一種實現五自由度磁懸浮系統軸向磁軸承低功耗懸浮的方法

2023-05-26 22:00:26

專利名稱：一種實現五自由度磁懸浮系統軸向磁軸承低功耗懸浮的方法
技術領域：
本發明涉及的一種實現五自由度磁懸浮系統軸向磁軸承低功耗 懸浮的方法，屬五自由度磁懸浮軸承系統控制的方法。
背景技術：
目前，五自由度磁懸浮軸承系統均採用兩個徑向磁懸浮軸承加 一個軸向磁懸浮軸承或一個軸向_徑向磁懸浮軸承加一個徑向磁懸浮 軸承結構，提供一個軸向和四個徑向的磁懸浮力，使轉子在懸浮運行 時，穩定懸浮在平衡位置。
磁懸浮軸承按照磁場建立方式的不同可分為主動型、被動型和混 合型三種類型。
主動型磁懸浮軸承由通入直流電的偏磁繞組在氣隙中建立偏置 磁場，由通入大小和方向都受到實時控制的交變電流的控制繞組來在 氣隙中建立控制磁場，這兩個磁場在氣隙中的疊加和抵消產生了大小 和方向都可以主動控制的磁場吸力，從而實現了轉子的穩定懸浮，這 種類型的磁懸浮軸承剛度大，可以精密控制，但產生單位承載力所需 的體積、重量和功耗也都比較大。
被動型磁懸浮軸承利用磁性材料之間的吸力或斥力來實現轉子 的懸浮，所需控制器簡單，功耗小，但剛度和阻尼也都比較小。混合型磁懸浮軸承結合了主動型磁懸浮軸承和被動型磁懸浮軸 承的特點，採用永磁材料替代偏磁線圈來產生所需的偏置磁場，因此 電磁線圈匝數比主動型磁懸浮軸承少得多，較大程度地降低了磁懸浮 軸承的功率損耗，減小了產生單位承載力所需的體積和重量，以上特 點使其在對體積和功耗有著嚴格要求的領域有著不可替代的優勢。 對於軸向採用上述混合型磁懸浮軸承的五自由度磁懸浮系統，
在其軸向自由度PID控制框圖中(即PID調節器和磁軸承軸向自由度 數學模型組成的反饋系統框圖)，控制電流由反饋誤差信號經過PID 調節器產生，位移偏差過大會引起誤差信號過大，從而使控制電流飽 和。

發明內容
本發明提供一種實現五自由度磁懸浮系統軸向磁軸承低功耗懸 浮的方法，實現五自由度磁懸浮系統軸向上的低功耗。
本發明採用如下技術方案
永磁偏置軸向磁軸承中的控制線圈根據低功耗位移補償算法產 生相應的控制電流，根據軸向所受外力的大小，自適應調節轉子軸向 的平衡位置，使轉子實時懸浮所在位置是磁軸承軸向功率放大器輸出 功率最小的位置，軸向外力由永磁偏置軸向磁軸承的環型永磁體產生 的磁力抵消，實現軸向上的低功耗。本方法包括以下步驟
(1 )將永磁偏置軸向磁軸承傳感器輸出的轉子反饋位移信號 x ，控制器中給定轉子的懸浮位置即參考位置w以及低功耗位移補償 算法模塊輸出的補償位移信號疊加得到誤差信號
(2)將誤差信號e加入PID調節器，得到控制電流、，控制電流
^的離散形式表達式為zm=^e +^|>,+^(en-U式中的&、 ~、 &
分別是PID調節器的比例、積分、微分係數；
(3 )將控制電流/m通過功率電路放大輸入到永磁偏置軸向磁軸
承；
(4) 同時控制電流、作為反饋信號，與第一級存儲單元輸出的 前一時刻的位移補償信號r。、和第二級存儲單元輸出的再前一時刻的 位移補償信號^一起加到低功耗位移補償模塊中，利用該模塊的算法 得到位移補償信號y
r = —gzm^+(i+2g/m^>。—g!;^z/。。
式中的s是收斂係數，取值範圍0.00001 0.01; ^、 ~、 ^分別是PID 調節器的比例、積分、微分係數；
(5) 由低功耗位移補償算法模塊得到當前時刻的補償位移信號 r"後，將該低功耗位移補償算法模塊輸出的補償位移信號r。與控制器
給定轉子的懸浮位置即參考位置w 、永磁偏置軸向磁軸承傳感器輸出 的轉子反饋位移信號;c疊加產生誤差信號e ，同時將補償位移信號r 放
入第一級存儲單元，作為下一時刻輸出的位移補償信號r。，將補償位
移信號r。放入第二級存儲單元，作為下一時刻的第二級存儲單元輸出
6的補償位移信號^，控制電流^、補償位移信號r。、補償位移信號^作
為下一時刻低功耗補償模塊的輸入，使整個控制流程循環運行。
與現有技術相比，本發明具有以下優點軸向外力由永磁偏置軸 向磁軸承的環型永磁體產生磁力來平衡，控制電流始終收斂到零，而 改變的補償信號相當於實時調節平衡位置，使轉子在軸向總是平衡懸 浮在使它輸出控制電流最小的位置，使整個系統功耗小，易於實現。


圖1是永磁偏置軸向磁軸承控制線圈控制電路圖
圖2是永磁偏置軸向磁軸承控制線圈電流低功耗位移補償算法 控制框圖
具體實施例方式
永磁偏置軸向磁軸承控制線圈控制電路部分如圖1所示，包括信
號調理電路、功率電路和控制器。信號調理電路將轉子軸向的位移信
號經過變化轉化為控制器可接收的電壓信號，功率電路為永磁偏置軸
向磁軸承的軸向控制線圈提供電流，控制器接收軸向位置信號，採用
低功耗位移補償算法，產生相應的控制信號控制功率電路。
永磁偏置軸向磁軸承控制線圈實現軸向低功耗懸浮實現方法如 下永磁偏置軸向磁軸承控制線圈電流低功耗位移補償算法控制框圖 如圖2所示，低功耗磁軸承軸向自由度負反饋閉環控制系統包括控制 器中給定轉子的懸浮位置即參考位置、PID調節器、永磁偏置軸向磁
軸承、低功耗位移補償算法、 一級存儲單元和二級存儲單元。首先結合圖2介紹一下控制器中各模塊功能。其中給定轉子的懸 浮位置即參考位置^ ，表示控制器中人為設定的一個代表轉子最終懸 浮位置的信號量，與轉子反饋位移信號x以及低功耗位移補償算法模 塊輸出的補償位移信號、疊加得到誤差信號"e = w + r -x; PID調節 器將誤差信號e作為輸入信號，進行比例、積分、微分運算，得到控 制電流/m ,控制電流的離散形式表達式為
^=&￡ +&|>,+&(&-Vl)，式中的&、 &、 ^分別是PID調節器的
比例、積分、微分係數；低功耗位移補償算法模塊是以r。、 ^、 l為 輸入，採用低功耗位移補償算法得到補償位移信號^ :
r = —"mA:P + (1 + 2g/mA:D>。 — g/ffl^/。。
式中的s是收斂係數，取值範圍0.00001-0.01，該值與永磁軸向偏置 磁軸承和PID調節器的參數有關，太大系統將不穩定，太小則收斂速
度慢， 一般取0.001;
下面結合圖2說明整個控制循環控制的詳細流程。在零時刻，即
通電一瞬間，圖2中的參考位置^和轉子反饋位移信號x有較大誤差， 且此時r。、 rw、；均為零(初始值為零，且通過低功耗位移補償算法 最終收斂到使控制電流"為零的值)，那麼得到誤差信號e，並經過 PID調節器得到零時刻的控制電流信號^，將此時的^、 r。、 ^作為 低功耗位移補償模塊的輸入，並得到零時刻的輸出&， 一方面將此得 到的^作為第二時刻的位移補償信號與參考位置^和轉子反饋位移 信號x疊加，得到第二時刻的誤差信號e，即&w"-x，並經過PID 調節器得到第二時刻的，另一方面如圖2，將此零時刻得到的^;送入第一存儲單元，作為第二時刻的&，而第二時刻的^仍為零，將所 有得到的第二時刻的^、 ~、 ^作為低功耗位移補償算法的輸入，可
以得到第二時刻的輸出；， 一方面將此得到的^;作為第三時刻的位移
補償信號與參考位置w和轉子反饋位移信號x疊加，得到第三時刻的 誤差信號"g卩e"r + ^-;c，並經過PID調節器得到第三時刻的。
另一方面如圖2，將第二時刻的r。送入第二存儲單位作為第三時刻的
^，而第二時刻得到的^;送入第一存儲單元作為第三時刻的r。，將所
有得到的第三時刻的^、 r。、 ^作為低功耗位移補償算法的輸入，可
以得到低功耗位移補償算法第三時刻的輸出。整個程序依照此流程 循環進行，最終使^;收斂於使控制電流、為零的值。
需要說明的是，對於目前已有的軸向採用永磁偏置磁軸承、徑向 採用被動懸浮結構的五自由度磁懸浮軸承系統，該方法同樣適用。
權利要求
1. 一種實現五自由度磁懸浮系統軸向磁軸承低功耗懸浮的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將永磁偏置軸向磁軸承傳感器輸出的轉子反饋位移信號x，控制器中給定轉子的懸浮位置即參考位置sr以及低功耗位移補償算法模塊輸出的補償位移信號rn疊加得到誤差信號e，e＝sr+rn-x；(2)將誤差信號e加入PID調節器，得到控制電流im，控制電流im的離散形式表達式為式中的kP、kI、kD分別是PID調節器的比例、積分、微分係數；(3)將控制電流im通過功率電路放大輸入到永磁偏置軸向磁軸承；(4)同時控制電流im作為反饋信號，與第一級存儲單元輸出的前一時刻的位移補償信號ro、和第二級存儲單元輸出的再前一時刻的位移補償信號roo一起加到低功耗位移補償模塊中，利用該模塊的算法得到位移補償信號rn式中的ε是收斂係數，取值範圍0.00001～0.01；kP、kI、kD分別是PID調節器的比例、積分、微分係數；(5)由低功耗位移補償算法模塊得到當前時刻的補償位移信號rn後，將該低功耗位移補償算法模塊輸出的補償位移信號rn與控制器給定轉子的懸浮位置即參考位置sr、永磁偏置軸向磁軸承傳感器輸出的轉子反饋位移信號x疊加產生誤差信號e，同時將補償位移信號rn放入第一級存儲單元，作為下一時刻輸出的位移補償信號ro，將補償位移信號ro放入第二級存儲單元，作為下一時刻的第二級存儲單元輸出的補償位移信號roo，控制電流im、補償位移信號ro、補償位移信號roo作為下一時刻低功耗補償模塊的輸入，使整個控制流程循環運行。
全文摘要
本發明公開了一種實現軸向磁軸承低功耗懸浮的方法，包括(1)將轉子反饋位移信號x，給定參考位置sr以及位移補償信號rn疊加得到誤差信號e；(2)將誤差信號e加入PID調節器，得到控制電流im；(3)將控制電流im放大並輸入到永磁偏置磁軸承；(4)同時im作為反饋信號，與兩級存儲單元輸出的前一時刻的位移補償信號ro、再前一時刻的位移補償信號roo加到低功耗位移補償模塊中，得到位移補償信號rn；(5)得到rn後，rn與sr、x疊加產生誤差信號e。同時rn放入存儲單元，作為下一時刻的ro，ro放入下一級存儲單元，作為下一時刻的roo。使整個控制流程循環運行。本發明將軸向控制線圈中的控制電流達到最小，實現低功耗。
文檔編號F16C32/04GK101440841SQ200810155228
公開日2009年5月27日 申請日期2008年10月22日 優先權日2008年10月22日
發明者磊 梅, 王曉剛, 趙旭升, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學