CN116018466A - 用于控制磁悬浮系统的控制系统 - Google Patents

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Abstract

用于控制磁悬浮系统的控制系统包括：传感器(101)，该传感器被配置成产生指示待磁悬浮的物体(102)的位置的位置信号；以及控制器(103)，该控制器被配置成根据位置信号来控制供应到磁悬浮系统的磁致动器的电流，以使物体磁悬浮。控制系统包括计算系统(104)，该计算系统被配置成基于识别运行来维护和更新磁悬浮系统的计算模型，在识别运行中，识别运行信号被供应到磁悬浮系统的磁致动器，并且从传感器和/或磁致动器检测对识别运行信号的响应。计算系统被配置成将与计算模型相关的量和与磁悬浮系统相关的量进行比较，以揭示与磁悬浮系统的预期操作条件的偏差。

Description

用于控制磁悬浮系统的控制系统
技术领域
本公开涉及一种用于控制磁悬浮系统的控制系统，例如但不是必须地，该磁悬浮系统可以是主动磁轴承“AMB”系统。此外，本公开涉及一种磁悬浮系统。
背景技术
磁悬浮系统(例如，主动磁轴承“AMB”系统)通常用于使物体悬浮(例如，旋转或振荡)。典型应用是电机(例如，高速电机)的转子的悬浮。在许多情况下，悬浮通过平衡相反作用的磁体的吸引力和作用在待悬浮物体上的其它力来完成，其中磁体中的至少一个磁体是可控的电磁体。原则上，也能够平衡一个可控电磁体的吸引力与抵抗电磁体的吸引力起作用的其它力(例如，重力)。存在若干种不同类型的磁悬浮系统。一些系统使用永磁体材料来生成偏置磁通量，而另一些系统使用直接偏置电流来生成偏置磁通量。偏置用于使系统的操作线性化，并改善系统的控制动态。
由于磁悬浮固有的不稳定性，所以需要主动控制作用于悬浮物体(例如，电机的转子)的自由度的磁力。这种不稳定性是由当磁体与物体之间的气隙变小时在磁体与由例如铁磁材料制成的物体之间作用的磁吸引力增加的事实而导致的。控制系统通过提供适当的控制算法来确保磁悬浮系统(例如，主动磁轴承“AMB”系统)的稳定性。与AMB系统相结合，控制系统通过转子的每一端处的一组传感器捕捉转子在三维中的位置。利用此信息，控制系统通过向AMB系统的线圈供应适当的电流来估算施加在转子上的必要力。此外，角度传感器可以用于估算转子角和/或围绕几何旋转轴线的转速。
旋转机械存在一些挑战，例如，不平衡、转子动力学的变化以及由于加热和旋转膨胀引起的气隙值的变化。此外，可能需要监测系统完整性和健康状况。一个直截了当的方法是制造商选择某些参数进行监测，这些参数通常由振动水平、最大电流水平和/或最大不平衡来限定。如果磁悬浮系统超出一个或多个许用边界，则发出故障警报或警告。然而，此信息是非常有限的，且仅当磁悬浮系统已经超出所述一个或多个许用边界时才能提供通知。
发明内容
为了提供对各种发明实施例的一些方面的基本理解，下面给出了简化的发明内容。发明内容不是本发明的广泛概述。它既不旨在识别本发明的关键或至关重要的元件，也不旨在描绘本发明的范围。下面的发明内容仅以简化的形式提出本发明的一些理念，作为本发明的示例性实施例的更详细描述的前序。
在本文件中，词语“几何”当被用作前缀时是指不一定是任何物理对象的一部分的几何概念。例如，几何概念可以例如是几何点、几何直线或几何曲线、几何平面、非平面几何表面、几何空间或者零维、一维、二维或三维的任何其它几何实体。
根据本发明，提供了一种新的用于控制磁悬浮系统的控制系统，例如但不是必须地，该磁悬浮系统可以是用于使旋转元件(例如，电机的转子)悬浮的主动磁轴承“AMB”系统。
根据本发明的控制系统包括：
-传感器，该传感器被配置成产生指示待磁悬浮的物体的位置的位置信号，
-控制器，该控制器被配置成根据位置信号向磁悬浮系统的磁致动器的线圈供应电流，以使物体磁悬浮，以及
-计算系统，该计算系统被配置成基于识别运行来维护和更新磁悬浮系统的计算模型，在识别运行中，识别运行信号被供应到磁悬浮系统的线圈，并且从传感器和线圈中的至少一个检测对识别运行信号的响应，其中，计算系统被配置成将与计算模型相关的量和与磁悬浮系统相关的量进行比较，以揭示磁悬浮系统相对于计算模型的差异。
在许多情况下，上文描述的控制系统可以在异常尚未发展到对磁悬浮系统的操作产生重大影响时已经产生关于磁悬浮系统中的异常的指示，因为即使异常尚未对操作产生影响，通常也可以辨识出磁悬浮系统相对于计算模型的差异。因此，早期警告是可用的。
此外，在上文描述的控制系统中使用的算法可以进一步开发以产生平衡数据，以用于例如主动磁轴承“AMB”系统的转子的自动或半自动平衡。该算法可以被配置成例如提出在转子中的配重与孔(这些配重应当放置到这些孔中)的最佳组合，以在平衡过程中进行接下来的前进。
根据本发明，还提供了一种新的磁悬浮系统，其包括：
-待磁悬浮的物体，
-磁致动器，该磁致动器被配置成使物体磁悬浮，以及
-根据本发明的控制系统，用于控制被供应到磁致动器的线圈的电流。
在所附从属权利要求中描述了示例性和非限制性实施例。
当结合所附附图阅读时，将从以下具体示例性和非限制性实施例的描述中最佳地理解关于结构和操作方法的各种示例性和非限制性实施例以及其附加目标和优点。
动词“包括”和“包含”在本文件中用作开放限制，其既不排除也不要求未列举特征的存在。除非另有明确说明，否则从属权利要求中引用的特征是可相互自由组合的。此外，应当理解，在本文件中的“一”或“一个”(即，单数形式)的使用并不排除复数形式。
附图说明
将在下面从示例的意义上并参考所附附图更详细地解释示例性和非限制性实施例及其优点，在附图中：
图1a、图1b和图1c示出了根据一个示例性和非限制性实施例的包括控制系统的磁悬浮系统，并且
图2示出了根据一个示例性和非限制性实施例的磁悬浮系统的一部分的等效电路。
具体实施方式
以下描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求书的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则描述中提供的示例的列表和组并不是详尽的。
图1a示出了根据一个示例性和非限制性实施例的包括控制系统的磁悬浮系统。磁悬浮系统包括磁致动器105和106，这些磁致动器被配置成使物体102磁悬浮。在该示例性情况下，磁悬浮系统是主动磁轴承“AMB”系统，并且物体102是旋转元件，例如，该旋转元件可以是电机的转子。磁致动器105是径向磁轴承，且磁致动器106是轴向磁轴承。
控制系统包括传感器101，该传感器101用于产生位置信号，该位置信号指示物体102相对于物体102的基准位置的位置。图1b示出了围绕物体102的示例性传感器布置。例如，传感器101可以包括感应传感器，其中每个感应传感器的电感取决于从所考虑的感应传感器到物体102的表面的距离。也能够存在用于基于磁致动器105和/或106的线圈的电感之间的差异来形成位置信号的手段。可以例如基于当指向所考虑的线圈的电压逐步改变时电流的变化率di/dt来估算每个线圈的电感。在该示例性情况下，不需要单独的传感器，但传感器借助于磁致动器105和/或106来实现。
控制系统包括控制器103，该控制器被配置成根据位置信号向磁致动器105和106的线圈供应电流，以使物体102磁悬浮。控制系统包括计算系统104，该计算系统被配置成基于识别运行来维护和更新磁悬浮系统的计算模型，在识别运行中识别运行信号被供应到磁悬浮系统的线圈，并且从传感器和/或磁致动器的线圈检测对识别运行信号的响应。计算系统104被配置成将磁悬浮系统的实时输出与计算模型的预期输出进行比较以评估偏差。以这种方式，获取信息，该信息可以深入了解可能出现问题的根本原因。在许多情况下，计算系统104可以在异常尚未发展成对操作产生重大影响时已经产生关于磁悬浮系统中的异常的指示，因为即使异常尚未对操作产生影响，通常也可以辨识出磁悬浮系统相对于计算模型的差异。因此，早期警告是可用的。
为了使得上文提及的计算模型保持更新，计算系统104通过经由磁致动器105和106激励磁悬浮系统并经由传感器101收集输出信息来应用识别算法。计算系统104经由磁致动器的线圈收集输出信息也是可能的。激励通过若干种预定义模式并针对操作点和条件的数量而有利地发生。将计算模型在相应条件下的模型参数与各种所获取的数据进行拟合，以使计算模型与磁悬浮系统保持同步。用于参数拟合的识别运行可能例如在初始调试期间发生，然后在使用寿命期间周期性地发生，或者在指定事件发生并触发识别运行时发生。用于参数拟合的识别运行可以由一组事件触发，或者在操作参数(例如，磁悬浮系统的电流)超出指定范围时触发。
有利地，除了上文描述的用于生成关于可能异常的早期警告的任务之外，上文提及的计算模型还可以用于若干个其它目的。例如，下面讨论了高速平衡程序。图1a中所示的物体102具有若干个平衡平面，这些平衡平面垂直于坐标系199的z轴并通过向专门准备的孔107插入附加配重来提供平衡。角度位置传感器有利地与孔107的周向间距同步，并且计算系统104内的平衡算法可以被配置成估算平衡程序中的下一个平衡步骤。可以用包含平衡平面位置的计算模型基于不平衡矢量、先前的平衡状态和物体102的角度位置来估算下一个平衡步骤。该算法提出了配重与孔(这些配重应当被放置到这些孔中)的最佳组合，以在平衡过程中进行接下来的前进。以这种方式，可以以自动化的方式执行平衡，其中减少了人员的参与，从而消除了人为错误的风险。计算模型可以被布置成保持所存储的平衡步骤，使得如果出于某种原因在一段时间之后需要重新平衡，重新平衡不仅可以通过添加配重来完成，还可以通过移除较早添加的配重来完成。
根据示例性和非限制性实施例的控制系统包括用于径向测量和轴向测量两者的差动传感器布置。差动传感器布置提供了估算因转速和/或温度变化而引起的物体102的膨胀和收缩的可能性。来自磁悬浮系统内的温度传感器的信息为计算模型提供输入，以评估物体102以及磁致动器105和106的温度。因此，在该示例性情况下，可以在控制算法中考虑来自两个源(旋转和温度变化)的膨胀/收缩的效果。随着物体102的长度和直径的变化，磁气隙的有效长度也相应地变化，从而影响力增益系数。因此，还分别对反馈律的增益进行了有利地调整，以保持磁悬浮系统的稳健性和稳定性。图1b示出了物体102在径向方向上的膨胀和收缩，半径在坐标系199的x方向上的变化用△x表示。图1c示出了物体102在轴向方向上的膨胀和收缩，轴向长度的变化用△z表示。
在根据示例性和非限制性实施例的控制系统中，计算系统104被配置成基于计算模型和从磁悬浮系统测量的数据来估算作用在磁悬浮物体102上的力。计算系统104可以被配置成辨识所估算的力的一种或多种预定行为模式，并取决于所估算的力的所辨识的行为模式来预测维护需求。基于计算模型和所测量的数据，可以估算作用在物体102上的力以及其频率和大小。此信息可以用来评估磁悬浮系统的健康状态及其所涉及的过程的健康状态。给定的力模式可以表征例如叶轮的机械磨损和/或过程中的污染的存在。控制算法可以被配置成区分预定义行为，并基于计算模型来预测维护需求及其时间表。
在根据示例性和非限制性实施例的控制系统中，磁悬浮系统的计算模型包括第一模型参数，该第一模型参数取决于位置信号对线圈的电感进行建模。在根据示例性和非限制性实施例的控制系统中，磁悬浮系统的计算模型包括第二模型参数，该第二模型参数对线圈的电阻进行建模。在根据示例性和非限制性实施例的控制系统中，磁悬浮系统的计算模型包括第三模型参数，该第三模型参数对磁悬浮系统的铁磁部分中的涡流和迟滞损耗进行建模。
图2示出了根据示例性和非限制性实施例的磁悬浮系统的一部分的等效电路。电路210对磁致动器的一部分进行建模，并且电路220对图1a至图1c所示的物体102的一部分进行建模。互感M(δ)取决于磁致动器的该部分与物体102的该部分之间的气隙δ。L1是磁致动器的相应线圈的电感，且L2对物体102中感应的电流生成磁通量的能力进行建模。电阻Rs描述了磁致动器的相应线圈的电阻，电阻Rm1描述了磁致动器的铁磁部分中的涡流和迟滞损耗，且电阻Rm2描述了物体102中的涡流和迟滞损耗。横穿气隙的磁通量链可以被估算为ψM＝M(δ)(I1-I2)，且作用在磁致动器的该部分与物体102的该部分之间的磁力与ψM 2成正比。如果物体102由理想的无损材料制成，则Rm2是无穷大的，且ψM＝M(δ)I1。
例如，图1a所示的控制器103可以包括：晶体管，例如绝缘栅双极晶体管“IGBT”或金属氧化物半导体场效应晶体管“MOSFET”，该晶体管被配置成构成例如全H桥或半H桥；以及驱动器电路，其用于驱动晶体管。此外，控制器103可以包括模拟和/或数字电路，该模拟和/或数字电路被配置成构成调节器，以用于基于位置信号来控制驱动器电路。图1a所示的计算系统104可以包括一个或多个处理器电路，这些处理器电路中的每一个可以是设置有适当软件的可编程处理器电路(例如可编程数字信号处理器“DSP”或可编程微控制器单元“MCU”)、专用硬件处理器(例如专用集成电路“ASIC”)或可配置硬件处理器(例如现场可编程门阵列“FPGA”)。此外，计算系统104可以包括一个或多个存储器装置，例如，随机访问存储器“RAM”装置。
上文给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求书的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则上文给出的描述中提供的示例的列表和组并不是穷尽性的。

Claims (10)

1.一种用于控制磁悬浮系统的控制系统，所述控制系统包括：
-传感器(101)，所述传感器被配置成产生位置信号，所述位置信号指示待磁悬浮的物体的位置，以及
-控制器(103)，所述控制器被配置成根据所述位置信号向所述磁悬浮系统的磁致动器(105，106)的线圈供应电流，以使所述物体磁悬浮，
其特征在于，所述控制系统包括计算系统(104)，所述计算系统被配置成基于识别运行来维护和更新所述磁悬浮系统的计算模型，在所述识别运行中，识别运行信号被供应到所述磁悬浮系统的线圈，并且从所述传感器和所述线圈中的至少一个来检测对所述识别运行信号的响应，其中，所述计算系统被配置成将与所述计算模型相关的量和与所述磁悬浮系统相关的量进行比较，以揭示所述磁悬浮系统相对于所述计算模型的差异。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述计算系统(104)被配置成周期性地更新所述计算模型。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述计算系统(104)被配置成响应于在所述磁悬浮系统的操作中的预定事件或基于在所述磁悬浮系统上测量到的参数来更新所述计算模型。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的控制系统，其中，所述磁悬浮系统的所述计算模型包括第一模型参数，所述第一模型参数取决于所述位置信号对所述线圈的电感(L1，L2，M)进行建模。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其中，所述磁悬浮系统的所述计算模型包括第二模型参数，所述第二模型参数对所述线圈的电阻(Rs)进行建模。
6.根据权利要求4或5所述的控制系统，其中，所述磁悬浮系统的所述计算模型包括第三模型参数(Rm1，Rm2)，所述第三模型参数对所述磁悬浮系统的铁磁部分中的涡流和迟滞损耗进行建模。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的控制系统，所述计算系统被配置成基于所述计算模型和从所述磁悬浮系统测量到的数据来估算作用在磁悬浮物体上的力，所述计算系统被配置成辨识所估算出的力的一种或多种预定行为模式，并且所述计算系统被配置成取决于所估算出的力的所辨识出的行为模式来预测维护的需求。
8.一种磁悬浮系统，包括：
-待磁悬浮的物体(102)，
-磁致动器(105，106)，所述磁致动器被配置成使所述物体磁悬浮，以及
-控制系统(101，103，104)，所述控制系统用于控制被供应到所述磁致动器的线圈的电流，
其特征在于，所述控制系统是根据权利要求1至7中的任一项所述的控制系统。
9.根据权利要求8所述的磁悬浮系统，其中，所述磁致动器(105)包括径向磁轴承。
10.根据权利要求8或9所述的磁悬浮系统，其中，所述磁致动器(106)包括轴向磁轴承。
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