基於力控制的磁懸浮系統及控制方法
2023-05-15 10:01:26 2
專利名稱：基於力控制的磁懸浮系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及磁懸浮技術領域，具體涉及一種基於力控制的磁懸浮系統及其控制方法。
背景技術：
目前，在磁懸浮控制系統中主要通過控制轉子偏離其平衡位置的位移量，實現轉子無接觸狀態下的穩定懸浮，這種控制系統稱之為基於位移控制的磁懸浮系統。它的主要原理是通過傳感器檢測出轉子偏離參考點的位移後，控制器將檢測到的位移量變換成控制信號，然後功率放大器將這一控制信號轉換成控制電流，控制電流在執行電磁鐵中產生磁 力從而驅動轉子返回到原來的平衡位置，維持其穩定懸浮位置不變。目前基於位移控制的磁懸浮系統在各類高速旋轉機械中得到越來越廣泛的應用。它具有無直接接觸摩擦、無需潤滑和密封以及可以主動控制等優點，由於沒有機械摩擦和磨損，所以降低了工作能耗和噪聲，延長了軸承的使用壽命；動力損耗小，更適用於高速運轉場合；由於不需要潤滑系統，所以無汙染，可應用於真空超淨，腐蝕性介質以及極端溫度和壓力等特殊工作環境。然而，隨著精密轉子朝著高速度、高精度、自動化和智能化的方向發展，傳統基於位移控制的磁懸浮系統的性能已經不能滿足高速精密轉子的需求，基於位移控制的磁懸浮系統本質是不穩定系統，必須採取控制措施保證系統穩定，控制系統設計難度大。同時，基於位移控制的磁懸浮系統還有如下缺點第一，基於位移控制的磁懸浮系統在發生掉電時，轉子的突然墜落對轉子和磁力軸承產生很大的衝擊，對轉子和磁力軸承造成很大的破壞性，很可能給磁懸浮系統帶來致命的傷害。為了避免對磁懸浮系統造成傷害，必須提供附加保護軸承和掉電保護裝置。第二，基於位移控制的磁懸浮系統的位移傳感器不能直接安裝在磁力軸承位置上，因而不能直接測得磁力軸承處的位移，這不僅導致各傳感器信號之間的相互耦合，同時，造成機械結構和控制系統的複雜。第三，基於位移控制的磁懸浮系統的位移傳感器測量精度受制於軸加工表面的精度和軸的撓度。第四，基於位移控制的磁懸浮系統的磁力軸承的承載能力達不到高速轉子所需要求，承載力僅由磁力軸承提供，並且高剛度磁力軸承難於實現。第五，基於位移控制的磁懸浮系統在磁懸浮轉子穩定懸浮之前，物體上下浮動很不穩定，需要較大的懸浮力用來克服重力或者提供起浮力，進而需要給電磁鐵通以較大的電流，才能逐漸實現轉子的穩定懸浮，同時對控制系統要求較高。由於基於位移控制的磁懸浮系統具有上述缺點，這在很大程度上限制了高速精密轉子的發展，因此，現有技術還有待於改進和發展
發明內容
為了克服以上技術的不足，本發明所要解決的技術問題在於提供了一種基於力控制的磁懸浮系統及其控制方法，其能夠有效解決現有磁懸浮控制系統中的性能與設計上的不足之處。本發明解決其技術問題所採取的技術方案是一種基於力控制的磁懸浮系統，包括機械裝置和控制系統，其特徵在於所述機械裝置包括轉子、電磁力發生裝置和測力軸承，所述控制系統包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉子的兩端設置有測力軸承，所述電磁力發生裝置設置在轉子兩端的測力軸承之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端 連接，所述功率放大器的輸出端與電磁力發生裝置連接；其中，所述測力軸承用於檢測轉子作用在測力軸承上力的大小和方向，並將將檢測到的力信號發送給電壓放大器，所述電壓放大器將接收到的力信號進行放大變換為電壓信號後發送給控制器，所述控制器將電壓信號轉換成控制信號後發送給功率放大器，所述功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號並發送給電磁力發生裝置，所述電磁力發生裝置產生作用在轉子上的磁控制力，所述作用在轉子上的磁控制力與轉子作用在測力軸承上的力方向相反、大小相等。進一步地，所述電磁力發生裝置包括電機和兩個徑向磁力軸承，所述電機通過聯軸器與轉子一端連接，所述兩個徑向磁力軸承設置在轉子兩端的兩個測力軸承之間且分別與之對應。進一步地，所述電磁力發生裝置包括準懸浮電機，所述準懸浮電機設置在轉子中部。進一步地,所述電磁力發生裝置包括電機、兩個徑向磁力軸承和軸向磁力軸承,所述電機通過聯軸器與轉子一端連接，所述兩個徑向磁力軸承設置在轉子兩端的兩個測力軸承之間且分別與之對應，所述軸向磁力軸承對應設置在兩個徑向磁力軸承之間。進一步地，所述電磁力發生裝置包括準懸浮電機和軸向磁力軸承，所述準懸浮電機和軸向磁力軸承設置在轉子兩端的兩個測力軸承之間，且所述軸向磁力軸承位於準懸浮電機的一側。進一步地，所述測力軸承用以測量轉子作用在測力軸承上的徑向力，或者用以同時測量轉子作用在測力軸承上的徑向力和軸向力。進一步地，所述軸向磁力軸承包括兩個軸向定子和推力盤，所述推力盤固定在轉子上，所述兩個軸向定子設置在推力盤兩側。進一步地，所述準懸浮電機包括套置在轉子上的轉矩線圈繞組和準懸浮線圈繞組，所述轉矩線圈繞組產生實現轉子旋轉的電磁轉矩，所述準懸浮線圈繞組產生作用在轉子上的徑向電磁控制力。一種基於力控制的磁懸浮系統的控制方法，其特徵在於包括以下步驟A、通過測力軸承檢測出轉子作用在測力軸承上力的大小和方向；B、通過電壓放大器將檢測到的力信號放大變換為電壓信號；C、通過控制器將電壓信號轉換成控制信號；D、通過功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號，並反饋給電磁發生裝置；E、電磁發生裝置產生作用在轉子上的電磁控制力，所述作用在轉子上的磁控制力與轉子作用在測力軸承上的力方向相反、大小相等。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果該種基於力控制的磁懸浮系統性能穩定，控制器設計簡單；轉子與測力軸承處於準懸浮狀態，減摩能力可與位移控制磁懸浮軸承媲美，同樣具有少無摩擦，能耗低；可以直接測力，不受軸加工表面的精度和軸的撓度的影響，測量精度高，能夠保證控制精度；只需控制電流，無需偏置電流，電源簡單，成本低；取消了輔助軸承，結構簡化，又具有掉電時的自我保護作用；測力軸承不僅具有測力功能，而且還起到支撐轉子的軸承的作用，承載能力強、剛度高。
圖I是本發明的控制原理框圖；圖2是本發明實施例I的結構示意圖；圖3是本發明實施例2的結構示意圖；圖4是本發明實施例3的結構示意圖； 圖5是本發明實施例4的結構示意圖；圖中I、電機，2、聯軸器，3、測力軸承，4、徑向磁力軸承，5、轉子，6、準懸浮電機，7、軸向定子，8、推力盤。
具體實施例方式下面結合說明書附圖和實施例對本發明作進一步的描述如圖I至圖5所示，本發明的一種基於力控制的磁懸浮系統，包括機械裝置和控制系統，所述機械裝置包括轉子5、電磁力發生裝置和測力軸承3，所述控制系統包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉子5的兩端設置有測力軸承3，所述電磁力發生裝置設置在轉子兩端的測力軸承之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承3連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與電磁力發生裝置連接；其中，所述測力軸承3用於檢測轉子5作用在測力軸承上力的大小和方向，並將將檢測到的力信號發送給電壓放大器，所述電壓放大器將接收到的力信號進行放大變換為電壓信號後發送給控制器，所述控制器將電壓信號轉換成控制信號後發送給功率放大器，所述功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號並發送給電磁力發生裝置，所述電磁力發生裝置產生作用在轉子上的磁控制力，所述作用在轉子上的磁控制力與轉子作用在測力軸承上的力方向相反、大小相等。該種基於力控制的磁懸浮系統的控制方法，包括以下步驟A、通過測力軸承3檢測出轉子5作用在測力軸承3上力的大小和方向；B、通過電壓放大器將檢測到的力信號放大變換為電壓信號；C、通過控制器將電壓信號轉換成控制信號；D、通過功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號，並反饋給電磁發生裝置；E、電磁發生裝置產生作用在轉子5上的電磁控制力，所述作用在轉子5上的磁控制力與轉子作用在測力軸承3上的力方向相反、大小相等，用以抵消轉子作用在測力軸承上的力，從而使得轉子5作用在測力軸承上3的力接近於零，獲得轉子與測力軸承之間幾乎無摩擦的效果，維持轉子與測力軸承之間似接觸非接觸的狀態，從而實現轉子5的準懸浮。實施例I
如圖2所示，一種基於力控制的磁懸浮系統，它包括機械裝置和控制系統，所述機械裝置包括電機I、聯軸器2、測力軸承3、兩個徑向磁力軸承4和轉子5，所述控制系統包括電壓放大器、控制器和功率放大器。所述電機I通過聯軸器2與轉子5 —端連接，所述轉子5的兩端分別設置有測力軸承3，所述兩個徑向磁力軸承4設置在兩個測力軸承3之間且分別與之對應；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與徑向磁力軸承4連接。其中，所述徑向磁力軸承4採用差動方式連接。一方面，所述測力軸承3隻測量轉子5作用在測力軸承3上的徑向力。另一方面，所述測力軸承3能夠取代傳統保護軸承，起到支承轉子5的軸承的作用，並且與將力信號轉換為電壓信號的電壓放大器連接。 該實施例的實現方式是所述測力軸承3用以檢測轉子5作用在其上力的大小和方向，並將檢測到的力信號發送給電壓放大器，所述電壓放大器將接收到的力信號進行放大變換為電壓信號後發送給控制器，所述控制器將電壓信號轉換成控制信號後發送給功率放大器，所述功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號並發送給電磁力發生裝置差動徑向磁力軸承4，徑向磁力軸承4產生作用在轉子5上的磁控制力，且該控制力與轉子5作用在測力軸承3上的力的方向相反、大小相等,從而使得轉子5作用在測力軸承3上的力接近於零，根據公式F= μ N (F表示轉子與力傳感器之間的摩擦力，μ表示摩擦係數,N表示轉子作用在力傳感器上的壓力)，得到轉子5與測力軸承3之間的摩擦力接近為零，獲得轉子5與測力軸承3之間幾乎無摩擦的效果，維持轉子5與測力軸承3之間似接觸非接觸的狀態，實現轉子5的準懸浮。實施例2如圖3所示，一種基於力控制的磁懸浮系統，包括機械裝置和控制系統，所述機械裝置包括轉子5、準懸浮電機6和測力軸承3，所述控制系統包括電壓放大器、控制器和功率放大器。所述轉子5的兩端分別設置有測力軸承3，所述準懸浮電機6設置在兩個測力軸承3之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與準懸浮電機連接；其中，所述準懸浮電機包括套置在轉子上的轉矩線圈繞組和準懸浮線圈繞組，所述轉矩線圈繞組產生實現轉子旋轉的電磁轉矩，所述準懸浮線圈繞組產生作用在轉子上的徑向電磁控制力。一方面，所述測力軸承3隻測量轉子5作用在測力軸承3上的徑向力。另一方面，所述測力軸承3能夠取代傳統保護軸承，起到支承轉子5的軸承的作用，並且與將力信號轉換為電壓信號的電壓放大器連接。該實施例的實現方式是所述測力軸承3用以檢測轉子5作用在其上力的大小和方向，並將將檢測到的力信號發送給電壓放大器，所述電壓放大器將接收到的力信號進行放大變換為電壓信號後發送給控制器，所述控制器將電壓信號轉換成控制信號後發送給功率放大器，所述功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號並發送給準懸浮電機6，所述準懸浮電機6 —方面通過轉矩繞組產生電磁轉矩實現轉子的旋轉，另一方面將所得控制電流信息反饋給準懸浮繞組使其產生作用在轉子5上的磁控制力，且該控制力與轉子5作用在測力軸承3上力的方向相反、大小相等,從而使轉子5作用在測力軸承3上的力接近於零，根據公式F= μ N (F表示轉子與力傳感器之間的摩擦力，μ表示摩擦係數，N表示轉子作用在力傳感器上的壓力)，得到轉子5與測力軸承3之間的摩擦力為零，獲得轉子5與測力軸承3之間幾乎無摩擦的效果，維持轉子5與測力軸承3之間似接觸非接觸的狀態，實現轉子5的準懸浮。實施例3如圖4所示，一種基於力控制的磁懸浮系統，包括機械裝置和控制系統，所述機械裝置包括電機I、聯軸器2、測力軸承3、兩個徑向磁力軸承4、轉子5和軸向磁力軸承，所述控制系統包括電壓放大器、控制器和功率放大器。所述電機I通過聯軸器2與轉子5 —端連接，所述轉子5的兩端分別設置有測力軸承3，所述兩個徑向磁力軸承4設置在兩個測力軸承之間且分別與之對應，所述軸向磁力軸承對應設置在兩個徑向磁力軸承4之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端分別與徑向磁力軸承4和軸向磁力軸承連接。其中，所述徑向磁力軸承4採用差動方式連接；所述軸向磁力軸承採用差動方式連接，包括兩個軸向定子7和推力盤8，所述推力盤8固定在轉子5上，所述兩個軸向定子7設置在推力盤8兩側。一方面,所述測力軸承3同時測量轉子5作用在測力軸承3上的徑向力和軸向力。另一方面，所述測力軸承3能夠取代傳統保護軸承，起到支承轉子5的軸承的作用，並且與將力信號轉換為電壓信號的電壓放大器連接。該實施例的實現方式是所述測力軸承3用以檢測轉子5作用在其上力的大小和方向，並將將檢測到的力信號發送給電壓放大器，所述電壓放大器將接收到的力信號進行放大變換為電壓信號後發送給控制器，所述控制器將電壓信號轉換成控制信號後發送給功率放大器，所述功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號並發送給差動徑向磁力軸承4和軸向磁力軸承，徑向磁力軸承4產生作用在轉子5上的徑向磁控制力,軸向磁力軸承產生作用在轉子5上的軸向磁控制力，徑向電磁控制力和軸向電磁控制力共同作用在轉子5上，使得該控制合力與轉子5作用在測力軸承3上力的方向相反、大小相等，從而使得轉子5作用在測力軸承3上的力接近於零，根據公式F = μ N(F表示轉子與力傳感器之間的摩擦力，μ表示摩擦係數，N表示轉子作用在力傳感器上的壓力)，得到轉子5與測力軸承3之間的摩擦力為零，獲得轉子5與測力軸承3之間幾乎無摩擦的效果，維持轉子5與軸承似接觸非接觸的狀態，實現轉子5的準懸浮。實施例4如圖5所示，一種基於力控制的磁懸浮系統，包括機械裝置和控制系統，所述機械裝置包括測力軸承3、轉子5、準懸浮電機6和軸向磁力軸承，所述控制系統包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉子5的兩端分別設置有測力軸承3，所述準懸浮電機6和軸向磁力軸承設置在兩個測力軸承之間，且所述軸向磁力軸承位於準懸浮電機的一側；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端分別與準懸浮電機6和軸向磁力軸承連接。其中，所述軸向磁力軸承採用差動方式連接，包括兩個軸向定子7和推力盤8，所述推力盤8固定在轉子5上，所述兩個軸向定子7設置在推力盤8兩側；所述準懸浮電機6包括套置在轉子上的轉矩線圈繞組和準懸浮線圈繞組，所述轉矩線圈繞組產生實現轉子、旋轉的電磁轉矩，所述準懸浮線圈繞組產生作用在轉子上的徑向電磁控制力。一方面，所述測力軸承3同時測量轉子5作用在測力軸承3上的徑向力和軸向力。另一方面，所述測力軸承3能夠取代傳統保護軸承，起到支承轉子5的軸承的作用，並且與將力信號轉換為電壓信號的電壓放大器連接。該實施例的實現方式是所述測力軸承3用以檢測轉子5作用在其上力的大小和方向，並將將檢測到的力信號發送給電壓放大器，所述電壓放大器將接收到的力信號進行放大變換為電壓信號後發送給控制器，所述控制器將電壓信號轉換成控制信號後發送給功率放大器，所述功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號並發送給準懸浮電機6和軸向磁力軸承，所述準懸浮電機6—方面通過轉矩繞組產生電磁轉矩實現轉子的旋轉，另一方面將所得控制電流信息反饋給準懸浮繞組使其產生作用在轉子5上的徑向磁控制力，軸向磁力軸承產生作用在轉子5上的軸向磁控制力，徑向電磁控制力和軸向電磁控制力共同作用在轉子5上，使得該控制合力與轉子5作用在測力軸承3上力的方向相反、大小相等，從而使得轉子5作用在測力軸承3上的力接近於零，根據公式F = μ N (F表示轉子與力傳感器之間的摩擦力，μ表示摩擦係數，N表示轉子作用在力傳感器上的壓力)，得到轉子5與測力軸承3之間的摩擦力為零，獲得轉子5與測力軸承3之間幾乎無摩擦的效果，維持轉子5與軸承似接觸非接觸的狀態，實現轉子5的準懸浮。以上所述，只是用圖解說明本發明的一些原理，本說明書並非是要將本發明局限在上述實施例所述的具體結構和適用範圍內，故凡是所有可能被利用的相應修改以及等同物，均屬於本發明所申請的專利範圍。
除說明書所述技術特徵外，其餘技術特徵均為本領域技術人員已知技術。
權利要求
1.一種基於力控制的磁懸浮系統，包括機械裝置和控制系統，其特徵在於所述機械裝置包括轉子、電磁力發生裝置和測力軸承，所述控制系統包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉子的兩端設置有測力軸承，所述電磁力發生裝置設置在轉子兩端的測力軸承之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與電磁力發生裝置連接；其中，所述測力軸承用於檢測轉子作用在測力軸承上力的大小和方向，並將將檢測到的力信號發送給電壓放大器，所述電壓放大器將接收到的力信號進行放大變換為電壓信號後發送給控制器，所述控制器將電壓信號轉換成控制信號後發送給功率放大器，所述功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號並發送給電磁力發生裝置，所述電磁力發生裝置產生作用在轉子上的磁控制力，所述作用在轉子上的磁控制力與轉子作用在測力軸承上的力方向相反、大小相等。
2.根據權利要求I所述的一種基於力控制的磁懸浮系統，其特徵在於所述電磁力發生裝置包括電機和兩個徑向磁力軸承，所述電機通過聯軸器與轉子一端連接，所述兩個徑向磁力軸承設置在轉子兩端的兩個測力軸承之間且分別與之對應。
3.根據權利要求I所述的一種基於力控制的磁懸浮系統，其特徵在於所述電磁力發生裝置包括準懸浮電機，所述準懸浮電機設置在轉子中部。
4.根據權利要求I所述的一種基於力控制的磁懸浮系統，其特徵在於所述電磁力發生裝置包括電機、兩個徑向磁力軸承和軸向磁力軸承，所述電機通過聯軸器與轉子一端連接，所述兩個徑向磁力軸承設置在轉子兩端的兩個測力軸承之間且分別與之對應，所述軸向磁力軸承對應設置在兩個徑向磁力軸承之間。
5.根據權利要求I所述的一種基於力控制的磁懸浮系統，其特徵在於所述電磁力發生裝置包括準懸浮電機和軸向磁力軸承，所述準懸浮電機和軸向磁力軸承設置在轉子兩端的兩個測力軸承之間，且所述軸向磁力軸承位於準懸浮電機的一側。
6.根據權利要求2或3所述的一種基於力控制的磁懸浮系統，其特徵在於所述測力軸承用以測量轉子作用在測力軸承上的徑向力。
7.根據權利要求4或5所述的一種基於力控制的磁懸浮系統，其特徵在於所述測力軸承用以測量轉子作用在測力軸承上的徑向力和軸向力。
8.根據權利要求4或5所述的一種基於力控制的磁懸浮系統,其特徵在於所述軸向磁力軸承包括兩個軸向定子和推力盤，所述推力盤固定在轉子上，所述兩個軸向定子設置在推力盤兩側。
9.根據權利要求3或5所述的一種基於力控制的磁懸浮系統，其特徵在於所述準懸浮電機包括套置在轉子上的轉矩線圈繞組和準懸浮線圈繞組，所述轉矩線圈繞組產生實現轉子旋轉的電磁轉矩，所述準懸浮線圈繞組產生作用在轉子上的徑向電磁控制力。
10.一種基於力控制的磁懸浮系統的控制方法，其特徵在於包括以下步驟 A、通過測力軸承檢測出轉子作用在測力軸承上力的大小和方向； B、通過電壓放大器將檢測到的力信號放大變換為電壓信號； C、通過控制器將電壓信號轉換成控制信號； D、通過功率放大器將控制信號轉換成控制電流信號，並反饋給電磁發生裝置； E、電磁發生裝置產生作用在轉子上的電磁控制力，所述作用在轉子上的磁控制力與轉子作用在測力軸承上的力方向相反、大小相等 。
全文摘要
本發明公開了一種基於力控制的磁懸浮系統及控制方法，它包括機械裝置和控制系統，所述機械裝置包括轉子、電磁力發生裝置和測力軸承，所述控制系統包括電壓放大器、控制器和功率放大器；所述轉子的兩端設置有測力軸承，所述電磁力發生裝置設置在轉子兩端的測力軸承之間；所述電壓放大器的輸入端與測力軸承連接，輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，所述功率放大器的輸出端與電磁力發生裝置連接。本發明採用力控制方法代替位移控制方法，實現了轉子的準懸浮，減少了電路系統的複雜性，結構簡單，操作靈活，實施方便，適宜推廣應用。
文檔編號H02N15/00GK102664566SQ20121014635
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月12日 優先權日2012年5月12日
發明者馮會民, 吳長忠, 宋方臻, 宋波, 鄧良, 門秀花 申請人:濟南大學