CN1737388A - 三自由度交直流径向－轴向混合磁轴承及其控制方法 - Google Patents

Abstract

三自由度交直流径向－轴向混合磁轴承，适合于需要悬浮支撑的电主轴及旋转主轴系统。其特征是由永磁体同时提供径向－轴向静态偏磁磁通来产生静态承载力，由径向控制线圈与轴向控制线圈提供控制磁通来产生动态悬浮力，克服外界扰动力或负载力，使转子在径向－轴向三自由度悬浮于平衡位置。由轴向线性功放，径向CRPWM电流跟踪型逆变器构成功率放大电路，采用电涡流位移传感器检测转子三自由度位移反馈至DSP控制器，由DSP进行PID运算和处理(径向需2/3变换)、给功率放大电路提供控制信号，控制信号经过功率放大器在磁轴承线圈中产生控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，实现高速转子的轴向与径向的稳定悬浮和实时控制。

Description

三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法

技术领域

本发明属于电气传动(机械传动)设备的技术领域，特指一种新型的三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法，适用于各类旋转机械的三自由度悬浮支承。

背景技术

自二十世纪七十年代磁轴承技术迅速发展以来，研究方向主要集中于采用直流信号同时提供静态偏磁磁通与控制磁通的主动型磁轴承，并集中于轴向单自由度与径向二自由度磁轴承的研究。而任一稳定的旋转系统均需要在其五自由度上施加约束。故通常均是采用两个二自由度径向磁轴承和一个轴向单自由度磁轴承来构成五自由度悬浮支承系统。一方面，径向二自由度磁轴承及轴向单自由度磁轴承均要占用较大的轴向空间，导致磁轴承支承的电机主轴轴向长度较长，体积较大；同时转子临界转速下降，电机或各类旋转主轴向更高转速和功率发展受到限制；另一方面，采用直流控制，直流功率放大器价格高，体积大，一个径向磁轴承通常需要四路功率放大电路，从而直接导致了功率放大器体积大，成本高，大大限制了磁轴承的应用领域，特别是在航空航天及军事应用领域。

在2000年第七届国际磁轴承会议上，瑞士苏黎士联邦工学院(ETHZ)的Redemann.C发表了关于30kW无轴承密封泵应用测试报告，研究了二自由度的交流混合磁轴承，该磁轴承直接采用工业上通用的三相逆变器提供控制电流，并采用永磁体提供静态偏磁磁场，大大减小了其功率放大器体积、降低了损耗和生产成本，但还是要与一个轴向主动磁轴承才能实现三自由度的悬浮支承，依然没能在整体系统轴向结构紧凑方面及转子临界转速提高方面取得进步。

为了从结构上来减小磁轴承轴向和径向尺寸，真正减小功率放大器体积、降低功率损耗，从而降低磁轴承的生产成本，提高磁轴承的工作性能，扩大磁轴承的应用领域，需采用一些新的机械结构和磁路结构，新的驱动和控制方法。如研制集径向-轴向控制于一体的结构更加紧凑，控制及功率放大器更加精简的三自由度混合磁轴承。

国内外没有相关的专利和文献。

发明内容

本发明的目的是提出结构紧凑，功率放大电路体积小、效率高、轴承承载力大，同时控制径向-轴向三自由度的永磁偏磁交直流混合磁轴承及其控制方法，从而减小电主轴或各种需要悬浮支承旋转主轴的轴向尺寸，以使得系统的临界转速得到进一步提高，并大大减小功率放大器的体积与成本，使得此类磁轴承能在超高速超精密数控机床、磁悬浮无轴承电机、飞轮储能系统及人造卫星等悬浮支承系统中得到广泛应用。

本发明的方案是：首先构建全新的三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承结构与磁路，根据等效磁路法构建三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承的数学模型。再由此数学模型对磁轴承的结构参数与电气参数进行公式化推算，依据此公式设计出一系列的满足实际应用要求的磁轴承。最后，依据数学模型，依据各实际参数，采用不完全微分和积分分离的PID控制方法或模糊PID控制策略，构建出双闭环控制系统与功率放大电路。

具体方案是：

采取由一个环形永磁体同时提供轴向和径向静态偏磁磁通，由转子、轴向定子、三个磁极对称布置的径向定子、环形永磁体及线圈构成三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承；其轴向采用直流功放提供控制电流；径向采用三相逆变器提供控制电流；采用DSP数字控制器同时对轴向与径向位移进行实时控制；由高分辨率的电涡流传感器对转子轴向和径向位置进行检测，传感器输出位移信号至DSP系统，线性闭环控制器对其与参考平衡位置信号进行比较，并采用不完全微分和积分分离的PID或模糊PID位置控制器进行控制，输出控制信号，实现三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承闭环控制。

其中线性闭环控制器、2/3变换、线性功放、CRPWM电流跟踪型逆变器、位移传感器、三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承组成闭环控制系统；三路电涡流传感器将磁轴承三个自由度x，y，z方向的位移信号反馈至线性闭环控制器，经过位移控制器，输出轴向控制信号，轴向控制信号经线性功放将轴向控制信号转换成轴向控制电流，控制电流在轴向执行磁铁中产生磁力，从而使转子轴向维持其悬浮的中间位置不变；经过位移控制器输出的径向控制信号，经过2/3变换后，提供给CRPWM电流跟踪型逆变器控制电流信号，经过CRPWM电流跟踪型逆变器转换成三相控制电流，三相控制电流在径向执行磁铁中产生磁力，从而使转子径向维持其悬浮的中间位置不变；DSP控制器通过软件编程实现对电涡流传感器信号的采集、线性闭环控制器或2/3变换的运算处理，并输出相应控制信号，实现三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承闭环控制。

其中上述转子由圆形硅钢片叠压套在转轴上，轴向定子由两个圆盘加一个圆环体联接而成，轴向定子与转子的之间气隙构成轴向气隙；径向定子处于轴向定子中间，径向定子有周向均匀分布的三个磁极，径向充磁永磁体环套在径向定子上，三个径向磁极与转子表面之间气隙构成三个径向气隙，轴向控制线圈紧挨轴向定子盘，置于内侧；三个径向控制线圈固定在径向定子三个磁极上，径向和轴向磁路分别经过相应定子、气隙和转子构成了完整的磁通回路。

也可以采取轴向控制磁路与径向控制磁路各居一侧，转子的形状为带轴向吸力盘的回转体，两片轴向定子安装于轴向吸力盘两侧，与轴向吸力盘两个侧面之间的间隙构成轴向气隙；径向定子与环形永久磁铁及轴向定子紧密连接，固定在磁轴承的外壳内，其三个径向磁极与转子表面之间的间隙构成三个径向气隙。轴向充磁永磁体置于径向定子与轴向定子之间，轴向控制线圈(带绕线架)置于两片轴向定子之间。三个径向控制线圈固定在径向定子三磁极上。

本发明的原理是通过构造一种全新的磁路与机械结构，使磁轴承径向与轴向可以毫无耦合地共用永磁体提供的静态偏磁磁通，从而集成了轴向自由度与径向自由度的联合控制，缩短了转子轴向长度和磁轴承的体积，相比于二自由度磁轴承与单自由度磁轴承的组合大大减小了磁轴承轴向占用的空间尺寸；同时采用三相逆变器对径向磁轴承提供控制电流，减少了功率放大器的数量，控制简单，降低了制造与运行成本。

本发明的优点在于：

1.巧妙地实现了径向-轴向三自由度联合控制。相比于二自由度径向磁轴承与单自由度轴向磁轴承的给合，在相同功率或支承力下，大大缩小了轴向的长度；或使得相同体积下系统功率可以做得更高，悬浮力可以做得更大。

2.径向二自由度只采用一个三相功率逆变器进行驱动控制，相比于常规的径向二自由度磁轴承需4路功率放大电路，大大减小了体积，降低了成本，降低了功率损耗，并且控制更加简化，三相逆变器采用DSP处理器进行控制，使得只需通过软件的编程与移植就可轻松地将工业上通用变频器用于磁轴承功率放大器。

3.轴向与径向共用一个DSP控制器。因为DSP具有极高的运算能力与丰富的接口资源，TMS320LF2407单条指令执行周期只需33ns，故足够同时对轴向与径向进行控制。

4.采用软件与硬件相结合组成闭环控制系统。DSP只需依据位置偏移量提供控制电流信号而进行位移闭环控制，由硬件滞环比较器与三相逆变器构成电流跟踪型逆变器，进行电流闭环控制。

附图说明

图1是实施例1的三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承机械结构三维结构示意图，由转子(11)，轴向定子(12)、带三个磁极的径向定子(13)，径向控制线圈(14)，轴向控制线圈(15)，径向充磁永磁体(16)，转轴(3)等构成。

图2和图3是实施例1的结构示意图，图2是图3中D-D剖面的左视图。图2和图3中带箭头的实线表示永磁体产生的静态偏磁磁场，它从永磁体(16)的N极出发，经过轴向定子(12)、轴向气隙、转子(11)、径向气隙、径向定子(13)、最后回到永磁体(16)的S极；带箭头(控制磁通箭头方向由控制电流方向按右手定则确定)的虚线表示的是控制磁通，轴向控制磁通在轴向定子(12)、轴向气隙与转子(11)内构成回路；径向控制磁通在径向定子(13)、径向气隙与转子(11)间形成回路。

图4和图5是实施例2的结构示意图，图4是图5中E-E剖面的左视图。图中带箭头的实线表示永磁体产生的静态偏磁磁场，它从永磁体(26)的N极出发，经过轴向定子(22)、轴向气隙、转子(21)、径向气隙、径向定子(23)、最后回到永磁体(26)的S极；带箭头(控制磁通箭头方向由控制电流方向按右手定则确定)的虚线表示的是控制磁通，轴向控制磁通在轴向定子(22)、轴向气隙与转子(21)内构成回路；径向控制磁通在径向定子(23)、径向气隙与转子(21)间形成回路。相对于例1的结构不同点在于将轴向磁通与径向磁通各居一端，虽然轴向尺寸有所加长，但径向控制线圈(24)不受轴向结构约束，可满足径向大悬浮力要求。

图6是三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承控制系统框图。主要由磁轴承(9)，位移传感器(5)，线性闭环控制器(4)，轴向线性功放(6)，2/3变换(7)，径向CRPWM电流跟踪型逆变器(8)构成。由位移传感器(5)对转子位置进行检测，与给定的参考位置信号进行比较并在DSP内部通过软件编程实现PID控制。

图7是采用DSP作为三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承的控制器CPU的本发明装置控制系统硬件组成示意图。其中有DSP控制器10。DSP控制器(10)通过软件编程实现对电涡流传感器(51、52、53)信号的采集、线性闭环控制器(4)或2/3变换变换(7)的运算处理，并输出相应控制信号。

图8是采用DSP控制器10的实现本发明的系统软件框图。软件由主程序和子程序构成，采用定时中断服务对位移传感器信号(51、52、53)检测、位置控制器(41、42、43)运算、2/3变换(7)和运算结果进行数据转换等。

具体实施方式

本发明具体实施分以下5步：

1.机械结构。三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承磁路由一块永磁体同时提供轴向与径向偏磁磁通，永磁材料采用高性能稀土材料钕铁硼，分割成6块，便于永磁体的加工，再拼接成一整圆环形永磁体；轴向控制磁通由轴向控制线圈通以轴向控制直流电来产生，线圈安匝数要根据实际要求承受的负载能力来进行确定；径向控制磁通由径向三相线圈通以三相交流电来产生。根据磁回路要求，构造总体的机械结构与零部件结构。磁路部件要求导磁性能好，尽量考虑降低涡流损耗与磁滞损耗，由此确定出转子与径向定子采用硅钢片叠压而成，而轴向定子则采用电工纯铁加工而成。径向定子三个磁极要沿圆周位置均匀布置。

如图2和图3所示，实施例1的转子(11)由圆形硅钢片叠压套在转轴(3)上，轴向定子(12)由两个圆盘加一个圆环体联接而成，轴向定子(12)与转子(11)之间间隙构成轴向气隙；径向定子(13)有周向均匀分布的三个磁极，径向充磁永磁体(16)环套在径向定子(13)上，三个径向磁极与转子(11)表面之间间隙构成三个径向气隙。轴向控制线圈(15)(带绕线架)紧挨轴向定子盘，由左右两个线圈串联，置于内侧；三个径向控制线圈(14)固定在径向定子三个磁极上，最终组成三自由度磁轴承装配图(图3)。径向和轴向磁路分别经过相应定子、气隙和转子(11)构成了完整的磁通回路。在轴向气隙与径向气隙处永磁偏磁磁通与控制磁通的合成磁通变化能改变径向或轴向的悬浮力大小。径向定子(13)处于轴向定子(12)中间，充分利用了轴向定子(12)的内部空间来放置径向控制线圈(14)和轴向控制线圈(15)，使得磁轴承轴向体积非常紧凑。

如图4和图5所示，实施例2的转子(21)的形状为带轴向吸力盘的回转体，两片轴向定子(22)安装于轴向吸力盘两侧，与轴向吸力盘两个侧面之间气隙构成轴向气隙；径向定子(23)与环形永久磁铁(26)及轴向定子(22)紧密连接，固定在磁轴承的外壳内，其三个径向磁极与转子(21)表面之间气隙构成三个径向气隙。轴向充磁永磁体(26)置于径向定子(23)与轴向定子(22)之间，同时提供轴向偏磁磁通及径向偏磁磁通。轴向控制线圈(带绕线架)(25)置于两片轴向定子(22)之间。三个径向控制线圈(24)固定在径向定子(23)三磁极上。最终构成三自由度交直流径向-轴向磁轴承装配图(图5)。径向和轴向磁路分别经过相应定子、气隙和转子(21)构成了完整的磁通回路。在轴向气隙与径向气隙处永磁偏磁磁通与控制磁通的合成磁通变化能改变径向或轴向的悬浮力大小。轴向控制磁路与径向控制磁路各居一端，可减小径向-轴向的相互干扰，并使得径向线圈不受空间限制，可根据实际需要增大径向可控悬浮力。

2.位移检测。采用电涡流传感器对轴向与径向位移进行检测。轴向采用一个电涡流传感器，而径向采用四个电涡流传感器在x方向与y方向分别进行差动式检测，以获得精准的位置信号，并经线性变换后使其在DSP的A/D输入信号范围之内，由DSP内置采样/保持电路对其进行信号采集处理。

3.轴向功放。采用传统的模拟线性功放，具有响应速度快，结构简单等特点。由DSP输出的控制信号直接作为线性功率放大器驱动信号，经放大产生控制电流，控制电流在执行磁铁中产生主动磁悬浮力来使转子保持在轴向平衡位置。

4.径向功放。采用CRPWM电流跟踪型逆变器，其中主电路采用智能功率模块IPM。电涡流传感器将径向二个自由度x，y方向的位移信号反馈至线性闭环控制器，经过PID位移控制器运算和处理，经过2/3变换后，输出径向控制信号，提供给CRPWM电流跟踪型逆变器控制信号，经过CRPWM电流跟踪型逆变器转换成三相控制电流，三相控制电流在径向执行磁铁中产生磁力，从而使转子径向维持其悬浮的中间位置不变。

5.构建控制系统。线性闭环控制器、线性功放、CRPWM电流跟踪型逆变器、位移传感器、2/3变换、三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承构成闭环控制系统。三路电涡流传感器将磁轴承三个自由度x，y，z方向的位移信号反馈至线性闭环控制器，经过位移控制器运算和处理，输出轴向控制信号，轴向控制信号经线性功放将轴向控制信号转换成轴向控制电流，控制电流在轴向执行磁铁中产生磁力，从而使转子轴向维持其悬浮的中间位置不变；经过位移控制器运算和处理，经过2/3变换后，输出的径向控制信号，提供给CRPWM电流跟踪型逆变器控制电流信号，经过CRPWM电流跟踪型逆变器转换成三相控制电流，三相控制电流在径向执行磁铁中产生磁力，从而使转子径向维持其悬浮的中间位置不变。采用TI公司的TMSLF2407DSP数字信号处理器作为DSP控制器的CPU。该款CPU具有运算速度快，单条指令只需33ns时间，自带有内置采样/保持电路的10位高速A/D转换器，PWM信号事件管理模块，能满足磁轴承控制要求。DSP控制器通过软件编程实现对电涡流传感器信号的采集、线性闭环控制器和2/3变换的运算处理，并输出相应控制信号，实现对三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承的闭环控制。位置控制器采用不完全微分和积分分离的PID控制算法或模糊PID控制算法等，本发明中PID传递函数：

$G_c\left(s\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{K_p(1+T_{d}S)}{(1+\mathrm{\ϵ}{T}_{d}S)}(1+\frac{1}{T_{i}S})& \left|e\right|\≤c\\ \frac{K_p(1+T_{d}S)}{(1+\mathrm{\ϵ}{T}_{d}S)}& \left|e\right|>c\end{array}\right.$

式中K_p——比例放大系数；

    T_i——积分时间常数；

    T_d——微分时间常数；

    ε——微分增益；

    e——输入静差；

    c——设定阀值。

PID位置控制器参数范围在K_p＝100，T_i＝0.02s，ε＝0.01，C＝0.65，T_d＝0.00045s的附近，通过调整DSP控制器中位置控制器PID的参数，实现磁轴承的三自由度稳定悬浮，获得优良的静态悬浮与动态悬浮性能指标。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (4)

1、三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承，其特征在于转子(11)由圆形硅钢片叠压套在转轴(3)上，轴向定子(12)由两个圆盘加一个圆环体联接而成，轴向定子(12)与转子(11)的之间气隙构成轴向气隙；径向定子(13)处于轴向定子(12)中间，径向定子(13)有周向均匀分布的三个磁极，径向充磁永磁体(16)环套在径向定子(13)上，三个径向磁极与转子(11)表面之间的气隙构成三个径向气隙，轴向控制线圈(15)紧挨轴向定子盘，置于内侧；三个径向控制线圈(14)固定在径向定子三个磁极上，径向和轴向磁路分别经过相应定子、气隙和转子(11)构成了完整的磁通回路。

2、三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承，其特征在于轴向控制磁路与径向控制磁路各居一侧，转子(21)的形状为带轴向吸力盘的回转体，两片轴向定子(22)安装于轴向吸力盘两侧，与轴向吸力盘两个侧面之间的间隙构成轴向气隙；径向定子(23)与环形永久磁铁(26)及轴向定子(22)紧密连接，固定在磁轴承的外壳内，其三个径向磁极与转子(21)表面之间的气隙构成三个径向气隙。轴向充磁永磁体(26)置于径向定子(23)与轴向定子(22)之间，轴向控制线圈(带绕线架)(25)置于两片轴向定子(22)之间。三个径向控制线圈(24)固定在径向定子(23)三个磁极上。

3、根据权利要求1或2所述的三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承的控制方法，其特征在于采取由一个环形永磁体同时提供轴向和径向静态偏磁磁通，由转子，轴向定子，三个磁极对称分布的径向定子、环形永磁体及线圈等构成三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承；其轴向采用直流功放提供控制电流；径向采用三相逆变器提供控制电流；采用DSP数字控制器同时对轴向与径向位移进行实时控制；由高分辨率的电涡流传感器对转子轴向和径向位置进行检测，传感器输出位移信号至DSP系统，线性闭环控制器对其与参考平衡位置信号进行比较，并采用不完全微分和积分分离的PID或模糊PID位置控制器进行控制，输出控制信号，实现三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承闭环控制。

4.根据权利要求3所述的三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承的控制方法，其特征在于线性闭环控制器(4)、2/3变换(7)、线性功放(6)、CRPWM电流跟踪型逆变器(8)、三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承(9)、位移传感器(5)组成闭环控制系统；三路电涡流传感器(51，52，53)将磁轴承三个自由度x，y，z方向的位移信号反馈至线性闭环控制器(4)，经过位移控制器(41)，输出轴向控制信号i_z ^*，轴向控制信号i_z ^*，经线性功放(6)将轴向控制信号转换成轴向控制电流i_z，控制电流i_z在轴向执行电磁铁中产生磁力，从而使转子轴向维持其悬浮的中间位置不变；经过位移控制器(42，43)输出的径向控制信号f_y ^*和f_x ^*，经过2/3变换(7)后，提供给CRPWM电流跟踪型逆变器(8)控制电流信号i_u ^*、i_v ^*和i_w ^*，i_v ^*、i_v ^*和i_w ^*经过CRPWM电流跟踪型逆变器(8)转换成三相控制电流i_u、i_y和i_w，三相控制电流在径向执行电磁铁中产生磁力，从而使转子径向位置维持其悬浮的中间位置不变；DSP控制器(10)通过软件编程实现对电涡流传感器(51、52、53)信号的采集、线性闭环控制器(4)和2/3变换(7)的运算处理，并输出相应控制信号，实现三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承闭环控制。

Images