移传感器反馈的位置信息可能会存在噪声，因此在使用矫正位移传感器反馈的数据时，首先需要对其进行平均滤波，将第二位置信息中的直流分量提取出来，得到第三位置信息，然后再利用第三位置信息与预设悬浮基准位置信息相结合来更新预设悬浮基准位置信息。

在一个可选的实施方式中，上述步骤S1042，基于预设悬浮基准位置信息和第三位置信息更新预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息，具体包括如下步骤：

步骤S10421，将预设悬浮基准位置信息和第三位置信息做差，得到位置补偿信息。

步骤S10422，将预设悬浮基准位置信息和位置补偿信息做和，得到更新后的预设悬浮基准位置信息。

具体的，在得到第三位置信息之后，为了确定由于温度变化或其他因素所导致的转子位置偏移量，需要将预设悬浮基准位置信息和第三位置信息做差，得到位置补偿信息，也即，基准位置信息的补偿值，因此，将该补偿值加入到预设悬浮基准位置信息之后，即得到更新后的预设悬浮基准位置信息。

在一个可选的实施方式中，上述步骤S106，基于第一位置信息和更新后的预设悬浮基准位置信息确定位置调整信号，具体包括如下步骤：

步骤S1061，将第一位置信息和更新后的预设悬浮基准位置信息做差，得到位置偏差信息；

步骤S1062，利用第一预设PID控制器对位置偏差信息进行偏差校正，得到位置调整信号。

更新后的预设悬浮基准位置信息能够代表当前状态下飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息，因此，利用轴向位移传感器实际检测到的第一位置信息和更新后的预设悬浮基准位置信息做差，即可计算得到位置偏差信息，接下来，利用第一预设PID控制器对位置偏差信息进行偏差校正，第一中央处理器可确定出相应的位置调整信号，将该位置调整信号发送给上轴向磁轴承之后，上轴向磁轴承根据位置调整信号调整其工作电流，进而调整磁力，从而驱动飞轮转子返回到悬浮中心位置，最终实现系统的平稳运行。图5为本发明实施例提供的一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法的原理框图，根据图5可知，该方法逻辑可理解为闭环校正的过程。

实施例三

图6未本发明实施例提供的另一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的结构图，如图6所示，该系统包括：顶端机械轴承100、底端机械轴承200、电机300、上轴向磁轴承400、下轴向磁轴承500、飞轮转子600和飞轮转轴700，飞轮转轴的上端和下端之间依次套设顶端机械轴承、电机、上轴向磁轴承、飞轮转子、下轴向磁轴承和底端机械轴承；系统还包括：轴向位移传感器800和第二中央处理器(图6中未示出)。

轴向位移传感器设于飞轮转轴的上轴端上方，且与飞轮转轴的中心位置对正；第二中央处理器分别与轴向位移传感器和上轴向磁轴承相连接。

轴向位移传感器用于检测飞轮转轴的上轴端的位置信息。

第二中央处理器用于基于目标电流信号和上轴向磁轴承的实际电流信号确定位置调整信号，以及基于位置调整信号调整预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息，以使上轴向磁轴承基于位置调整信号控制飞轮转子位于悬浮中心；其中，目标电流信号为磁轴承轴向悬浮位置自校正系统启动时，上轴向磁轴承的工作电流信号；预设悬浮基准位置信息为飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

与上文实施例一所提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统相比，本发明实施例所提供的系统中，未在上轴向磁轴承的吸力面上设置矫正位移传感器，因此，本发明系统并不是根据飞轮转子的位移变化量来矫正其悬浮位置。

根据磁悬浮系统的悬浮原理可知，当飞轮转子位于上轴向磁轴承和下轴向磁轴承之间的不同位置时，上轴向磁轴承中所流过的电流会随之变化，因此，发明人想到可以利用上轴向磁轴承中电流的变化量对飞轮转子的悬浮位置进行调整。

具体的，在进行自校正之前，首先也要执行系统自检的步骤，确定初始状态下轴向位移传感器反馈的位置信息以及系统电压电流采集信号是否处于正常范围，如果各项信号处于正常范围内，则确定系统正常；否则确定系统故障并报警，显示故障代码，由技术人员判断排除故障。只有自检正常情况下，才允许进入悬浮位置自校正的流程。

在本发明实施例中，将磁轴承轴向悬浮位置自校正系统启动时(也即，飞轮转子在上轴向磁轴承和下轴向磁轴承的控制下悬浮在中心位置时)，上轴向磁轴承的工作电流信号作为目标电流信号，且为了确保目标电流信号的准确性，目标电流信号为对上轴向磁轴承的工作电流进行滤波处理之后的电流信号。

在确定出目标电流信号之后，第二中央处理器在获取到上轴向磁轴承的实际电流信号时，通过将其与目标电流信号进行比对，可确定出位置调整信号，将该位置调整信号发送给上轴向磁轴承之后，上轴向磁轴承根据位置调整信号调整其工作电流，进而调整磁力，从而驱动飞轮转子返回到悬浮中心位置，最终实现系统的平稳运行。

系统启动时，轴向位移传感器检测到的飞轮转轴的上轴端的位置信息为默认值，且在该默认值下，飞轮转子在上轴向磁轴承和下轴向磁轴承的控制下位于悬浮中心。通过上文中的描述可知，随着系统运行时间的增长，金属热胀冷缩会导致飞轮转子位置变化，因此，在此情况下调整飞轮转子在恢复悬浮中心之后，轴向位移传感器所检测到的飞轮转轴的上轴端的位置信息也应发生变化，因此，第二中央处理器还需根据位置调整信号调整预设悬浮基准位置信息，进而可根据轴向位移传感器发送的位置信息判断出飞轮转子是否调整到位。

本发明实施例提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统中，第二中央处理器利用目标电流信号和上轴向磁轴承的实际电流信号确定位置调整信号，利用位置调整信号调整预设悬浮基准位置信息，以使上轴向磁轴承根据位置调整信号调整飞轮转子的位置，使其重新位于悬浮中心，且根据轴向位移传感器反馈的位置信息可对飞轮转子是否调整到位进行核查。本发明实施例利用电流信号的变化确定飞轮转子的位置偏移量，且轴向位移传感器只检测飞轮转轴的中心位置，因此避免了多传感器的谐波信号混叠问题，进而有效地提升了磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的可靠性。

实施例四

本发明实施例还提供了一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法，该磁轴承轴向悬浮位置自校正方法主要应用于上述实施例三所提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统中的第二中央处理器，以下对本发明实施例提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正方法做具体介绍。

图7是本发明实施例提供的另一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法的流程图，如图7所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤S202，获取目标电流信号和上轴向磁轴承的实际电流信号。

上文中已经对实施例三所提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统进行了详细的介绍，本发明实施例中涉及到的各组成结构的位置关系请参考上述实施例三，此处不再赘述。要对飞轮转子的悬浮位置进行校正，第一中央处理器首先要获取目标电流信号和上轴向磁轴承的实际电流信号，其中，目标电流信号为磁轴承轴向悬浮位置自校正系统启动时，上轴向磁轴承的工作电流信号。实施例三中已经对目标电流信号的获取时机以及相关条件进行了介绍，此处不再赘述。

步骤S204，基于目标电流信号和实际电流信号确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承基于位置调整信号控制飞轮转子位于悬浮中心。

通过上文中的描述可知，一旦悬浮间隙发生变化，上轴向磁轴承中的电流将发生变化，因此，根据上轴向磁轴承中的实际电流信号以及目标电流信号之间的差异即可确定出位置调整信号，以使上轴向磁轴承根据位置调整信号调整工作电流(也即，电磁铁线圈电流，相当于调整磁力)以控制飞轮转子重新位于悬浮中心。

步骤S206，基于位置调整信号调整预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息。

本发明实施例利用磁轴承的电流变化量来确定飞轮转子的位置偏移量，因此，第二中央处理器在确定出位置调整信号之后，还需利用位置调整信号对预设悬浮基准位置信息进行调整，以得到更新后的预设悬浮基准位置信息，进而根据轴端位置传感器反馈的位置信息判断飞轮转子是否调整到位；其中，预设悬浮基准位置信息为飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

例如，位置调整之前，轴向位移传感器与飞轮转轴的上轴端的距离为10mm，第二中央处理器根据位置调整信号确定需要将飞轮转轴的上轴端向上调整2mm时能恢复飞轮转子的悬浮稳定性，也即，轴向位移传感器与飞轮转轴的上轴端的距离应更新为8mm；在将距离从10mm调整到8mm的过程中，上轴向磁轴承中的电流也将同步调整至目标工作电流。

本发明实施例提供的磁轴承轴向悬浮位置自校正方法，根据上轴向磁轴承中电流信号的变化确定飞轮转子的位置偏移量，且轴向位移传感器只检测飞轮转轴的中心位置，因此避免了多传感器的谐波信号混叠问题，进而有效地提升了磁轴承轴向悬浮位置自校正系统的可靠性。

在一个可选的实施方式中，为了能够对磁轴承轴向悬浮系统中飞轮转子的悬浮位置进行合理校正，第二中央处理器可以定时获取上轴向磁轴承的实际电流信号，再基于获取到的最新电流信号对飞轮转子的位置和预设悬浮基准位置信息进行调整，本发明实施例不对电流信号的获取周期进行具体限制，用户可以根据实际需求进行设置。

在一个可选的实施方式中，上述步骤S204，基于目标电流信号和实际电流信号确定位置调整信号，具体包括如下步骤：

步骤S2041，对实际电流信号进行滤波处理，得到滤波后的电流信号。

步骤S2042，基于目标电流信号和滤波后的电流信号确定位置调整信号。

具体的，为了确保实际电流信号的准确性，在获取到上轴向磁轴承中的实际电流信号之后，还需对其进行滤波处理，滤除噪声信号之后，得到滤波后的电流信号；然后再通过将目标电流信号和滤波后的电流信号进行比对来确定出位置调整信号。

在一个可选的实施方式中，上述步骤S2042，基于目标电流信号和滤波后的电流信号确定位置调整信号，具体包括如下步骤：

步骤S20421，将目标电流信号和滤波后的电流信号做差，得到电流偏差信号。

步骤S20422，利用第二预设PID控制器对电流偏差信号进行电流校正，得到位置调整信号。

在本发明实施例中，将目标电流信号作为电流基准信号，因此，利用目标电流信号和滤波后的电流信号做差，即可计算得到电流偏差信号，接下来，利用第二预设PID控制器对电流偏差信号进行电流校正，可得出相应的位置调整信号，将该位置调整信号发送给上轴向磁轴承之后，上轴向磁轴承根据位置调整信号调整其工作电流，进而调整磁力，从而驱动飞轮转子返回到悬浮中心位置，最终实现系统的平稳运行，该方法逻辑也属于闭环校正的处理过程。

实施例五

参见图8，本发明实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器60，存储器61，总线62和通信接口63，所述处理器60、通信接口63和存储器61通过总线62连接；处理器60用于执行存储器61中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器61可能包含高速随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口63(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线62可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器61用于存储程序，所述处理器60在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器60中，或者由处理器60实现。

处理器60可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器60中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器60可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称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。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器61，处理器60读取存储器61中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

本发明实施例所提供的一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

另外，在本发明各个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。

所述功能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，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统，包括：顶端机械轴承、底端机械轴承、电机、上轴向磁轴承、下轴向磁轴承、飞轮转子和飞轮转轴，所述飞轮转轴的上端和下端之间依次套设所述顶端机械轴承、所述电机、所述上轴向磁轴承、所述飞轮转子、所述下轴向磁轴承和所述底端机械轴承；其特征在于，还包括：轴向位移传感器、矫正位移传感器和第一中央处理器；

所述轴向位移传感器设于所述飞轮转轴的上轴端上方，且与所述飞轮转轴的中心位置对正；所述矫正位移传感器设于所述上轴向磁轴承的吸力面上；所述第一中央处理器分别与所述轴向位移传感器、所述矫正位移传感器和所述上轴向磁轴承相连接；

所述轴向位移传感器用于检测所述飞轮转轴的上轴端的位置信息；

所述矫正位移传感器用于检测所述飞轮转子的位置信息；

所述第一中央处理器用于基于所述飞轮转子的位置信息和预设悬浮基准位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，以及基于更新后的预设悬浮基准位置信息和所述飞轮转轴的上轴端的位置信息确定位置调整信号，以使所述上轴向磁轴承基于所述位置调整信号控制所述飞轮转子位于悬浮中心；其中，所述预设悬浮基准位置信息为所述飞轮转子位于所述悬浮中心时，所述飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

2.一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求1中的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统，所述方法包括：

获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息；其中，所述预设悬浮基准位置信息为飞轮转子位于悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息；

基于所述预设悬浮基准位置信息和所述第二位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息；

基于所述第一位置信息和所述更新后的预设悬浮基准位置信息确定位置调整信号，以使上轴向磁轴承基于所述位置调整信号控制所述飞轮转子位于所述悬浮中心。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述预设悬浮基准位置信息和所述第二位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，包括：

提取所述第二位置信息的直流分量，得到第三位置信息；

基于所述预设悬浮基准位置信息和所述第三位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述预设悬浮基准位置信息和所述第三位置信息更新所述预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息，包括：

将所述预设悬浮基准位置信息和所述第三位置信息做差，得到位置补偿信息；

将所述预设悬浮基准位置信息和所述位置补偿信息做和，得到所述更新后的预设悬浮基准位置信息。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述第一位置信息和所述更新后的预设悬浮基准位置信息确定位置调整信号，包括：

将所述第一位置信息和所述更新后的预设悬浮基准位置信息做差，得到位置偏差信息；

利用第一预设PID控制器对所述位置偏差信息进行偏差校正，得到所述位置调整信号。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息，包括：

定时获取预设悬浮基准位置信息、轴向位移传感器发送的第一位置信息和矫正位移传感器发送的第二位置信息。

7.一种磁轴承轴向悬浮位置自校正系统，包括：顶端机械轴承、底端机械轴承、电机、上轴向磁轴承、下轴向磁轴承、飞轮转子和飞轮转轴，所述飞轮转轴的上端和下端之间依次套设所述顶端机械轴承、所述电机、所述上轴向磁轴承、所述飞轮转子、所述下轴向磁轴承和所述底端机械轴承；其特征在于，还包括：轴向位移传感器和第二中央处理器；

所述轴向位移传感器设于所述飞轮转轴的上轴端上方，且与所述飞轮转轴的中心位置对正；所述第二中央处理器分别与所述轴向位移传感器和所述上轴向磁轴承相连接；

所述轴向位移传感器用于检测所述飞轮转轴的上轴端的位置信息；

所述第二中央处理器用于基于目标电流信号和所述上轴向磁轴承的实际电流信号确定位置调整信号，以及基于所述位置调整信号调整预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息，以使所述上轴向磁轴承基于所述位置调整信号控制所述飞轮转子位于悬浮中心；其中，所述目标电流信号为所述磁轴承轴向悬浮位置自校正系统启动时，所述上轴向磁轴承的工作电流信号；所述预设悬浮基准位置信息为所述飞轮转子位于所述悬浮中心时，所述飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

8.一种磁轴承轴向悬浮位置自校正方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求7中的磁轴承轴向悬浮位置自校正系统，所述方法包括：

获取目标电流信号和上轴向磁轴承的实际电流信号；其中，所述目标电流信号为所述磁轴承轴向悬浮位置自校正系统启动时，所述上轴向磁轴承的工作电流信号；

基于所述目标电流信号和所述实际电流信号确定位置调整信号，以使所述上轴向磁轴承基于所述位置调整信号控制飞轮转子位于悬浮中心；

基于所述位置调整信号调整预设悬浮基准位置信息，得到更新后的预设悬浮基准位置信息；其中，所述预设悬浮基准位置信息为所述飞轮转子位于所述悬浮中心时，飞轮转轴的上轴端的目标位置信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述目标电流信号和所述实际电流信号确定位置调整信号，包括：

对所述实际电流信号进行滤波处理，得到滤波后的电流信号；

基于所述目标电流信号和所述滤波后的电流信号确定位置调整信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，基于所述目标电流信号和所述滤波后的电流信号确定位置调整信号，包括：

将所述目标电流信号和所述滤波后的电流信号做差，得到电流偏差信号；

利用第二预设PID控制器对所述电流偏差信号进行电流校正，得到所述位置调整信号。

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