CN117703927A - 一种磁悬浮轴承控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁悬浮轴承控制系统，包括线圈电源；所述线圈电源在线圈控制器的控制下对线圈组合供电，线圈组合由磁悬浮轴承中沿中轴圆周均布的多个线圈组组成，线圈控制器对每一线圈组独立接线控制；线圈控制器的数据输入端前级依次接入第二矩阵乘法器、偏转计算器、第一矩阵乘法器、磁传感器组；磁传感器组由磁悬浮轴承中沿中轴圆周均布的多个磁传感器组成。本发明能极大的提升对磁悬浮轴承的控制精度，有效提升精确程度和控制精细度，且成本提升不高，以便更广泛地应用磁悬浮轴承技术，能够有效应对高速旋转和高负载，且能确保长期运行的稳定性和可靠性。

Description

一种磁悬浮轴承控制系统

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承控制系统，属于轴承控制技术领域。

背景技术

现有技术中的磁悬浮轴承一般都采用数量上相对单一的传感器通过算法上的改良实现对转子稳定的控制，典型如申请号为CN202310985811.0的中国专利公开的磁悬浮轴承控制器及其供电控制方法、装置和存储介质，采用声音传感器和温度传感器实现对轴承运行状态的判断，又如申请号为CN202110680513.1的中国专利公开的一种磁悬浮轴承的控制装置、方法和磁悬浮轴承系统，采用位置摆放呈180°的成对的位移传感器实现对转子运行状态的判断。

这些方案中对于确定转子运行状态的确定，都需要进行较为复杂的计算，在低速状态下问题不大，但在高速、超高速状态下由于需要耗费较多机器周期进行计算，导致控制系统精度严重受到限制，精确程度和控制精细度都受限，以至于最终直接导致磁悬浮轴承的应用受到限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁悬浮轴承控制系统，该磁悬浮轴承控制系统能极大的提升对磁悬浮轴承的控制精度，有效提升精确程度和控制精细度，且成本提升不高，以便更广泛地应用磁悬浮轴承技术。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种磁悬浮轴承控制系统，包括线圈电源；所述线圈电源在线圈控制器的控制下对线圈组合供电，线圈组合由磁悬浮轴承中沿中轴圆周均布的多个线圈组组成，线圈控制器对每一线圈组独立接线控制；线圈控制器的数据输入端前级依次接入第二矩阵乘法器、偏转计算器、第一矩阵乘法器、磁传感器组；磁传感器组由磁悬浮轴承中沿中轴圆周均布的多个磁传感器组成；第一矩阵乘法器用于将磁传感器数据和磁传感器位置数据以矩阵相乘，得到传感磁力向量。偏转计算器用于根据传感磁力向量计算控制偏转向量。第二矩阵乘法器用于将控制偏转向量和线圈组位置数据以矩阵相乘，得到控制偏转矩阵。线圈控制器将控制偏转矩阵叠加于对线圈组合进行控制的控制信号矩阵；磁传感器数据为线圈控制器通过ADC连接磁传感器获取的电流值，磁传感器位置数据为，基于磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度采用三角函数构建设定的转换矩阵；线圈组位置数据为，基于线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度采用反三角函数构建设定的转换矩阵；特定轴向为仅在设定磁传感器位置数据和线圈组位置数据时任意指定的轴向，仅用于磁传感器位置数据和线圈组位置数据在空间位置上的标定对齐；控制信号矩阵是磁悬浮轴承完成组装时，根据各线圈组的安装情况而设定的理想均衡状态下的控制量所组成的数组；控制偏转矩阵中数据项一致于控制信号矩阵。

所述第一矩阵乘法器和第二矩阵乘法器还接入有用于存储线圈组和磁传感器的安装位置数据的位置暂存器。

所述第一矩阵乘法器用于将磁传感器数据和磁传感器位置数据以矩阵相乘，得到传感磁力向量。

所述偏转计算器用于根据传感磁力向量计算控制偏转向量。

所述第二矩阵乘法器用于将控制偏转向量和线圈组位置数据以矩阵相乘，得到控制偏转矩阵。

所述线圈控制器将控制偏转矩阵叠加于对线圈组合进行控制的控制信号矩阵。

所述控制信号矩阵初始值预先设定。

所述线圈控制器为主频高于100MHz的32位MCU。

所述磁传感器和线圈组的数量均为八个。

所述磁传感器和线圈组沿圆周交错设置。

所述磁传感器数据和磁传感器位置数据以矩阵相乘，得到传感磁力向量，采用如下方式：

，

式中，a₁为从第一个磁传感器获取的数据，a₂为从第二个磁传感器获取的数据，a_N为从第N个磁传感器获取的数据，θ₁为第一个磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度，θ₂为第二个磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度，θ_N为第N个磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度，[x，y]为传感磁力向量。

所述控制偏转向量和线圈组位置数据以矩阵相乘，得到控制偏转矩阵，采用如下方式：

，

式中，[m，n]为控制偏转向量，β₁为第一线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度，β₂为第二线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度，β_M为第M线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度，b₁为第一线圈组的控制偏转量，b₂为第二线圈组的控制偏转量，b_M为第M线圈组的控制偏转量，[b₁，b₂，……，b_M]为控制偏转矩阵。

所述根据传感磁力向量计算控制偏转向量，采用如下方式：

[m，n]=[λ₁·x，λ₂·y]，

式中，[x，y]为传感磁力向量，x为传感磁力向量的第一项数值，y为传感磁力向量的第二项数值，λ₁为预设的第一调节系数，λ₂为预设的第二调节系数，[m，n]为控制偏转向量。

所述将控制偏转矩阵叠加于对线圈组合进行控制的控制信号矩阵为，按序将控制偏转矩阵[b₁，b₂，……，b_M]中的数值项叠加至各线圈组的控制信号矩阵[s₁，s₂，……，s_M]上，使得各线圈组构成的线圈组合的实际控制量[s^’ ₁，s^’ ₂，……，s^’ _M]是控制信号矩阵[s₁，s₂，……，s_M]和控制偏转矩阵[b₁，b₂，……，b_M]中对应数值项叠加值即：[s^’ ₁，s^’ ₂，……，s^’ _M]=[s₁+b₁，s₂+b₂，……，s_M+b_M]。

本发明的有益效果在于：能极大的提升对磁悬浮轴承的控制精度，有效提升精确程度和控制精细度，且成本提升不高，以便更广泛地应用磁悬浮轴承技术，能够有效应对高速旋转和高负载，且能确保长期运行的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明至少一种实施方式的连接示意图；

图2是图1中磁传感器组和线圈组的动作原理示意图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

本发明的第一实施方式涉及如图1所示的一种磁悬浮轴承控制系统，包括线圈电源；线圈电源在线圈控制器的控制下对线圈组合供电，线圈组合由磁悬浮轴承中沿中轴圆周均布的多个线圈组组成，线圈控制器对每一线圈组独立接线控制；线圈控制器的数据输入端前级依次接入第二矩阵乘法器、偏转计算器、第一矩阵乘法器、磁传感器组；磁传感器组由磁悬浮轴承中沿中轴圆周均布的多个磁传感器组成。

一般的，第一矩阵乘法器和第二矩阵乘法器均以矩阵乘法电路实现，对矩阵乘法的计算速度极快，便于实现对磁悬浮轴承高速旋转和高负载运行稳定控制，且由于是独立的矩阵乘法器，不占用线圈控制器的机器周期，同时多个线圈组和多个磁传感器均沿圆周均布，从而整体上可以有效提升整体控制的精度，控制逻辑的安排也可以极为简单，有效避免复杂算法对长期运行的稳定性和可靠性的负面影响。

进一步的，第一矩阵乘法器用于将磁传感器数据和磁传感器位置数据以矩阵相乘，得到传感磁力向量。

容易理解，磁传感器是以磁感线圈为核心并输出电流值的霍尔器件，由于磁悬浮轴承内空间有限，因此磁传感器不便设置独立的数据转换电路，磁传感器数据是线圈控制器通过ADC（一般是线圈控制器作为主控芯片自带的模块，也可以是独立的ADC芯片）连接磁传感器（磁感线圈）获取的电流值，假定有N个磁传感器，每一个磁传感器的数据均获取一个独立数值表示磁强度，为将之组合即可得到磁传感器数据{a₁，a₂，……，a_N}，其中a₁为从第一个磁传感器获取的数据，a₂为从第二个磁传感器获取的数据，a_N为从第N个磁传感器获取的数据，在系统中磁传感器数据可以一个数组来存储；

磁传感器位置数据为，基于磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度采用三角函数构建设定的转换矩阵，可表示为磁传感器相对于中心点Y轴向的偏转角度θ和相对于中心点的相对距离L，而由于计算中实际上并不需要对Y轴进行其他运算，因此此处特定轴向即为Y轴向，是只在设定磁传感器位置数据时任意指定的、用于标定对齐的一条轴线，并不真实存在（不独立占用数据存储空间和计算性能）亦无其他含义，且在磁传感器位置数据和线圈组位置数据设定完成后不再使用，同时根据磁传感器组的安装结构可知，任一磁传感器相对于中心点的相对距离都是一致的，故磁传感器相对于中心点的相对距离L也可以省略，故上述磁传感器位置数据为{[sinθ₁，cosθ₁]，[sinθ₂，cosθ₂]，……，[sinθ_N，cosθ_N]}，其中θ₁为第一个磁传感器相对于中心点Y轴向的偏转角度，θ₂为第二个磁传感器相对于中心点Y轴向的偏转角度，θ_N为第N个磁传感器相对于中心点Y轴向的偏转角度，在系统中磁传感器位置数据可以一个二维数组常量来存储；

上述两个数组在矩阵运算时，其计算方式即为一个1×N的矩阵和一个N×2的矩阵相乘，得到一个1×2的矩阵为传感磁力向量[x，y]：

，

式中，a₁为从第一个磁传感器获取的数据，a₂为从第二个磁传感器获取的数据，a_N为从第N个磁传感器获取的数据，θ₁为第一个磁传感器相对于中心点Y轴向的偏转角度，θ₂为第二个磁传感器相对于中心点Y轴向的偏转角度，θ_N为第N个磁传感器相对于中心点Y轴向的偏转角度。

容易看出，经由上述计算过程所得到的传感磁力向量[x，y]，是多个磁传感器的相对于中心位置的磁感数据映射在一特定坐标系上后叠加的结果，因此传感磁力向量正好为多个磁传感器的磁感数据的整体偏转量，但该过程无需构建坐标系，也不用进行复杂的变换运算，磁传感器位置数据是一常量可以直接写入控制器的常量空间中，磁传感器数据可按序读取ADC结果而直接存储为数组，耗费N个机器周期，其后的矩阵相乘运算在矩阵乘法器中只需要一个机器周期即可计算完成，将磁传感器数据读入矩阵乘法器中、将结果数据从矩阵乘法器输出至存储空间都不耗费主控的机器周期，该步骤的时间复杂为O(n)。

进一步的，偏转计算器用于根据传感磁力向量计算控制偏转向量。一般的，控制偏转向量的作用主要就是实现对线圈控制的纠偏，在计算出传感磁力向量之后，一种最简单的计算方式即在于直接对传感磁力向量取反计算而得到控制偏转向量[m，n]，即：

[m，n]=[-x，-y]，

式中，x为传感磁力向量的第一项数值，y为传感磁力向量的第二项数值。

当然的，在实际应用中，可能需要对该计算过程进行一定程度的调节，则对控制偏转向量[m，n]的计算过程为：

[m，n]=[λ·(-x)，λ·(-y)]，

式中，x为传感磁力向量的第一项数值，y为传感磁力向量的第二项数值，λ为预设的调节系数。

抑或，将上述取反结合于调节系数中，并基于调节系数作方向上的微调，则对控制偏转向量[m，n]的计算过程为：

[m，n]=[λ₁·x，λ₂·y]，

式中，x为传感磁力向量的第一项数值，y为传感磁力向量的第二项数值，λ₁为预设的第一调节系数（可为负数），λ₂为预设的第二调节系数（可为负数）。

进一步的，第二矩阵乘法器用于将控制偏转向量和线圈组位置数据以矩阵相乘，得到控制偏转矩阵。由于控制偏转向量的含义为实现对线圈组合整体控制的纠偏量，因此通过矩阵相乘的方式可以将对线圈组合整体控制的纠偏量分配计算为各线圈组的控制纠偏量。与前述类似，假定有M个线圈组，各线圈组相对于中心点的相对距离可以忽略，取各线圈组相对于中心点Y轴向的偏转角度β即可采用反三角函数构建设定线圈组位置数据的矩阵{[arcsinβ₁，arcsinβ₂，……，arcsinβ_M]，[arccosβ₁，arccosβ₂，……，arccosβ_M]}，其中，β₁为第一线圈组相对于中心点Y轴向的偏转角度，β₂为第二线圈组相对于中心点Y轴向的偏转角度，β_M为第M线圈组相对于中心点Y轴向的偏转角度，在系统中磁传感器位置数据可以一个二维数组常量来存储。对应可知，线圈组位置数据为，基于线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度设定的转换矩阵。Y轴向为仅在设定磁传感器位置数据和线圈组位置数据时任意指定的轴向，仅用于磁传感器位置数据和线圈组位置数据在空间位置上的标定对齐。

由此，上述矩阵相乘的计算方式即为一个1×2的矩阵和一个2×M的矩阵相乘，得到一个1×M的矩阵为控制偏转矩阵[b₁，b₂，……，b_M]：

，

式中，[m，n]为控制偏转向量，β₁为第一线圈组相对于中心点Y轴向的偏转角度，β₂为第二线圈组相对于中心点Y轴向的偏转角度，β_M为第M线圈组相对于中心点Y轴向的偏转角度，b₁为第一线圈组的控制偏转量，b₂为第二线圈组的控制偏转量，b_M为第M线圈组的控制偏转量。

容易看出，基于矩阵乘法器的计算特性，上述计算过程的时间复杂为O(n)。

上述磁传感器位置数据和线圈组位置数据中，磁传感器位置数据用于将圆周均布磁传感器的数据映射于中心点而得到偏转量即传感磁力向量，是圆周向中心映射，故采用三角函数构建，而线圈组位置数据用于将中心点的偏转控制量映射至圆周均布线圈组，是中心向圆周映射，与磁传感器数据的映射方向正好相反，故采用反三角函数构建。

进一步的，线圈控制器将控制偏转矩阵叠加于对线圈组合进行控制的控制信号矩阵。由于得到的控制偏转矩阵[b₁，b₂，……，b_M]在数据存储层面实质上是对应各线圈组的数组，因此按序将该数组中的数值项叠加至各线圈组的控制量[s₁，s₂，……，s_M]上，使得各线圈组构成的线圈组合的实际控制量[s^’ ₁，s^’ ₂，……，s^’ _M]是原设定控制量[s₁，s₂，……，s_M]和控制偏转矩阵[b₁，b₂，……，b_M]中对应数值项叠加值即可：[s^’ ₁，s^’ ₂，……，s^’ _M]=[s₁+b₁，s₂+b₂，……，s_M+b_M]。该步骤在实际控制中并不生成实际控制量[s^’ ₁，s^’ ₂，……，s^’ _M]的数组，而是将控制偏转矩阵[b₁，b₂，……，b_M]分别对应叠加。

可见，基于第一矩阵乘法器能以极快速的方式完成从多个磁传感器（作为控制反馈器件）到整体偏转量（即传感磁力向量，作为整体反馈控制量）的整合计算，基于第二矩阵乘法器的设置能以极快速的方式完成从整体控制量到各线圈组控制量分项计算，并基于偏转计算器的设置，仅用一步计算就完成从反馈到控制的过程，整体控制计算的时间复杂度为O(n)，彻底避免了可能导致计算复杂度提升的运算过程，从而避免了在高速、超高速状态下由于需要耗费较多机器周期进行计算、导致控制系统精度严重受到限制的情况。就数值原理上而言，上述计算过程有着明显的偏差，但就磁悬浮轴承的高速、超高速运转而言，偏差幅度可以忽略不计，由此带来的计算效率上的提升不仅可以完全弥补偏差，还可以大幅增加控制计算的次数。

综上可见，基于现有技术中的数学原理，矩阵乘法既可以升维也可以降维，只要通过调整相乘矩阵的形式即可实现，因此，第一矩阵乘法器可将磁传感器的数据组成矩阵然后乘磁传感器的位置数据矩阵，再乘转换矩阵，即可得到一个两数值的传感磁力向量，两数值分别代表磁悬浮轴承中轴相对于线圈组合中心的偏移方向和偏移位移量，即通过第一矩阵乘法器实现磁悬浮轴承中轴相对于线圈组合中心的偏移数据的向量化；同理的，第二矩阵乘法器与第一矩阵乘法器相反，是将控制偏转向量乘线圈组位置数据矩阵，实现控制偏转向量的矩阵化；偏转计算器的一种最简形式是用非门电路实现对传感磁力向量取反值即可，但这仅适用于模拟信号的情况，对于数字信号而言则可以通过逻辑取反单元实现。

本发明的第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要在于技术细节的优选设置，第一矩阵乘法器和第二矩阵乘法器还接入有用于存储线圈组和磁传感器的安装位置数据的位置暂存器。

进一步的，控制信号矩阵初始值预先设定。一般而言，控制信号矩阵是磁悬浮轴承完成组装时，根据各线圈组的安装情况而设定的理想均衡状态下的控制量所组成的数组，而一维数组亦可称为一维矩阵，即一行多列的矩阵，一经设定，除非线圈组的结构等发生改变，否则控制信号矩阵不再改变。

进一步的，线圈控制器为主频高于100MHz的32位MCU。一般的，可以选用MM32F5270系列芯片如MM32F5233D6PV。容易算出，上述计算过程整体只需约30个机器周期，相当于从获取磁传感器数据起算延迟约30个机器周期可得到对线圈组合的输出控制量。采用主频高于100MHz的32MCU，则能确保高于3MHz的频率对磁悬浮轴承实现控制，而100MHz的32MCU成本就目前而言极低。

进一步的，磁传感器和线圈组的数量均为八个。一般而言，八个是确保精度的最小合理数量。从计算的角度来说，数量均为六个最容易设定磁传感器位置数据和线圈组位置数据，但线圈组的数量为六个时控制平衡情况不理想，磁悬浮轴承运行振动幅度较大。

进一步的，磁传感器和线圈组沿圆周交错设置。

Claims (10)

1.一种磁悬浮轴承控制系统，包括线圈电源，其特征在于：所述线圈电源在线圈控制器的控制下对线圈组合供电，线圈组合由磁悬浮轴承中沿中轴圆周均布的多个线圈组组成，线圈控制器对每一线圈组独立接线控制；线圈控制器的数据输入端前级依次接入第二矩阵乘法器、偏转计算器、第一矩阵乘法器、磁传感器组；磁传感器组由磁悬浮轴承中沿中轴圆周均布的多个磁传感器组成；第一矩阵乘法器用于将磁传感器数据和磁传感器位置数据以矩阵相乘，得到传感磁力向量；偏转计算器用于根据传感磁力向量计算控制偏转向量；第二矩阵乘法器用于将控制偏转向量和线圈组位置数据以矩阵相乘，得到控制偏转矩阵；线圈控制器将控制偏转矩阵叠加于对线圈组合进行控制的控制信号矩阵；磁传感器数据为线圈控制器通过ADC连接磁传感器获取的电流值，磁传感器位置数据为，基于磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度采用三角函数构建设定的转换矩阵；线圈组位置数据为，基于线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度采用反三角函数构建设定的转换矩阵；特定轴向为仅在设定磁传感器位置数据和线圈组位置数据时任意指定的轴向，仅用于磁传感器位置数据和线圈组位置数据在空间位置上的标定对齐；控制信号矩阵是磁悬浮轴承完成组装时，根据各线圈组的安装情况而设定的理想均衡状态下的控制量所组成的数组；控制偏转矩阵中数据项一致于控制信号矩阵。

2.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述第一矩阵乘法器和第二矩阵乘法器还接入有用于存储线圈组和磁传感器的安装位置数据的位置暂存器。

3.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述控制信号矩阵初始值预先设定。

4.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述线圈控制器为主频高于100MHz的32位MCU。

5.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述磁传感器和线圈组的数量均为八个。

6.如权利要求5所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述磁传感器和线圈组沿圆周交错设置。

7.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述磁传感器数据和磁传感器位置数据以矩阵相乘，得到传感磁力向量，采用如下方式：

，

式中，a₁为从第一个磁传感器获取的数据，a₂为从第二个磁传感器获取的数据，a_N为从第N个磁传感器获取的数据，θ₁为第一个磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度，θ₂为第二个磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度，θ_N为第N个磁传感器相对于中心点特定轴向的偏转角度，[x，y]为传感磁力向量。

8.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述控制偏转向量和线圈组位置数据以矩阵相乘，得到控制偏转矩阵，采用如下方式：

，

式中，[m，n]为控制偏转向量，β₁为第一线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度，β₂为第二线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度，β_M为第M线圈组相对于中心点特定轴向的偏转角度，b₁为第一线圈组的控制偏转量，b₂为第二线圈组的控制偏转量，b_M为第M线圈组的控制偏转量，[b₁，b₂，……，b_M]为控制偏转矩阵。

9.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述根据传感磁力向量计算控制偏转向量，采用如下方式：

[m，n]=[λ₁·x，λ₂·y]，

式中，[x，y]为传感磁力向量，x为传感磁力向量的第一项数值，y为传感磁力向量的第二项数值，λ₁为预设的第一调节系数，λ₂为预设的第二调节系数，[m，n]为控制偏转向量。

10.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述将控制偏转矩阵叠加于对线圈组合进行控制的控制信号矩阵为，按序将控制偏转矩阵[b₁，b₂，……，b_M]中的数值项叠加至各线圈组的控制信号矩阵[s₁，s₂，……，s_M]上，使得各线圈组构成的线圈组合的实际控制量[s^’ ₁，s^’ ₂，……，s^’ _M]是控制信号矩阵[s₁，s₂，……，s_M]和控制偏转矩阵[b₁，b₂，……，b_M]中对应数值项叠加值即：[s^’ ₁，s^’ ₂，……，s^’ _M]=[s₁+b₁，s₂+b₂，……，s_M+b_M]。