CN113280042B - 一种磁悬浮轴承的控制装置、方法和磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承的控制装置、方法和磁悬浮系统，该装置包括：采样单元，对磁悬浮轴承的轴向推力盘的位移进行采样，得到轴向推力盘的位移参数；控制单元，根据轴向推力盘的位移参数，确定轴承推力盘的角度参数；控制单元，还根据轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上轴向轴承电磁线圈中的至少一个轴向轴承电磁线圈的工作电流，以通过至少一个轴向轴承电磁线圈对轴向推力盘的位移和角度进行调节。该方案，通过辅助径向轴承修正转子的空间角度，能够提高转子控制精度。

Description

一种磁悬浮轴承的控制装置、方法和磁悬浮系统

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承的控制装置、方法和磁悬浮系统，尤其涉及一种磁悬浮轴向轴承的控制装置、方法和磁悬浮系统。

背景技术

磁悬浮轴承，是利用电磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。磁悬浮转子即采用了磁悬浮轴承作为支撑的转子部件，磁悬浮轴承通过电磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间无直接接触。在磁悬浮电机带载工作过程中，因转子径向载荷的不均衡，会导致转子控制精度变差。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种磁悬浮轴承的控制装置、方法和磁悬浮系统，以解决磁悬浮电机带载工作过程中因转子径向载荷的不均衡，会导致转子控制精度变差的问题，达到通过辅助径向轴承修正转子的空间角度，能够提高转子控制精度的效果。

本发明提供一种磁悬浮轴承的控制装置中，所述磁悬浮轴承，包括：三对以上轴向轴承电磁线圈；三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的每个所述轴向轴承电磁线圈，能够被独立控制；所述磁悬浮轴承的控制装置，包括：采样单元和控制单元；其中，所述采样单元，被配置为对所述磁悬浮轴承的轴向推力盘的位移进行采样，得到所述轴向推力盘的位移参数；所述控制单元，被配置为根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴承推力盘的角度参数；所述控制单元，还被配置为根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，以通过至少一对所述轴向轴承电磁线圈对所述轴向推力盘的位移和角度进行调节。

在一些实施方式中，所述采样单元，包括：位移采集模块；三对以上所述轴向轴承电磁线圈，包括：在竖直方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈；以及，在水平方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈；在每个自由度的轴向轴承电磁线圈处，设置有至少一个所述位移采样模块。

在一些实施方式中，所述控制单元，根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，包括：根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流；根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流；根据所述轴向推力盘的位移控制电流、以及所述轴向推力盘的角度控制电流，确定所述轴向轴承电磁线圈的工作电流。

在一些实施方式中，所述控制单元，根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流，包括：给同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈，分别提供一个静态偏置电流；将每个所述轴向轴承电磁线圈处的位移参数进行加权平均后，得到所述磁悬浮轴承的转子轴向实际位置；确定所述磁悬浮轴承的转子参考位置与所述转子轴向实际位置之间的位移偏差，对所述位移偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，以根据所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，对所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行差动控制。

在一些实施方式中，所述控制单元，根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流，包括：根据同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移参数，确定所述轴向推力盘的实际角度；确定所述轴向推力盘的实际角度与所述轴向推力盘的期望角度之间的角度偏差，对所述角度偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘的角度控制电流，以根据所述轴向推力盘的角度控制电流，对同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行控制。

与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种磁悬浮系统，包括：以上所述的磁悬浮轴承的控制装置。

与上述磁悬浮系统相匹配，本发明再一方面提供一种磁悬浮轴承的控制方法中，所述磁悬浮轴承，包括：三对以上轴向轴承电磁线圈；三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的每个所述轴向轴承电磁线圈，能够被独立控制；所述磁悬浮轴承的控制方法，包括：对所述磁悬浮轴承的轴向推力盘的位移进行采样，得到所述轴向推力盘的位移参数；根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴承推力盘的角度参数；根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，以通过至少一对所述轴向轴承电磁线圈对所述轴向推力盘的位移和角度进行调节。

在一些实施方式中，三对以上所述轴向轴承电磁线圈，包括：在竖直方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈；以及，在水平方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈。

在一些实施方式中，根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，包括：根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流；根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流；根据所述轴向推力盘的位移控制电流、以及所述轴向推力盘的角度控制电流，确定所述轴向轴承电磁线圈的工作电流。

在一些实施方式中，根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流，包括：给同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈，分别提供一个静态偏置电流；将每个所述轴向轴承电磁线圈处的位移参数进行加权平均后，得到所述磁悬浮轴承的转子轴向实际位置；确定所述磁悬浮轴承的转子参考位置与所述转子轴向实际位置之间的位移偏差，对所述位移偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，以根据所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，对所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行差动控制。

在一些实施方式中，根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流，包括：根据同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移参数，确定所述轴向推力盘的实际角度；确定所述轴向推力盘的实际角度与所述轴向推力盘的期望角度之间的角度偏差，对所述角度偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘的角度控制电流，以根据所述轴向推力盘的角度控制电流，对同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行控制。

由此，本发明的方案，通过多自由度的电磁线圈对轴向推力盘进行精确的角度控制，以实现辅助径向轴承修正转子的空间角度；从而，通过辅助径向轴承修正转子的空间角度，能够提高转子控制精度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为轴向轴承受力示意图；

图2为磁悬浮轴向轴承的结构示意图；

图3为本发明的磁悬浮轴承的控制装置的一实施例的结构示意图；

图4为四自由度后轴向轴承线圈的分布结构示意图；

图5为磁悬浮轴承差动控制方式的结构示意图；

图6为本发明的轴向轴承系统的实际控制流程示意图；

图7为以竖直方向角度偏差为例的控制系统的结构示意图；

图8为本发明的磁悬浮轴承的控制方法的一实施例的流程示意图；

图9为本发明的方法中控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流的一实施例的流程示意图；

图10为本发明的方法中确定所述轴向推力盘的位移控制电流的一实施例的流程示意图；

图11为本发明的方法中确定所述轴向推力盘的角度控制电流的一实施例的流程示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-磁悬浮转子；2-轴向推力盘；3-前轴向铁芯；4-后轴向铁芯；5-前轴向线圈；6-后轴向线圈；7-轴向位移传感器；8-轴向推力盘；9-位移传感器；10-后U-轴向线圈；11-后D-轴向线圈；12-后R-轴向线圈；13-后L-轴向线圈；102-采样单元；104-控制单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

与滚珠轴承、滑动轴承相比，磁悬浮轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有无机械磨损，能耗低，噪声小，使用寿命长以及无需润滑等优点，适用于高速、真空、超净等特殊应用环境。

在相关方案中，压缩机等机械一般在转子端部悬挂叶轮作为做功部件。叶轮等做功部件径向载荷的不均衡往往使转子偏离中心线，使转子轴心线与轴承轴心线存在微小角度差。图1为轴向轴承受力示意图。图1中，前后轴承线圈各为一个整体，即推力盘前面有一个线圈，后面也有一个线圈，转子上方和转子下方的线圈是连在一起，同为一个线圈。当转子向下倾斜时，轴向轴承与推力盘上下部分的气隙大小不一致，如图1所示。由电磁力方程：

可知，当轴承结构确定后，空气磁导率μ₀、轴承线圈绕组的匝数N、定子与转子铁芯间气隙的横截面积A均为常数，磁力大小与线圈电流大小I的平方成正比，与气隙大小X的平方成反比。上下部分气隙不一致导致轴向轴承在倾斜的推力盘上产生一个指向倾斜方向的径向力矩，使转子持续向倾斜方向倾斜，导致径向轴承控制工况恶化。在相关方案的磁悬浮轴向轴承中，转子的径向位置由前后径向轴承来控制，每个径向轴承各有两个自由度的电磁线圈组成；轴向位置是由安装在轴向轴承座上单自由度电磁线圈控制。转子径向位置的偏移只能通过控制转子轴承来调节，而轴向轴承只能调节转子的轴向线性位移，不能对转子轴向偏移角度进行有效调节。

图2为磁悬浮轴向轴承的结构示意图。相关方案中，磁悬浮轴向轴承控制主要采用差动控制方式，如图2所示，每一自由度的轴向轴承线圈都分前轴向轴承线圈5和后轴向轴承线圈6两部分，所述前轴向轴承线圈5设在前轴向轴承铁芯3上，后轴向轴承线圈6设在后轴向轴承铁芯4上。通过设在轴承铁芯内用于采集磁悬浮转子1轴向位置变化量的轴向位移传感器7，检测与轴承推力盘2的相对位置大小来差分控制前后轴向线圈控制电流的大小。推力盘偏向前轴向轴承，则减少前轴向轴承线圈的控制电流，增大后轴向轴承线圈的控制电流；反之，推力盘偏向后轴向轴承，则减少后轴向轴承线圈的控制电流，增大前轴向轴承线圈的控制电流。但该方法只能调整推力盘的轴向位置，不能调整推力盘的空间偏移角度。当推力盘发生倾斜时，轴向轴承会在倾斜的推力盘上产生一个指向倾斜方向的径向力矩，使转子持续向倾斜方向倾斜，导致径向轴承控制工况恶化，如图1所示。

根据本发明的实施例，提供了一种磁悬浮轴承的控制装置。参见图3所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。所述磁悬浮轴承，包括：三对以上所述轴向轴承电磁线圈。三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的每个所述轴向轴承电磁线圈，能够被独立控制。所述磁悬浮轴承的控制装置，包括：采样单元102和控制单元104。控制单元104，可以是磁悬浮轴承的轴承控制器。

其中，所述采样单元102，被配置为对所述磁悬浮轴承的轴向推力盘的位移进行采样，得到所述轴向推力盘的位移参数。

所述控制单元104，被配置为根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴承推力盘的角度参数。例如：根据各位移传感器的位移信号计算出推力盘的实际角度。

所述控制单元104，还被配置为根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，以通过至少一对所述轴向轴承电磁线圈对所述轴向推力盘的位移和角度进行调节，修正所述磁悬浮轴承的转子的轴向偏移角度。

由此，将轴向轴承由单个自由度的线圈组成，修改为由多个自由度的线圈组成，通过多个(3个或3个以上)独立控制的轴承线圈共同作用，可有效修正转子轴向偏移角度。这样，本发明的方案，提出了一种多自由度磁悬浮轴向轴承的控制方式，通过多自由度的电磁线圈对轴向推力盘进行精确的角度控制，辅助径向轴承修正转子的空间角度，提高了磁悬浮轴向轴承的控制精度和可靠性，提高了磁悬浮轴承的带载能力和转子控制精度。从而，解决了在磁悬浮电机带载工作过程中，因转子径向载荷的不均衡，导致转子轴心线偏离轴承轴心线，导致转子径向精度变差的问题。还解决了在转子轴心线偏离轴承轴心线的情况下，轴向轴承电磁力不均衡产生径向力矩的问题。

其中，一个自由度的线圈即推力盘前后成对控制的两个线圈。

具体地，本发明的方案，在磁悬浮轴向轴承中，通过多个位移传感器判断轴向推力盘的空间角度，实时调节多个独立控制的轴向轴承电磁线圈的控制电流，调节推力盘的空间角度，从而辅助径向轴承修正转子的空间角度，辅助径向轴承提高对转子的控制精度。其中，各轴向线圈可独立控制。

这里，相关方案中，轴向线圈为一个整体；当转子偏离中心线，使转子轴心线与轴承轴心线存在微小角度差，导致轴向轴承在倾斜的推力盘上产生一个指向倾斜方向的径向力矩，使转子持续向倾斜方向倾斜。而本发明的方案中，各个线圈的电流均可独立调节，可减小或完全不产生指向倾斜方向的径向力矩，更理想的情况就是产生一个反向力矩，将推力盘往回修正。

在一些实施方式中，所述采样单元102，包括：位移采集模块(如位移传感器)。

三对以上所述轴向轴承电磁线圈，包括：在竖直方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈。以及，在水平方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈。

在每个自由度的轴向轴承电磁线圈处，设置有至少一个所述位移采样模块。

图4为四自由度后轴向轴承线圈的分布结构示意图。以轴向4自由度为例，各自由度的电磁线圈均匀分布于轴向推力盘8表面，每个自由度的轴承线圈都配有相应的位移传感器9，如图4所示。其中，各自由度的电磁线圈，如后U-轴向线圈10、后D-轴向线圈11、后R-轴向线圈12、后L-轴向线圈13。

图5为磁悬浮轴承差动控制方式的结构示意图。如图5所示，在竖直方向上，推力盘前后排布U+、U-，D+、D-两个自由度四个轴承线圈。相应地，在水平方向上，推力盘前后排布R+、R-，L+、L-两个自由度四个轴承线圈。

图5中，前后轴承线圈均由四个分立线圈组成，在图4中给出分布示意。即推力盘前面有四个线圈，后面也有四个线圈，图5只示意出竖直方向的四个线圈，转子上方和转子下方的线圈是分开的。

在一些实施方式中，所述控制单元104，根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，包括：

所述控制单元104，具体还被配置为根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流，如位移控制电流I_c。

所述控制单元104，具体还被配置为根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流，如位移控制电流I_θ。

所述控制单元104，具体还被配置为根据所述轴向推力盘的位移控制电流、以及所述轴向推力盘的角度控制电流，确定所述轴向轴承电磁线圈的工作电流。

图6为本发明的轴向轴承系统的实际控制流程示意图。如图6所示，轴向轴承系统的实际控制流程，包括：

步骤1、对推力盘位移进行采样，得到推力盘位移。并对推力盘角度进行采样，得到推力盘角度。

步骤2、根据推力盘位移，计算位移偏差e(t)，进而计算位移控制电流I_c。

步骤3、根据推力盘角度，计算位移偏差θ(t)，进而计算位移控制电流I_θ。

步骤4、根据位移控制电流I_c和位移控制电流I_θ，输出轴向线圈实际电流。

在一些实施方式中，所述控制单元104，根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流，包括：

所述控制单元104，具体还被配置为给同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈，分别提供一个静态偏置电流，如静态偏置电流I₀。

所述控制单元104，具体还被配置为将每个所述轴向轴承电磁线圈处的位移参数进行加权平均后，得到所述磁悬浮轴承的转子轴向实际位置。

所述控制单元104，具体还被配置为确定所述磁悬浮轴承的转子参考位置与所述转子轴向实际位置之间的位移偏差，对所述位移偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，以根据所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，对所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行差动控制。

与相关方案中的控制相似的，轴承控制器分别给同一自由度的前后向两个线圈提供一个静态偏置电流I₀。将各位移传感器信号进行加权平均后，测得转子轴向实际位置，根据转子参考位置E_ref和实际位置的差值，通过PID算法计算出一个位移控制电流I_c，轴承控制电流采用差动控制，即如果前轴向轴承线圈电流为I₀+I_c，则后轴向轴承线圈的电流为I₀-I_c，差动控制的轴承线圈产生一个合力可将转子拉回到参考位置。

在一些实施方式中，所述控制单元104，根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流，包括：

所述控制单元104，具体还被配置为根据同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移参数，确定所述轴向推力盘的实际角度。

所述控制单元104，具体还被配置为确定所述轴向推力盘的实际角度与所述轴向推力盘的期望角度之间的角度偏差，对所述角度偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘的角度控制电流，以根据所述轴向推力盘的角度控制电流，对同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行控制。

具体地，在差动控制的轴承线圈产生一个合力可将转子拉回到参考位置的基础上，本发明的方案，提出改进的控制方法，引进了角度控制。再根据各位移传感器的位移信号计算出推力盘的实际角度，根据实际角度与期望角度0的差值，通过PID算法计算出角度控制电流I_θ，对相应的线圈电流进行微调，达到对推力盘进行角度调整的目的，以此来提高磁悬浮轴承的控制精度和可靠性。

图7为以竖直方向角度偏差为例的控制系统的结构示意图。图7中，I₀：偏置电流。Ic：位移控制电流。I_θ：角度控制电流。I_U+：U+线圈的电流。I_U-：U-线圈的电流。I_D+：D+线圈的电流。I_D-：D-线圈的电流。E_ref：推力盘轴向参考位置。0：推力盘参考角度。

如图7所示，当推力盘竖直方向存在角度偏差时，U+位移传感器测得推力盘位移SU+小于D+位移传感器所测得的推力盘位置SD+时(如图5所示)，根据两者的差值，计算出偏差角度及角度控制电流I_θ，分别对U向和D向线圈进行差动控制，即U+前轴向线圈电流I_U+＝I₀-I_c-I_θ，而I_U-＝U-后轴向线圈电流为I₀+I_c+I_θ。I_D+＝D+前轴向线圈电流为I₀-I_c+I_θ，而I_D-＝D-后轴向线圈电流为I₀+I_c-I_θ，具体控制方式如图7所示。

例如：竖直方向两个位移传感器U+和D+分别测得位移值为Su和Sd，假设两个位移传感器间距为R。则推力盘竖直方向角度θ为：

θ＝arctan{(Su-Sd)/R}。

同理，水平方向的轴向线圈也采用相同的控制方法，通过四个自由度轴承线圈共同作用，可有效修正转子轴向偏移角度，提高转子控制精度。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过多自由度的电磁线圈对轴向推力盘进行精确的角度控制，以实现辅助径向轴承修正转子的空间角度。从而，通过辅助径向轴承修正转子的空间角度，能够提高转子控制精度。

根据本发明的实施例，还提供了对应于磁悬浮轴承的控制装置的一种磁悬浮系统。该磁悬浮系统可以包括：以上所述的磁悬浮轴承的控制装置。

由于本实施例的磁悬浮系统所实现的处理及功能基本相应于前述装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，过多自由度的电磁线圈对轴向推力盘进行精确的角度控制，以实现辅助径向轴承修正转子的空间角度，提高了磁悬浮轴向轴承的控制精度和可靠性。

根据本发明的实施例，还提供了对应于磁悬浮系统的一种磁悬浮轴承的控制方法，如图8所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。所述磁悬浮轴承，包括：三对以上轴向轴承电磁线圈。三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的每个所述轴向轴承电磁线圈，能够被独立控制。

所述磁悬浮轴承的控制方法，包括：步骤S110至步骤S130。

在步骤S110处，对所述磁悬浮轴承的轴向推力盘的位移进行采样，得到所述轴向推力盘的位移参数。

在步骤S120处，根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴承推力盘的角度参数。例如：根据各位移传感器的位移信号计算出推力盘的实际角度。

在步骤S130处，根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，以通过至少一对所述轴向轴承电磁线圈对所述轴向推力盘的位移和角度进行调节，修正所述磁悬浮轴承的转子的轴向偏移角度。

由此，将轴向轴承由单个自由度的线圈组成，修改为由多个自由度的线圈组成，通过多个(3个或3个以上)独立控制的轴承线圈共同作用，可有效修正转子轴向偏移角度。这样，本发明的方案，提出了一种多自由度磁悬浮轴向轴承的控制方式，通过多自由度的电磁线圈对轴向推力盘进行精确的角度控制，辅助径向轴承修正转子的空间角度，提高了磁悬浮轴向轴承的控制精度和可靠性，提高了磁悬浮轴承的带载能力和转子控制精度。从而，解决了在磁悬浮电机带载工作过程中，因转子径向载荷的不均衡，导致转子轴心线偏离轴承轴心线，导致转子径向精度变差的问题。还解决了在转子轴心线偏离轴承轴心线的情况下，轴向轴承电磁力不均衡产生径向力矩的问题。

具体地，本发明的方案，在磁悬浮轴向轴承中，通过多个位移传感器判断轴向推力盘的空间角度，实时调节多个独立控制的轴向轴承电磁线圈的控制电流，调节推力盘的空间角度，从而辅助径向轴承修正转子的空间角度，辅助径向轴承提高对转子的控制精度。其中，各轴向线圈可独立控制。

在一些实施方式中，三对以上所述轴向轴承电磁线圈，包括：在竖直方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈。以及，在水平方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈。在每个自由度的轴向轴承电磁线圈处，设置有至少一个位移采样模块，以对所述磁悬浮轴承的轴向推力盘的位移进行采样。

图4为四自由度后轴向轴承线圈的分布结构示意图。以轴向4自由度为例，各自由度的电磁线圈均匀分布于轴向推力盘8表面，每个自由度的轴承线圈都配有相应的位移传感器9，如图4所示。其中，各自由度的电磁线圈，如后U-轴向线圈10、后D-轴向线圈11、后R-轴向线圈12、后L-轴向线圈13。

图5为磁悬浮轴承差动控制方式的结构示意图。如图5所示，在竖直方向上，推力盘前后排布U+、U-，D+、D-两个自由度四个轴承线圈。相应地，在水平方向上，推力盘前后排布R+、R-，L+、L-两个自由度四个轴承线圈。

图5中，前后轴承线圈均由四个分立线圈组成，在图4中给出分布示意。即推力盘前面有四个线圈，后面也有四个线圈，图5只示意出竖直方向的四个线圈，转子上方和转子下方的线圈是分开的。

在一些实施方式中，步骤S130中根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流的具体过程，参见以下示例性说明。

下面结合图9所示本发明的方法中控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S130中控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流的具体过程，包括：步骤S210至步骤S230。

步骤S210，根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流，如位移控制电流I_c。

步骤S220，根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流，如位移控制电流I_θ。

步骤S230，根据所述轴向推力盘的位移控制电流、以及所述轴向推力盘的角度控制电流，确定所述轴向轴承电磁线圈的工作电流。

图6为本发明的轴向轴承系统的实际控制流程示意图。如图6所示，轴向轴承系统的实际控制流程，包括：

步骤1、对推力盘位移进行采样，得到推力盘位移。并对推力盘角度进行采样，得到推力盘角度。

步骤2、根据推力盘位移，计算位移偏差e(t)，进而计算位移控制电流I_c。

步骤3、根据推力盘角度，计算位移偏差θ(t)，进而计算位移控制电流I_θ。

步骤4、根据位移控制电流I_c和位移控制电流I_θ，输出轴向线圈实际电流。

在一些实施方式中，步骤S210中根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流的具体过程，参见以下示例性说明。

下面结合图10所示本发明的方法中确定所述轴向推力盘的位移控制电流的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S210中确定所述轴向推力盘的位移控制电流的具体过程，包括：步骤S310至步骤S330。

步骤S310，给同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈，分别提供一个静态偏置电流，如静态偏置电流I₀。

步骤S320，将每个所述轴向轴承电磁线圈处的位移参数进行加权平均后，得到所述磁悬浮轴承的转子轴向实际位置。

步骤S330，确定所述磁悬浮轴承的转子参考位置与所述转子轴向实际位置之间的位移偏差，对所述位移偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，以根据所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，对所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行差动控制。

与相关方案中的控制相似的，轴承控制器分别给同一自由度的前后向两个线圈提供一个静态偏置电流I₀。将各位移传感器信号进行加权平均后，测得转子轴向实际位置，根据转子参考位置E_ref和实际位置的差值，通过PID算法计算出一个位移控制电流I_c，轴承控制电流采用差动控制，即如果前轴向轴承线圈电流为I₀+I_c，则后轴向轴承线圈的电流为I₀-I_c，差动控制的轴承线圈产生一个合力可将转子拉回到参考位置。

在一些实施方式中，步骤S220中根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流的具体过程，参见以下示例性说明。

下面结合图11所示本发明的方法中确定所述轴向推力盘的角度控制电流的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S220中确定所述轴向推力盘的角度控制电流的具体过程，包括：步骤S410至步骤S430。

步骤S410，根据同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移参数，确定所述轴向推力盘的实际角度。

步骤S420，确定所述轴向推力盘的实际角度与所述轴向推力盘的期望角度之间的角度偏差，对所述角度偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘的角度控制电流，以根据所述轴向推力盘的角度控制电流，对同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行控制。

具体地，在差动控制的轴承线圈产生一个合力可将转子拉回到参考位置的基础上，本发明的方案，提出改进的控制方法，引进了角度控制。再根据各位移传感器的位移信号计算出推力盘的实际角度，根据实际角度与期望角度0的差值，通过PID算法计算出角度控制电流I_θ，对相应的线圈电流进行微调，达到对推力盘进行角度调整的目的，以此来提高磁悬浮轴承的控制精度和可靠性。

图7为以竖直方向角度偏差为例的控制系统的结构示意图。图7中，I₀：偏置电流。Ic：位移控制电流。I_θ：角度控制电流。I_U+：U+线圈的电流。I_U-：U-线圈的电流。I_D+：D+线圈的电流。I_D-：D-线圈的电流。E_ref：推力盘轴向参考位置。0：推力盘参考角度。

如图7所示，当推力盘竖直方向存在角度偏差时，U+位移传感器测得推力盘位移SU+小于D+位移传感器所测得的推力盘位置SD+时(如图5所示)，根据两者的差值，计算出偏差角度及角度控制电流I_θ，分别对U向和D向线圈进行差动控制，即U+前轴向线圈电流I_U+＝I₀-I_c-I_θ，而I_U-＝U-后轴向线圈电流为I₀+I_c+I_θ。I_D+＝D+前轴向线圈电流为I₀-I_c+I_θ，而I_D-＝D-后轴向线圈电流为I₀+I_c-I_θ，具体控制方式如图7所示。

同理，水平方向的轴向线圈也采用相同的控制方法，通过四个自由度轴承线圈共同作用，可有效修正转子轴向偏移角度，提高转子控制精度。

由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述磁悬浮系统的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过多自由度的电磁线圈对轴向推力盘进行精确的角度控制，以实现辅助径向轴承修正转子的空间角度，辅助径向轴承提高对转子的控制精度。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种磁悬浮轴承的控制装置，其特征在于，所述磁悬浮轴承，包括：三对以上轴向轴承电磁线圈；三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的每个所述轴向轴承电磁线圈，能够被独立控制；所述磁悬浮轴承的控制装置，包括：采样单元和控制单元；其中，

所述采样单元，被配置为对所述磁悬浮轴承的轴向推力盘的位移进行采样，得到所述轴向推力盘的位移参数；所述采样单元，包括：位移采集模块；三对以上所述轴向轴承电磁线圈，包括：在竖直方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈；以及，在水平方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈；在每个自由度的轴向轴承电磁线圈处，设置有至少一个所述位移采集 模块；

所述控制单元，被配置为根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向 推力盘的角度参数；

所述控制单元，还被配置为根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，以通过至少一对所述轴向轴承电磁线圈对所述轴向推力盘的位移和角度进行调节。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承的控制装置，其特征在于，所述控制单元，根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，包括：

根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流；

根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流；

根据所述轴向推力盘的位移控制电流、以及所述轴向推力盘的角度控制电流，确定所述轴向轴承电磁线圈的工作电流。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承的控制装置，其特征在于，所述控制单元，根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流，包括：

给同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈，分别提供一个静态偏置电流；

将每个所述轴向轴承电磁线圈处的位移参数进行加权平均后，得到所述磁悬浮轴承的转子轴向实际位置；

确定所述磁悬浮轴承的转子参考位置与所述转子轴向实际位置之间的位移偏差，对所述位移偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，以根据所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，对所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行差动控制。

4.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承的控制装置，其特征在于，所述控制单元，根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流，包括：

根据同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移参数，确定所述轴向推力盘的实际角度；

确定所述轴向推力盘的实际角度与所述轴向推力盘的期望角度之间的角度偏差，对所述角度偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘的角度控制电流，以根据所述轴向推力盘的角度控制电流，对同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行控制。

5.一种磁悬浮系统，其特征在于，包括：如权利要求1至4中任一项所述的磁悬浮轴承的控制装置。

6.一种磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，所述磁悬浮轴承，包括：三对以上轴向轴承电磁线圈；三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的每个所述轴向轴承电磁线圈，能够被独立控制；所述磁悬浮轴承的控制方法，包括：

对所述磁悬浮轴承的轴向推力盘的位移进行采样，得到所述轴向推力盘的位移参数；三对以上所述轴向轴承电磁线圈，包括：在竖直方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈；以及，在水平方向上，在所述轴向推力盘的前后布置的两个自由度四个轴向轴承电磁线圈；

根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向 推力盘的角度参数；

根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，以通过至少一对所述轴向轴承电磁线圈对所述轴向推力盘的位移和角度进行调节。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，根据所述轴向推力盘的位移参数和角度参数，控制三对以上所述轴向轴承电磁线圈中的至少一对所述轴向轴承电磁线圈的工作电流，包括：

根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流；

根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流；

根据所述轴向推力盘的位移控制电流、以及所述轴向推力盘的角度控制电流，确定所述轴向轴承电磁线圈的工作电流。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，根据所述轴向推力盘的位移参数，确定所述轴向推力盘的位移控制电流，包括：

给同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈，分别提供一个静态偏置电流；

将每个所述轴向轴承电磁线圈处的位移参数进行加权平均后，得到所述磁悬浮轴承的转子轴向实际位置；

确定所述磁悬浮轴承的转子参考位置与所述转子轴向实际位置之间的位移偏差，对所述位移偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，以根据所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移控制电流，对所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行差动控制。

9.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，根据所述轴向推力盘的角度参数，确定所述轴向推力盘的角度控制电流，包括：

根据同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈的位移参数，确定所述轴向推力盘的实际角度；

确定所述轴向推力盘的实际角度与所述轴向推力盘的期望角度之间的角度偏差，对所述角度偏差进行PID计算，得到所述轴向推力盘的角度控制电流，以根据所述轴向推力盘的角度控制电流，对同一自由度的所述轴向推力盘前后向两个轴向轴承电磁线圈进行控制。

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