專利名稱：一種實現(xiàn)五自由度磁懸浮系統(tǒng)軸向磁軸承低功耗懸浮的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的一種實現(xiàn)五自由度磁懸浮系統(tǒng)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(tǒng)控制的方法。
背景技術(shù)：
目前，五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)均采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(jié)構(gòu)，提供一個軸向和四個徑向的磁懸浮力，使轉(zhuǎn)子在懸浮運行 時，穩(wěn)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(chǎn)生了大小 和方向都可以主動控制的磁場吸力，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，這 種類型的磁懸浮軸承剛度大，可以精密控制，但產(chǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)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?；旌闲痛艖腋≥S承結(jié)合了主動型磁懸浮軸承和被動型磁懸浮軸 承的特點，采用永磁材料替代偏磁線圈來產(chǎn)生所需的偏置磁場，因此 電磁線圈匝數(shù)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(chǎn)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(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢。 對于軸向采用上述混合型磁懸浮軸承的五自由度磁懸浮系統(tǒng)，
在其軸向自由度PID控制框圖中(即PID調(diào)節(jié)器和磁軸承軸向自由度 數(shù)學(xué)模型組成的反饋系統(tǒng)框圖)，控制電流由反饋誤差信號經(jīng)過PID 調(diào)節(jié)器產(chǎn)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種實現(xiàn)五自由度磁懸浮系統(tǒng)軸向磁軸承低功耗懸 浮的方法，實現(xiàn)五自由度磁懸浮系統(tǒng)軸向上的低功耗。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
永磁偏置軸向磁軸承中的控制線圈根據(jù)低功耗位移補償算法產(chǎn) 生相應(yīng)的控制電流，根據(jù)軸向所受外力的大小，自適應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子軸向 的平衡位置，使轉(zhuǎn)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(huán)型永磁體產(chǎn)生 的磁力抵消，實現(xiàn)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(zhuǎn)子反饋位移信號 x ，控制器中給定轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)；
(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^>?！猤!;^z/。。
式中的s是收斂系數(shù)，取值范圍0.00001 0.01; ^、 ~、 ^分別是PID 調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)；
(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"后，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(zhuǎn)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(zhuǎn)子反饋位移信號;c疊加產(chǎn)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(huán)運行。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點軸向外力由永磁偏置軸 向磁軸承的環(huán)型永磁體產(chǎn)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于實時調(diào)節(jié)平衡位置，使轉(zhuǎn)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(tǒng)功耗小，易于實現(xiàn)。
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(diào)理電路、功率電路和控制器。信號調(diào)理電路將轉(zhuǎn)子軸向的位移信
號經(jīng)過變化轉(zhuǎn)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，采用
低功耗位移補償算法，產(chǎn)生相應(yīng)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(xiàn)軸向低功耗懸浮實現(xiàn)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(huán)控制系統(tǒng)包括控制 器中給定轉(zhuǎn)子的懸浮位置即參考位置、PID調(diào)節(jié)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(jié)合圖2介紹一下控制器中各模塊功能。其中給定轉(zhuǎn)子的懸 浮位置即參考位置^ ，表示控制器中人為設(shè)定的一個代表轉(zhuǎn)子最終懸 浮位置的信號量，與轉(zhuǎn)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(diào)節(jié) 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(diào)節(jié)器的
比例、積分、微分系數(shù)；低功耗位移補償算法模塊是以r。、 ^、 l為 輸入，采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是收斂系數(shù)，取值范圍0.00001-0.01，該值與永磁軸向偏置 磁軸承和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)有關(guān)，太大系統(tǒng)將不穩(wěn)定，太小則收斂速
度慢， 一般取0.001;
下面結(jié)合圖2說明整個控制循環(huán)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(zhuǎn)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)，那么得到誤差信號e，并經(jīng)過 PID調(diào)節(jié)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，并得到零時刻的輸出&， 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(zhuǎn)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，并經(jīng)過PID 調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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，并經(jīng)過PID調(diào)節(jié)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(huán)進行，最終使^;收斂于使控制電流、為零的值。
需要說明的是，對于目前已有的軸向采用永磁偏置磁軸承、徑向 采用被動懸浮結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)，該方法同樣適用。
權(quán)利要求
1. 一種實現(xiàn)五自由度磁懸浮系統(tǒng)軸向磁軸承低功耗懸浮的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將永磁偏置軸向磁軸承傳感器輸出的轉(zhuǎn)子反饋位移信號x，控制器中給定轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)；(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是收斂系數(shù)，取值范圍0.00001～0.01；kP、kI、kD分別是PID調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)；(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后，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(zhuǎn)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(zhuǎn)子反饋位移信號x疊加產(chǎn)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(huán)運行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)軸向磁軸承低功耗懸浮的方法，包括(1)將轉(zhuǎn)子反饋位移信號x，給定參考位置sr以及位移補償信號r<sub>n</sub>疊加得到誤差信號e；(2)將誤差信號e加入PID調(diào)節(jié)器，得到控制電流i<sub>m</sub>；(3)將控制電流i<sub>m</sub>放大并輸入到永磁偏置磁軸承；(4)同時i<sub>m</sub>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r<sub>o</sub>、再前一時刻的位移補償信號r<sub>oo</sub>加到低功耗位移補償模塊中，得到位移補償信號r<sub>n</sub>；(5)得到r<sub>n</sub>后，r<sub>n</sub>與sr、x疊加產(chǎn)生誤差信號e。同時r<sub>n</sub>放入存儲單元，作為下一時刻的r<sub>o</sub>，r<sub>o</sub>放入下一級存儲單元，作為下一時刻的r<sub>oo</sub>。使整個控制流程循環(huán)運行。本發(fā)明將軸向控制線圈中的控制電流達到最小，實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2008年10月22日
發(fā)明者磊 梅, 王曉剛, 趙旭升, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學(xué)