CN116221276B - 一种磁悬浮电机专用控制系统及控制方法 - Google Patents

一种磁悬浮电机专用控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁悬浮电机专用控制系统及控制方法，该控制系统包括悬浮轴承控制模块，被配置为根据转子的位移来调节磁悬浮轴承中线圈的电流信号；信号处理单元，被配置为根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子的转动而变化的曲线，从而确定转子的转速和位置；变频驱动控制模块，被配置为根据得到转子的转速和位置调整电机的输入电压和电流；电源模块，被配置为磁悬浮轴承和电机供电。本申请提供的磁悬浮电机专用控制系统及控制方法为变频驱动控制模块实时提供转子准确的转速和位置信息，取代了变频器矢量控制的无速度传感器算法环节，实现了电机更加精确的转速控制和稳定的高性能驱动。

Description

一种磁悬浮电机专用控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮电机专用控制系统及控制方法，属于磁悬浮电机控制领域。
背景技术
随着磁悬浮轴承技术的发展，磁悬浮电机以其无摩擦、噪音小、转速高、能效高等优点逐渐占据传统电机市场。磁悬浮电机的相关控制主要包括高性能变频器单元和磁悬浮轴承控制器单元。如图1所示，目前磁悬浮电机常用的高性能变频器和磁悬浮轴承控制器采用独立单元设计方式，相互之间没有关联。
高性能变频器的控制策略主要有以下三种，即变压变频控制、直接转矩控制和矢量控制。其中，矢量控制因具有良好的转矩响应和精确的转速控制，成为高性能变频器的主要研究方向。要达到高性能的矢量控制，转速的闭环反馈是必不可少的，传统的电机转速测量装置多采用测速发电机和光电数字编码器等，其带来的缺陷有：系统成本大大地增加；存在安装的同心问题；使电机轴向上体积增大，增加了电机结构的复杂程度，降低了系统的机械鲁棒性；在高温高湿的恶劣环境下无法正常工作。因此，无速度传感器控制成为了高性能变频器的重点研究方向。然而，无速度传感器需要足够准确的电机参数来参与控制器中磁链和转速的计算，但是，随着温度、频率、磁路饱和、杂散损耗等运行条件的变化，电机参数在实际运行中并不是恒定不变的。这导致无速度传感器算法计算得到的转速和转子位置不够精确，无法实现更稳定的高性能控制。变频器无传感器矢量控制系统框图如图3所示。
磁悬浮轴承控制器主要包括供电电路部分和控制电路部分，供电电路部分包括AC/DC变换器（交流-直流变换器）和DC/DC变换器（直流-直流变换器），为了保证高速旋转的磁悬浮电机在市电掉电的情况下能够正常悬浮，通常需要给磁悬浮轴承控制器的供电电源提供UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）备用电源，这不仅增加了系统的成本，也增加了系统的复杂度和隐藏故障点。控制电路部分包括位移传感器、控制器和功率放大器，其中需要采集的信号有转子位移信号和磁悬浮轴承中线圈的电流信号。
此外，高性能变频器和磁悬浮轴承控制器需要两套散热系统，也会增加了系统的成本和体积。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种磁悬浮电机专用控制系统，该控制系统将高性能变频器和磁悬浮轴承控制器的主要功能进行集成，形成了性能更加优越的一体化磁悬浮电机专用控制系统。另外，本发明还提供了一种磁悬浮电机的控制方法。
本发明的技术方案为：
本发明实施例一方面提供了一种磁悬浮电机专用控制系统，包括磁悬浮轴承控制模块、变频驱动控制模块、信号处理模块和电源模块，
磁悬浮轴承控制模块，被配置为根据转子的振动信号来调节磁悬浮轴承中线圈的电流信号；
信号处理模块，被配置为根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子转动而变化的曲线，从而确定转子的转速和位置；
变频驱动控制模块，被配置为根据得到转子的转速和位置调整电机的输入电压和电流；
电源模块，被配置为磁悬浮轴承和电机供电。
根据本发明优选的，电源模块包括整流器、逆变器和DC/DC变换器，整流器输出直流母线电压；
整流器用于将电网输入的交流电转换为直流电，逆变器用于将直流电转换为交流电，并将交流电输入到电机线圈中；
DC/DC变换器通过直流母线获取直流电，然后进行电压转换，再将转换后的电压输入到磁悬浮轴承控制模块中；
在电源导通时，电源模块为磁悬浮电机线圈供电以驱动转子主轴转动，以及为磁悬浮轴承控制模块供电，维持磁悬浮电机的转子主轴处于悬浮状态；
在电源断开时，变频驱动控制模块控制电机减速停车，将转子主轴的动能转化为电源模块的电能，并向磁悬浮轴承控制模块供电20-30s，以维持磁悬浮电机的转子主轴处于悬浮状态，直至磁悬浮电机降到安全转速，避免了因转子高速跌落对磁悬浮电机的严重损坏，省去了UPS备用电源。
利用整流器整流后的母线电压给磁悬浮轴承控制模块供电，省却了AC/DC变换器。采用一套电源为磁悬浮轴承控制模块和电机的线圈供电，减小了控制器成本，缩小了控制器体积。
根据本发明优选的，控制系统还包括信号采集单元，信号采集单元用于采集磁悬浮轴承中线圈的电流信号或者转子的振动信号；
信号采集单元为电流传感器或位移传感器，电流传感器用于采集磁悬浮轴承中线圈的电流信号，位移传感器用于采集转子的振动信号。
本发明实施例另一方面提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
根据转子的振动信号来调节磁悬浮轴承中线圈的电流信号；
根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子的转动而变化的曲线，从而确定转子的转速和位置；
根据转子的转速和位置调整磁悬浮电机的输入电压和电流。
根据本发明优选的，在根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子的转动而变化的曲线之前，先建立转子的允许不平衡量与磁悬浮轴承中线圈的电流信号，或先建立转子的允许不平衡量与转子的振动信号的对应关系：
磁悬浮轴承包括四组磁极对，共8个磁极，每个磁极上绕设有线圈，属于同一组磁极对中的两个磁极的极性相反，属于不同组磁极对中的两个相邻磁极的极性相同；相对设置的磁极对产生方向相反的电磁力；
在转子的径向设置有位移传感器，位移传感器用于采集转子的振动信号，然后通过实时调整磁悬浮轴承中线圈的电流大小，从而产生电磁吸力，维持转子的稳定悬浮；
由于转子存在允许不平衡量，因此转子在二维坐标系中每旋转一周，对应的磁悬浮轴承中线圈的电流变化或位移传感器的输出信号变化呈现一个周期的正弦波。
根据本发明优选的，根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子的转动而变化的曲线，从而确定转子的转速和位置；包括：
（1）获取第一磁极对的线圈电流或第一位移传感器输出信号的频率f，所述频率f即转子的转速；
（2）获取第一磁极对的线圈电流或第一位移传感器输出信号的最大值I max 和最小值I min ；
（3）得到第一磁极对的线圈电流或第一位移传感器输出信号的表达式I 1 ，即：
I 1= Asin(ωt)+B （I），
式（I）中，，/>，ω=2πf；
（4）由式（I）得，，则转子位置θ=mod(ωt,2π)，mod(.)表示求余数运算；通过一个实时的第一磁极对的线圈电流或第一位移传感器输出信号I 1实时，得到两个转子位置θ 1 和θ 2 ；
（5）重复步骤（1）-（4），获取与第一磁极对相邻的第二磁极对的线圈电流或与第一位移传感器相邻的第二位移传感器输出信号的表达式I 2 ；
（6）根据第一磁极对的线圈电流和相邻的第二磁极对的线圈电流，或第一位移传感器输出信号和相邻的第二位移传感器输出信号，共同确定唯一的转子位置θ，从而获得转子转速和转子位置θ。
根据本发明优选的，根据第一磁极对的线圈电流和相邻的第二磁极对的线圈电流，共同确定唯一的转子位置θ；包括：
当第二磁极对的线圈电流的表达式I 2 的相位比第一磁极对的线圈电流的表达式I 1 的相位增加90°时，
第一磁极对的线圈电流和第二磁极对的线圈电流分别为I 1实时和I 2实时，由第一磁极对实时的线圈电流为I 1实时，得到两个转子位置θ 1 和θ 2 ；在x坐标轴中，θ 1 ＜θ 2 ；
将第二磁极对实时的线圈电流I 2实时与I avg 作比较，；
当I 2实时＞I avg 时，则转子位置为θ 1 ；
当I 2实时＜I avg 时，则转子位置为θ 2 ；
或者，当第二磁极对的线圈电流波形的表达式I 2的相位比第一磁极对的线圈电流波形的表达式I 1的相位减少90°时：
第一磁极对的线圈电流和第二磁极对的线圈电流分别为I 1实时和I 2实时，由第一磁极对实时的线圈电流为I 1实时，得到两个转子位置θ 1 和θ 2 ；在x坐标轴中，θ 1 ＜θ 2 ；
将第二磁极对的线圈电流I 2实时与I avg 作比较，；
当I 2实时＜I avg 时，则转子位置为θ 1 ；
当I 2实时＞I avg 时，则转子位置为θ 2 。
根据本发明优选的，根据第一位移传感器输出信号和相邻的第二位移传感器输出信号，共同确定唯一的转子位置θ；具体的：
当第二位移传感器输出信号的表达式I 2的相位比第一位移传感器输出信号的表达式I 1的相位增加90°时：
第二位移传感器的实时输出信号和第一位移传感器的实时输出信号分别为I 1实时和I 2实时，由第一位移传感器的实时输出信号I 1实时得到两个转子位置θ 1 和θ 2 ；在x坐标轴中，θ 1 ＜θ 2 ；
将第二位移传感器的实时输出信号I 2实时与I avg 作比较，；
当I 2实时＞I avg 时，则转子位置为θ 1 ；
当I 2实时＜I avg 时，则转子位置为θ 2 ；
或者，当第二位移传感器输出信号的表达式I 2 的相位比第一位移传感器输出信号的表达式I 1 的相位减少90°时：
第一位移传感器的实时输出信号和第二位移传感器的实时输出信号分别为I 1实时和I 2实时，由第一位移传感器的实时输出信号I 1实时得到两个转子位置θ 1 和θ 2 ；在x坐标轴中，θ 1 ＜θ 2 ；
将第二位移传感器的实时输出信号I 2实时与I avg 作比较，；
当I 2实时＜I avg 时，则转子位置为θ 1 ；
当I 2实时＞I avg 时，则转子位置为θ 2 。
根据本发明优选的，获取磁极对电流的频率f的方法为：通过比较器将磁极对电流的正弦波转换为PWM波，统计一定时间内PWM波形出现高电平的次数，进而得到磁极对电流频率，即转子的转速。
本发明的有益效果为：
1.本申请提供的磁悬浮电机专用控制系统将高性能变频器和磁悬浮轴承控制器集成一体化设计，将主要功能进行集成，形成了性能更加优越的一体化磁悬浮电机专用控制系统。
2.本申请提供的磁悬浮电机专用控制系统为变频驱动控制模块实时提供转子准确的转速和位置信息，取代了变频器矢量控制的无速度传感器算法环节，实现了电机更加精确的转速控制和稳定的高性能驱动。
3.本申请提供的磁悬浮电机专用控制系统利用母线电压为磁悬浮轴承控制模块提供电源输入，省去了AC/DC变换器。
4.磁悬浮电机专用控制系统中电源模块能够为磁悬浮轴承控制器提供备用电源。当市电掉电时，变频器控制电机减速停车，将动能转化为电能，维持母线电压对磁悬浮轴承控制器持续20-30s的供电，直至磁悬浮电机降到安全转速，避免了因转子高速跌落对磁悬浮电机的严重损坏，省去了UPS备用电源。
5.变频驱动控制模块和磁悬浮轴承控制模块共用一套散热系统，减小了控制器成本，缩小了控制器体积。
附图说明
图1为现有技术中高性能变频器和磁悬浮轴承控制器独立单元的示意图；
图2为现有技术中变频器无传感器矢量控制系统框图；
图3为本发明中变频器改进型矢量控制系统框图；
图4为本发明实施例中提供的磁悬浮电机专用控制系统的结构示意图；
图5为本发明另一实施例中提供的磁悬浮电机专用控制系统的结构示意图；
图6为磁极对b+、磁极对a-中线圈电流的波形图；
图7为运行状态A时转子的位置示意图；
图8为运行状态B时转子的位置示意图；
图9为运行状态C时转子的位置示意图；
图10为运行状态D时转子的位置示意图；
图11为实施例提供的一种磁悬浮电机的控制方法的示意图；
图12为磁极对b+、磁极对a-的线圈电流与转子位置θ的关系图；
图13为位移传感器与转子的位置示意图；
其中，1、磁悬浮轴承，2、转子，3、传感器支架，4、位移传感器。
具体实施方式
下面将以图示揭露本申请的若干个实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明是用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，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。
目前磁悬浮电机常用的高性能变频器和磁悬浮轴承控制器采用独立单元设计方式，高性能变频器和磁悬浮轴承控制器独立单元示意图如图1所示，相互之间没有关联。
变频器无传感器矢量控制系统框图如图2所示：变频器通过电流/电压传感器获取磁悬浮电机的电流i abc和电压u abc，u abc经过坐标系转换变为u d和u q，基于得到的u d和u q经过无速度传感器算法得到估算的转子2的位置θ e和转子2的速度ω e，转子2的速度ω e经过一些列的处理后，与转子2的设定速度相比较，从而调控输出电压和电流。高性能变频器采用的无速度传感器矢量控制算法需要辨识精确的电机参数，但是，随着温度、频率、磁路饱和、杂散损耗等运行条件的变化，电机参数在实际运行中并不是恒定不变的。这导致无速度传感器算法计算得到的转速和转子2位置不够精确，无法实现更稳定的高性能控制。基于现有技术的不足，本发明实施例提供一种磁悬浮电机专用控制系统及控制方法。
实施例1
本发明实施例一方面提供了一种磁悬浮电机专用控制系统，如图4所示，包括磁悬浮轴承控制模块、变频驱动控制模块、信号处理模块和电源模块，
磁悬浮轴承控制模块，被配置为根据转子2的位移来调节磁悬浮轴承1中线圈的电流信号；磁悬浮轴承控制模块包括磁悬浮功率放大器和磁悬浮控制器，磁悬浮控制器根据位移传感器4检测到的转子2的振动信号，经过磁悬浮功率放大器调控磁悬浮轴承1磁极对线圈的电流。
信号处理单元，被配置为根据磁悬浮轴承1中线圈的电流信号或转子2的振动信号随着转子2转动而变化的曲线，从而确定转子2的转速和位置；
变频驱动控制模块，被配置为根据得到转子2的转速和位置调整电机的输入电压和电流；
电源模块，被配置为磁悬浮轴承1和电机供电。
本发明提供的磁悬浮电机专用控制系统，变频器改进型矢量控制系统框图如图3所示，将磁悬浮轴承1中线圈的电流信号或转子2的振动信号通过处理得到转子2准确的转速和位置信息，并将转速和位置信息传输到高性能变频器的矢量控制系统，替代原有的无速度传感器估算环节，实现了磁悬浮电机更高精度的转速控制和实时稳定的高性能驱动。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机专用控制系统，如图5所示，电源模块包括整流器、逆变器和DC/DC变换器，整流器输出直流母线电压；DC/DC变换器即直流-直流变换器是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。
整流器用于将电网输入的交流电转换为直流电，逆变器用于将直流电转换为交流电，并将交流电输入到电机线圈中；
DC/DC变换器通过直流母线获取直流电，然后进行电压转换，再将转换后的电压输入到磁悬浮轴承控制模块中；
在电源导通时，电源模块为磁悬浮电机线圈供电以驱动转子2主轴转动，以及为磁悬浮轴承控制模块供电，维持磁悬浮电机的转子2主轴处于悬浮状态；
在电源断开时，变频驱动控制模块控制电机减速停车，将转子2主轴的动能转化为电源模块的电能，维持母线电压对磁悬浮轴承控制模块持续20-30s的供电，以维持磁悬浮电机的转子2主轴处于悬浮状态，直至磁悬浮电机降到安全转速，避免了因转子2高速跌落对磁悬浮电机的严重损坏，省去了UPS备用电源。一般安全转速为2000r/min以下 。
利用整流器的母线电压给磁悬浮轴承控制模块供电，省却了AC/DC变换器。采用一套电源为磁悬浮轴承控制模块和电机的线圈供电，减小了控制器成本，缩小了控制器体积。
实施例3
在实施例1的基础上，控制系统还包括信号采集单元，信号采集单元用于采集磁悬浮轴承1中线圈的电流信号或者转子2的振动信号；
信号采集单元为电流传感器或位移传感器4，电流传感器用于采集磁悬浮轴承1中线圈的电流信号，位移传感器4用于采集转子2的振动信号。
具体的，可以采用电流传感器作为信号采集单元，电流传感器用于采集磁悬浮轴承1中线圈的电流信号。
或者采用位移传感器4作为作为信号采集单元，位移传感器4用于采集转子2的振动信号。位移传感器4固定在传感器支架3上。
实施例4
本发明实施例另一方面提供了一种磁悬浮电机的控制方法，如图11所示，包括：
根据转子2的位移来调节磁悬浮轴承1中线圈的电流信号；
根据磁悬浮轴承1中线圈的电流信号或转子2的振动信号随着转子2的转动而变化的曲线，从而确定转子2的转速和位置；
根据转子2的转速和位置调整磁悬浮电机的输入电压和电流。
实施例5
在实施例4的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
在根据磁悬浮轴承1中线圈的电流信号或转子2的振动信号随着转子2的转动而变化的曲线之前，先建立转子2的允许不平衡量与磁悬浮轴承1中线圈的电流信号，或先建立转子2的允许不平衡量与转子2的振动信号的对应关系：
磁悬浮轴承1包括四组磁极对，分别为顺时针依次设置的磁极对b+、磁极对a+、磁极对b-和磁极对a-，共8个磁极，每个磁极上绕设有线圈，属于同一组磁极对中的两个磁极的极性相反，属于不同组磁极对中的两个相邻磁极的极性相同；相对设置的磁极对产生方向相反的电磁力；
如图13所示，在转子2的径向设置有位移传感器4，位移传感器4用于采集二维坐标系中坐标轴四个方向上的转子2振动信号，进而通过实时调整磁悬浮轴承1中线圈的电流大小，从而产生电磁吸力，维持转子2的稳定悬浮；
由于转子2存在允许不平衡量，因此转子2在二维坐标系中每旋转一周，对应的磁悬浮轴承1中线圈的电流变化或位移传感器4的输出信号变化呈现一个周期的正弦波。
通常一个转子2在设计上都使它相对性于旋转轴线是轴对称的，可是因为加工工艺上的一连串要素影响，最后装配完成的转子2总是不可能做到做到驱动力上的彻底轴对称，存有一定的不平衡量，经过动平衡设备校准后的转子2的重心偏移量称之为允许不平衡量。
具体的，以磁悬浮轴承1中线圈的电流变化为例进行说明，建立坐标系，其中磁极对a+、磁极对a-位于x轴上，磁极对b+、磁极对b-位于y轴上。
当转子2顺时针高速旋转时，转子2的允许不平衡量会产生比较大的离心力。此时，磁极对b+的电流变化过程如图6所示，图6中横坐标为转子的允许不平衡量的位置，也是转子运动的时间。
如图7所示，当转子2的允许不平衡量旋转到x轴正方向时，为了防止离心力致使转子2偏离中心位置，磁极对b+需要产生一定的电磁吸力，此时，磁极对b+线圈电流如图6的A点所示。
如图8所示，当转子2的允许不平衡量旋转到y轴负方向时，为了防止离心力致使转子2偏离中心位置，磁极对b+需要增加电磁吸力，此时，磁极对b+线圈电流达到最大值，如图6的B点所示。
如图9所示，当转子2的允许不平衡量旋转到x轴负方向时，为了防止离心力致使转子2偏离中心位置，磁极对b+需要减小电磁吸力，此时，磁极对b+线圈电流如图6的C点所示。
如图10所示，当转子2的允许不平衡量旋转到x轴正方向时，为了防止离心力致使转子2偏离中心位置，磁极对b+需要减小电磁吸力，此时，磁极对b+线圈的电流值达到最小值，如图6的D点所示。
转子2每旋转一个周期，磁极对b+的电流变化会产生一个正弦波，磁极对a-的电流变化会产生一个余弦波，于是，利用磁极对b+和磁极对a-的电流波形，即可获得转子2精确的转速信息和位置信息。
实施例6
在实施例5的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
根据磁悬浮轴承1中线圈的电流信号随着转子2的转动而变化的曲线，从而确定转子2的转速和位置；如图7-10所示，包括：
（1）获取第一磁极对的线圈电流的频率f，频率f即转子2的转速；
（2）获取第一磁极对的线圈电流的最大值I max 和最小值I min ；
（3）得到第一磁极对的线圈电流的表达式I 1 ，即：
I 1= Asin(ωt)+B （I），
式（I）中，，/> ，ω=2πf；
（4）由式（I）得，，则转子位置，θ=mod(ωt,2π)，mod(.)表示求余数运算；通过一个实时的第一磁极对的线圈电流I 1实时，得到两个转子2位置θ 1 和θ 2 ；
（5）重复步骤（1）-（4），获取相邻的第二磁极对的线圈电流的表达式I 2；
（6）根据第一磁极对的线圈电流和相邻的第二磁极对的线圈电流共同确定唯一的转子2位置θ；从而获得转子2转速和转子2位置θ。
实施例7
在实施例6的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
根据第一磁极对的线圈电流和相邻的第二磁极对的线圈电流共同确定唯一的转子2位置θ；本实施例选取磁极对b+和磁极对a-这两组相邻的磁极对的线圈电流，磁极对b+作为第一磁极对，磁极对a-作为第二磁极对，具体的：
当第二磁极对的线圈电流波形的表达式I 2的相位比第一磁极对的线圈电流波形的表达式I 1的相位增加90°时：
第一磁极对实时的线圈电流和第二磁极对实时的线圈电流分别为I 1实时和I 2实时，由第一磁极对实时的线圈电流为I 1实时，得到两个转子位置θ 1 和θ 2 ；在x坐标轴中，θ 1 ＜θ 2 ；
将第二磁极对实时的线圈电流I 2实时与I avg 作比较，；
如图12所示，当I 2实时＞I avg 时，则转子位置为θ 1 ；
当I 2实时＜I avg 时，则转子位置为θ 2。
实施例8
在实施例6的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
根据第一磁极对的线圈电流和相邻第二磁极对的线圈电流共同确定唯一的转子2位置θ；本实施例选取磁极对b+和磁极对a+这两组相邻的磁极对的线圈电流，磁极对b+作为第一磁极对，磁极对a+作为第二磁极对，具体的：
当第二磁极对的线圈电流波形的表达式I 2的相位比第一磁极对的线圈电流波形的表达式I 1的相位减少90°时：
第一磁极对实时的线圈电流和第二磁极对实时的线圈电流分别为I 1实时和I 2实时，由第一磁极对实时的线圈电流为I 1实时，得到两个转子位置θ 1 和θ 2 ；在x坐标轴中，θ 1 ＜θ 2 ；
将第二磁极对实时的线圈电流I 2实时与I avg 作比较，；
当I 2实时＜I avg 时，则转子位置为θ 1 ；
当I 2实时＞I avg 时，则转子位置为θ 2 。
实施例9
在实施例4的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
根据转子2的振动信号随着转子2的转动而变化的曲线，从而确定转子2的转速和位置；包括：
（1）获取第一位移传感器输出信号的频率f，频率f即转子2的转速；
（2）获取第一位移传感器输出信号的最大值I max 和最小值I min ；
（3）得到第一位移传感器输出信号的表达式I 1，即：
I 1= Asin(ωt)+B （I），
式（I）中，，/> ，ω=2πf；
（4）由式（I）得，，则转子2位置θ=mod(ωt,2π)，mod(.)表示求余数运算；通过一个实时的第一位移传感器输出信号I 1实时，得到两个转子2位置θ 1 和θ 2 ；
（5）重复步骤（1）-（4），获取与第一位移传感器相邻的第二位移传感器输出信号的表达式I 2；
（6）根据第一位移传感器输出电流和相邻的第二位移传感器输出信号，共同确定唯一的转子2位置θ；从而获得转子2转速和转子2位置θ。
实施例10
在实施例9的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
根据第一位移传感器输出电流和相邻的第二位移传感器输出信号，共同确定唯一的转子2位置θ；具体的：
当第二位移传感器输出电流的表达式I 2的相位比第一位移传感器输出信号的表达式I 1的相位增加90°时：
第一位移传感器的实时输出信号和第二位移传感器的实时输出信号分别为I 1实时和I 2实时，由第一位移传感器的实时输出信号I 1实时得到两个转子位置θ 1 和θ 2 ；在x坐标轴中，θ 1 ＜θ 2 ；
将第二位移传感器的实时输出信号I 2实时与I avg 作比较，；
当I 2实时＞I avg 时，则转子位置为 θ 1 ；
当I 2实时＜I avg 时，则转子位置为θ 2 。
实施例11
在实施例9的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
当第二位移传感器输出信号的表达式I 2的相位比第一位移传感器输出信号的表达式I 1的相位减少90°时：
第一位移传感器的实时输出信号和第二位移传感器的实时输出信号分别为I 1实时和I 2实时，由第一位移传感器的实时输出信号I 1实时得到两个转子2位置θ 1 和θ 2 ；在x坐标轴中，θ 1 ＜θ 2 ；
将第二位移传感器的实时输出信号I 2实时与I avg 作比较，；
当I 2实时＜I avg 时，则转子2位置为θ 1 ；
当I 2实时＞I avg 时，则转子2位置为θ 2 。
实施例12
在实施例9或实施例6的基础上，本实施例提供了一种磁悬浮电机的控制方法，包括：
获取磁极对电流的频率f的具体方法为：通过比较器将正弦波转换为具有高低电平的PWM波、随后用计时器计时1秒，再用计数器统计1秒内PWM波形出现高电平的次数，该高电平次数就是磁极对b+或者a-的电流波形频率，即转子2的转速。
上述说明示出并描述了本申请的优选实施方式，但如前对象，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文对象构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁悬浮电机专用控制系统，其特征在于，包括磁悬浮轴承控制模块、变频驱动控制模块、信号处理模块和电源模块，
磁悬浮轴承控制模块，被配置为根据转子的振动信号来调节磁悬浮轴承中线圈的电流信号；
信号处理模块，被配置为根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子转动而变化的曲线，从而确定转子的转速和位置；
变频驱动控制模块，被配置为根据得到转子的转速和位置调整电机的输入电压和电流；
电源模块，被配置为磁悬浮轴承和电机供电。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮电机专用控制系统，其特征在于，电源模块包括整流器、逆变器和DC/DC变换器，整流器输出直流母线电压；
整流器用于将电网输入的交流电转换为直流电，逆变器用于将直流电转换为交流电，并将交流电输入到电机线圈中；
DC/DC变换器通过直流母线获取直流电，然后进行电压转换，再将转换后的电压输入到磁悬浮轴承控制模块中；
在电源导通时，电源模块为磁悬浮电机线圈供电以驱动转子主轴转动，以及为磁悬浮轴承控制模块供电，维持磁悬浮电机的转子主轴处于悬浮状态；
在电源断开时，变频驱动控制模块控制电机减速停车，将转子主轴的动能转化为电源模块的电能，并向磁悬浮轴承控制模块供电20-30s，以维持磁悬浮电机的转子主轴处于悬浮状态，直至磁悬浮电机降到安全转速。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮电机专用控制系统，其特征在于，控制系统还包括信号采集单元，信号采集单元用于采集磁悬浮轴承中线圈的电流信号或者转子的振动信号；
信号采集单元为电流传感器或位移传感器，电流传感器用于采集磁悬浮轴承中线圈的电流信号，位移传感器用于采集转子的振动信号。
4.一种磁悬浮电机的控制方法，其特征在于，包括：
根据转子的振动信号来调节磁悬浮轴承中线圈的电流信号；
根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子的转动而变化的曲线，从而确定转子的转速和位置；
根据转子的转速和位置调整磁悬浮电机的输入电压和电流。
5.根据权利要求4所述的一种磁悬浮电机的控制方法，其特征在于，在根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子的转动而变化的曲线之前，先建立转子的允许不平衡量与磁悬浮轴承中线圈的电流信号，或先建立转子的允许不平衡量与转子的振动信号的对应关系：
磁悬浮轴承包括四组磁极对，共8个磁极，每个磁极上绕设有线圈，属于同一组磁极对中的两个磁极的极性相反，属于不同组磁极对中的两个相邻磁极的极性相同；相对设置的磁极对产生方向相反的电磁力；
在转子的径向设置有位移传感器，位移传感器用于采集转子的振动信号，然后通过实时调整磁悬浮轴承中线圈的电流大小，从而产生电磁吸力，维持转子的稳定悬浮；
由于转子存在允许不平衡量，因此转子在二维坐标系中每旋转一周，对应的磁悬浮轴承中线圈的电流变化或位移传感器的输出信号变化呈现一个周期的正弦波。
6.根据权利要求4所述的一种磁悬浮电机的控制方法，其特征在于，根据磁悬浮轴承中线圈的电流信号或转子的振动信号随着转子的转动而变化的曲线，从而确定转子的转速和位置；包括：
(1)获取第一磁极对的线圈电流或第一位移传感器输出信号的频率f，所述频率f即转子的转速；
(2)获取第一磁极对的线圈电流或第一位移传感器输出信号的最大值Imax和最小值Imin；
(3)得到第一磁极对的线圈电流或第一位移传感器输出信号的表达式I1，即：
I1＝Asin(ωt)+B (I)，
式(I)中，ω＝2πf；
(4)由式(I)得，则转子位置θ＝mod(ωt,2π)，mod(.)表示求余数运算；通过一个实时的第一磁极对的线圈电流或第一位移传感器输出信号I1实时，得到两个转子位置θ1和θ2；
(5)重复步骤(1)-(4)，获取与第一磁极对相邻的第二磁极对的线圈电流或与第一位移传感器相邻的第二位移传感器输出信号的表达式I2；
(6)根据第一磁极对的线圈电流和相邻的第二磁极对的线圈电流，或第一位移传感器输出信号和相邻的第二位移传感器输出信号，共同确定唯一的转子位置θ，从而获得转子转速和转子位置θ。
7.根据权利要求6所述的一种磁悬浮电机的控制方法，其特征在于，根据第一磁极对的线圈电流和相邻的第二磁极对的线圈电流，共同确定唯一的转子位置θ；包括：
当第二磁极对的线圈电流的表达式I2的相位比第一磁极对的线圈电流的表达式I1的相位增加90°时，
第一磁极对的线圈电流和第二磁极对的线圈电流分别为I1实时和I2实时，由第一磁极对实时的线圈电流为I1实时，得到两个转子位置θ1和θ2；在x坐标轴中，θ1＜θ2；
将第二磁极对实时的线圈电流I2实时与Iavg作比较，
当I2实时＞Iavg时，则转子位置为θ1；
当I2实时＜Iavg时，则转子位置为θ2；
或者，当第二磁极对的线圈电流波形的表达式I2的相位比第一磁极对的线圈电流波形的表达式I1的相位减少90°时：
第一磁极对的线圈电流和第二磁极对的线圈电流分别为I1实时和I2实时，由第一磁极对实时的线圈电流为I1实时，得到两个转子位置θ1和θ2；在x坐标轴中，θ1＜θ2；
将第二磁极对的线圈电流I2实时与Iavg作比较，
当I2实时＜Iavg时，则转子位置为θ1；
当I2实时＞Iavg时，则转子位置为θ2。
8.根据权利要求6所述的一种磁悬浮电机的控制方法，其特征在于，根据第一位移传感器输出信号和相邻的第二位移传感器输出信号，共同确定唯一的转子位置θ；具体的：
当第二位移传感器输出信号的表达式I2的相位比第一位移传感器输出信号的表达式I1的相位增加90°时：
第二位移传感器的实时输出信号和第一位移传感器的实时输出信号分别为I1实时和I2实时，由第一位移传感器的实时输出信号I1实时得到两个转子位置θ1和θ2；在x坐标轴中，θ1＜θ2；
将第二位移传感器的实时输出信号I2实时与Iavg作比较，
当I2实时＞Iavg时，则转子位置为θ1；
当I2实时＜Iavg时，则转子位置为θ2；
或者，当第二位移传感器输出信号的表达式I2的相位比第一位移传感器输出信号的表达式I1的相位减少90°时：
第一位移传感器的实时输出信号和第二位移传感器的实时输出信号分别为I1实时和I2实时，由第一位移传感器的实时输出信号I1实时得到两个转子位置θ1和θ2；在x坐标轴中，θ1＜θ2；
将第二位移传感器的实时输出信号I2实时与Iavg作比较，
当I2实时＜Iavg时，则转子位置为θ1；
当I2实时＞Iavg时，则转子位置为θ2。
9.根据权利要求6所述的一种磁悬浮电机的控制方法，其特征在于，获取第一磁极对的线圈电流的频率f的方法为：通过比较器将第一磁极对的线圈电流的正弦波转换为PWM波，统计一定时间内PWM波形出现高电平的次数，进而得到第一磁极对的线圈电流的频率，即转子的转速。
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