CN113804094B - 一种磁悬浮电机转子伸长量估算装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁悬浮电机转子伸长量估算装置及方法，其中，装置包括：第一电感式位移检测装置，用于检测轴端的轴向位移量；第二电感式位移检测装置，用于检测非轴端的轴向位移量；轴向位移产生装置，用于控制转子产生向轴端或非轴端的轴向位移；自适应滤波器，用于产生精确非轴端的实时轴向位移量和轴端的实时轴向位移量；PID调节器，用于计算得到转子位移平衡控制量；伸长量计算装置，用于在转子轴向稳定悬浮后，根据精确轴端的实时轴向位移量确定出转子当前伸长量。本发明能够提高测量的精确性。

Description

一种磁悬浮电机转子伸长量估算装置及方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种磁悬浮电机转子伸长量估算装置及方法。
背景技术
转子位置检测是磁悬浮电机转子稳定悬浮的关键，在高速运转中转子发热造成的转子形变伸长存在机械摩擦的风险，因此转子受热伸长量是磁悬浮控制系统一项重要参数。为了避免转子温度超过永磁体的最高工作温度会使永磁体发生不可逆退磁的风险以及叶轮与集流器发生机械摩擦从而损坏叶轮的风险，现有技术采用对转子受热伸长量进行测量的方式。但是现有的受热伸长量的测量方法存在准确性差的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁悬浮电机转子伸长量估算装置及方法，能够提高测量的精确性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种磁悬浮电机转子伸长量估算装置，包括：第一电感式位移检测装置，用于检测轴端的轴向位移量；第二电感式位移检测装置，用于检测非轴端的轴向位移量；轴向位移产生装置，用于控制转子产生向轴端或非轴端的轴向位移；自适应滤波器，以所述第一电感式位移检测装置和第二电感式位移检测装置检测到的实时输出作为输入，产生精确非轴端的实时轴向位移量和轴端的实时轴向位移量；PID调节器，以所述第一电感式位移检测装置和第二电感式位移检测装置的检测到的极限值作为参考量，以所述自适应滤波器的非轴端的实时轴向位移量作为转子悬浮PID控制的反馈量，计算得到转子位移平衡控制量；伸长量计算装置，用于在转子轴向稳定悬浮后，根据所述精确轴端的实时轴向位移量确定出转子当前伸长量。
所述的磁悬浮电机转子伸长量估算装置还包括温度计算装置，用于根据所述转子当前伸长量和转子材料温度系数计算转子的温度。
所述第一电感式位移检测装置包括第一电感式感应线圈和轴端位移检测磁材料；所述第一电感式感应线圈安装在所述转子的轴端；所述轴端位移检测磁材料位于所述第一电感式感应线圈正下方的转子外表面。
所述第二电感式位移检测装置包括第二电感式感应线圈和非轴端位移检测磁材料；所述第二电感式感应线圈安装在所述转子的非轴端；所述非轴端位移检测磁材料位于所述第二电感式感应线圈正下方的转子外表面。
所述轴向位移产生装置包括推力盘和推力盘激励线圈，所述推力盘安装在所述转子的非轴端，所述推力盘激励线圈安装在所述推力盘的两侧。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种磁悬浮电机转子伸长量估算方法，包括以下步骤：
(1)在转子冷态情况下，使得转子分别吸引至轴端极限位置和非轴端极限位置，并检测得到轴端的轴向极限位移量
Figure BDA0003271999500000021
和非轴端的轴向极限位移量
Figure BDA0003271999500000022
(2)根据所述轴端的轴向极限位移量
Figure BDA0003271999500000023
和非轴端的轴向极限位移量
Figure BDA0003271999500000024
计算轴向位移控制参考量
Figure BDA0003271999500000025
(3)转子进入正常工作状态，测得轴端的实时轴向位移量dzL和非轴端的实时轴向位移量dzR；
(4)将所述轴端的实时轴向位移量dzL和非轴端的实时轴向位移量dzR通过进行数字信号处理得到精确非轴端的实时轴向位移量dzRp和精确轴端的实时轴向位移量dzLp；
(5)将所述轴向位移控制参考量
Figure BDA0003271999500000026
作为PID控制的参考量，将精确非轴端的实时轴向位移量dzRp作为转子悬浮PID控制的反馈量，得到转子位移平衡控制量，根据所述转子位移平衡控制量对转子进行控制，使得转子控制在非轴端轴向位移控制量的位置，实现轴向稳定悬浮；
(6)根据此时的精确轴端的实时轴向位移量dzLp确定出转子当前伸长量dE。
所述磁悬浮电机转子伸长量估算方法还包括步骤(7)：根据所述转子当前伸长量dE和转子材料温度系数Krt计算转子的温度Tr。
所述步骤(2)中通过
Figure BDA0003271999500000027
计算轴向位移控制参考量
Figure BDA0003271999500000028
所述步骤(7)中通过Tr＝Krt*(dE-dE0)+T0计算转子的温度Tr，其中，T0为转子悬浮前初态温度，dE0为转子悬浮前初态温度下膨胀量。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用轴端和非轴端所配备的电感式位移检测装置分别测量以轴端和非轴端为基准的轴向位移量，并根据磁悬浮电机冷态下所检测得到的轴端和非轴端最大轴向行程位移量确定转子稳定悬浮时轴向位置控制参考量，并基于此参考量在稳定悬浮过程中实时估算轴端转子受热后的伸长量。本发明通过自适应陷波处理提高转子位移检测以及转子伸长量估算的准确性，有益提高控制系统的稳定性和测量的精确性。
附图说明
图1是采用本发明实施方式的转子结构示意图；
图2是本发明实施方式的转子伸长量估算原理图；
图3是本发明实施方式的原理方框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种磁悬浮电机转子伸长量估算装置，包括：第一电感式位移检测装置，用于检测轴端的轴向位移量；第二电感式位移检测装置，用于检测非轴端的轴向位移量；轴向位移产生装置，用于控制转子产生向轴端或非轴端的轴向位移；自适应滤波器，以所述第一电感式位移检测装置和第二电感式位移检测装置检测到的实时输出作为输入，产生精确非轴端的实时轴向位移量和轴端的实时轴向位移量；PID调节器，以所述第一电感式位移检测装置和第二电感式位移检测装置的检测到的极限值作为参考量，以所述自适应滤波器的非轴端的实时轴向位移量作为转子悬浮PID控制的反馈量，计算得到转子位移平衡控制量，计算得到转子位移平衡控制量；伸长量计算装置，用于在转子轴向稳定悬浮后，根据转子位移平衡控制量计算出转子当前伸长量。
如图1所示，转子支撑本体1与永磁电机永磁体2相结合位于整个转子中间位置。转子左端为轴端用于连接涡轮等负载作用端，转子右端为非轴端用于连接转子冷却叶轮。
轴向位移产生装置包括推力盘3和推力盘激励线圈4，推力盘3安装于转子非轴端，所述推力盘3两侧安装推力盘激励线圈4。通过向所述推力盘3两侧安装的推力盘激励线圈4分别通入电流，可控制转子产生向轴端或非轴端的轴向位移。
轴端径向轴向电感式感应线圈5和轴端激励线圈6安装于所述转子轴端，轴端位移检测磁材料9和轴端激励磁材料10分别位于所述轴端径向轴向电感式感应线圈5和轴端激励线圈6正下方转子的外表面。其中，轴端径向轴向电感式感应线圈5和轴端位移检测磁材料9构成了第一电感式位移检测装置，在轴端径向轴向电感式感应线圈5和轴端位移检测磁材料9相互作用下可以检测出转子轴端轴向位移量。通过向所述轴端激励线圈6通入电流可控制转子产生轴端径向位移。
非轴端径向轴向电感式感应线圈8和非轴端激励线圈7安装于所述转子非轴端，非轴端位移检测磁材料12和非轴端激励磁材料11分别位于所述非轴端径向轴向电感式感应线圈8和非轴端激励线圈7正下方转子的外表面。其中，非轴端径向轴向电感式感应线圈8和非轴端位移检测磁材料12构成了第二电感式位移检测装置，在非轴端径向轴向电感式感应线圈8和非轴端位移检测磁材料12相互作用下可以检测出转子非轴端轴向位移量。通过向所述非轴端激励线圈7通入电流可控制转子产生非轴端的径向位移。
所述同步电机转子永磁体2与外部定子结构相配合，可控制电机转子产生高速旋转。所述转子在高速运转中会产生风摩损耗和涡流损耗，这些损耗会使得转子发热产生形变，导致转子伸长，转子的伸长量与温度和转子材料会呈现一定数值关系dE＝f1(Tr,Krt)，其中dE为转子受热伸长量，Tr为转子温度，Krt转子材料温度系数。本实施方式的磁悬浮电机转子伸长量估算装置还包括温度计算装置，该温度计算装置可以通过上述关系计算转子的温度。
本实施方式的转子伸长量估算原理如图2所示，其实现过程如下：
步骤1为转子冷态静止初始状态；
步骤2为向转子施加80％额定的轴端轴向力时，转子被吸引到轴端极限位置，此时利用电感式位移测量原理分别得到轴端轴向位移量
Figure BDA0003271999500000041
和非轴端轴向位移量
Figure BDA0003271999500000042
步骤3为向转子施加80％额定的非轴端轴向力时，转子被吸引到非轴端极限位置，此时利用电感式位移测量原理分别得到轴端轴向位移量
Figure BDA0003271999500000043
和非轴端轴向位移量
Figure BDA0003271999500000044
步骤4为转子在非轴端轴向位移PID控制下处于稳定悬浮时，转子受热伸长量dE可由当前轴端位移量dzL来进行表征。
图3所示的基于电感式位移检测的转子悬浮控制及伸长量估算原理框图，其包括以下步骤：
步骤a：在转子冷态Tr0下，分别向所述推力盘3两侧安装的推力盘激励线圈4分别通入80％线圈额定电流，使得转子分别吸引至轴端极限位置和非轴端极限位置，并通过电感式位移测量原理测得此时轴端轴向极限位移量
Figure BDA0003271999500000051
和非轴端极限位移量
Figure BDA0003271999500000052
步骤b：根据所述轴端的轴向极限位移量
Figure BDA0003271999500000053
和非轴端的轴向极限位移量
Figure BDA0003271999500000054
计算轴向位移控制参考量
Figure BDA0003271999500000055
计算公式为：
Figure BDA0003271999500000056
步骤c：转子进入正常工作状态，通过电感式位移测量原理实时测得实时轴向位移量dzL和非轴端的实时轴向位移量dzR；
步骤d：将实时轴向位移量dzL和非轴端的实时轴向位移量dzR通过轴向位移自适应滤波器进行数字信号处理得到精确非轴端的实时轴向位移量dzRp和精确轴端的实时轴向位移量dzLp。考虑到磁悬浮转子在高速运转稳定悬浮过程中，由于轴端安装涡轮反向风压产生喘振以及拍振和转子不平衡等因素影响，所得的非轴端和轴端轴向位移量(dzR,dzL)会叠加跟随转速频率变化的交流脉动量。通过自适应滤波器将所测得带有与转速同频交流脉动的非轴端和轴端轴向位移量(dzR,dzL)作为输入信号，通过参数可调数字滤波器后产生输出信号，将其与期望轴向位移信号进行比较，形成误差信号，通过自适应算法对滤波器参数进行调整，最终使误差的均方值最小。该方式无需待提取轴向位移的先验统计知识，直接利用观测数据依据某种判据在观测过程中不断递归更新，算法简单复杂度低，易于实现。
步骤e：将计算得到的轴向位移控制量
Figure BDA0003271999500000057
作为PID调节器的参考量，将经过数字滤波后得到精确的非轴端和轴端轴向位移量(dzRp,dzLp)分别作为PID控制器的反馈量和转子伸长量计算的反馈量，运算得到后端执行器所需的控制量，通过执行器控制通入所述推力盘激励线圈4的两组电流大小，吸引转子轴向位移平衡控制，使得转子准确控制在非轴端轴向位移控制量位置，实现轴向稳定悬浮。其中，执行器具体可为数字功率放大装置，可实时调节输出电流方向和大小。
步骤f：在步骤e下实现转子轴向稳定悬浮后，即可通过此时的精确轴端的实时轴向位移量dzLp确定出转子当前伸长量dE，亦可通过转子当前伸长量dE，由转子温度与转子伸长量之间的数值关系表达式Tr＝Krt*(dE-dE0)+Tr0估算出当前转子温度Tr，其中，T0为转子悬浮前初态温度，dE0为转子悬浮前初态温度下膨胀量。
不难发现，本发明利用轴端和非轴端所配备的电感式位移检测装置分别测量以轴端和非轴端为基准的轴向位移量，并根据磁悬浮电机冷态下所检测得到的轴端和非轴端最大轴向行程位移量确定转子稳定悬浮时轴向位置控制参考量，并基于此参考量在稳定悬浮过程中实时估算轴端转子受热后的伸长量。本发明通过自适应陷波处理提高转子位移检测以及转子伸长量估算的准确性，有益提高控制系统的稳定性和测量的精确性。

Claims (9)

1.一种磁悬浮电机转子伸长量估算装置，其特征在于，包括：第一电感式位移检测装置，用于检测轴端的轴向位移量；第二电感式位移检测装置，用于检测非轴端的轴向位移量；轴向位移产生装置，用于控制转子产生向轴端或非轴端的轴向位移；自适应滤波器，以所述第一电感式位移检测装置和第二电感式位移检测装置检测到的实时输出作为输入，产生精确非轴端的实时轴向位移量和轴端的实时轴向位移量；PID调节器，以所述第一电感式位移检测装置和第二电感式位移检测装置的检测到的极限值作为参考量，以所述自适应滤波器的非轴端的实时轴向位移量作为转子悬浮PID控制的反馈量，计算得到转子位移平衡控制量，其中，所述极限值是指在所述转子冷态情况下，所述转子吸引至轴端极限位置和吸引至非轴端极限位置时，所述第一电感式位移检测装置和第二电感式位移检测装置检测到的值；伸长量计算装置，用于在转子轴向稳定悬浮后，根据所述精确轴端的实时轴向位移量确定出转子当前伸长量。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮电机转子伸长量估算装置，其特征在于，还包括温度计算装置，用于根据所述转子当前伸长量和转子材料温度系数计算转子的温度。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮电机转子伸长量估算装置，其特征在于，所述第一电感式位移检测装置包括第一电感式感应线圈和轴端位移检测磁材料；所述第一电感式感应线圈安装在所述转子的轴端；所述轴端位移检测磁材料位于所述第一电感式感应线圈正下方的转子外表面。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮电机转子伸长量估算装置，其特征在于，所述第二电感式位移检测装置包括第二电感式感应线圈和非轴端位移检测磁材料；所述第二电感式感应线圈安装在所述转子的非轴端；所述非轴端位移检测磁材料位于所述第二电感式感应线圈正下方的转子外表面。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮电机转子伸长量估算装置，其特征在于，所述轴向位移产生装置包括推力盘和推力盘激励线圈，所述推力盘安装在所述转子的非轴端，所述推力盘激励线圈安装在所述推力盘的两侧。
6.一种磁悬浮电机转子伸长量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在转子冷态情况下，使得转子分别吸引至轴端极限位置和非轴端极限位置，并检测得到轴端的轴向极限位移量
Figure FDA0003627604410000011
和非轴端的轴向极限位移量
Figure FDA0003627604410000012
(2)根据所述轴端的轴向极限位移量
Figure FDA0003627604410000013
和非轴端的轴向极限位移量
Figure FDA0003627604410000014
计算轴向位移控制参考量
Figure FDA0003627604410000021
(3)转子进入正常工作状态，测得轴端的实时轴向位移量dzL和非轴端的实时轴向位移量dzR；
(4)将所述轴端的实时轴向位移量dzL和非轴端的实时轴向位移量dzR通过进行数字信号处理得到精确非轴端的实时轴向位移量dzRp和精确轴端的实时轴向位移量dzLp；
(5)将所述轴向位移控制参考量
Figure FDA0003627604410000022
作为PID控制的参考量，将精确非轴端的实时轴向位移量dzRp作为转子悬浮PID控制的反馈量，得到转子位移平衡控制量，根据所述转子位移平衡控制量对转子进行控制，使得转子控制在非轴端轴向位移控制量的位置，实现轴向稳定悬浮；
(6)根据此时的精确轴端的实时轴向位移量dzLp确定出转子当前伸长量dE。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮电机转子伸长量估算方法，其特征在于，还包括步骤(7)：根据所述转子当前伸长量dE和转子材料温度系数Krt计算转子的温度Tr。
8.根据权利要求6所述的磁悬浮电机转子伸长量估算方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过
Figure FDA0003627604410000023
计算轴向位移控制参考量
Figure FDA0003627604410000024
9.根据权利要求7所述的磁悬浮电机转子伸长量估算方法，其特征在于，所述步骤(7)中通过Tr＝Krt*(dE-dE0)+T0计算转子的温度Tr，其中，T0为转子悬浮前初态温度，dE0为转子悬浮前初态温度下膨胀量。
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