本發(fā)明涉及磁軸承領(lǐng)域，尤其是一種八極徑向電磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

電磁懸浮軸承是通過電磁力使得軸承的轉(zhuǎn)子與定子處于相對懸浮狀態(tài)；因此，電磁懸浮軸承表現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：無需潤滑、無摩擦/無磨損、低噪聲、適用于高速和超高速運(yùn)行場合。磁懸浮軸承已經(jīng)在航空航天，精密儀器，高速高精密數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

電磁懸浮軸承主要分為三類：①被動(dòng)磁軸承②主動(dòng)磁軸承③混合磁軸承。電磁懸浮軸承的電磁控制部分，是通過改變各磁極的電流大小，來控制磁極變現(xiàn)的剛度和阻尼。進(jìn)而調(diào)整轉(zhuǎn)子的狀態(tài)。電磁懸浮軸承電控部分主要是通過傳統(tǒng)的PID控制。使得轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運(yùn)行。

電磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度檢測是大多數(shù)的都是通過電渦流位移傳感器和振動(dòng)速度傳感器來完成的，可以滿足檢測的要求。然而，昂貴的傳感器成本和復(fù)雜的安裝及布線，后期維護(hù)與校準(zhǔn)的困境在振動(dòng)位移檢測中提出更高的要求。隨著電磁懸浮軸承的自傳感方法和技術(shù)的應(yīng)用，從而彌補(bǔ)了電渦流位移傳感器和振動(dòng)速度傳感器給磁軸承系統(tǒng)所帶來的諸多缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有磁軸承的體積較大、安裝復(fù)雜、成本較高的不足，本發(fā)明提供一種減少體積、安裝簡易、成本較低的一種八極徑向電磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種八極徑向電磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)，包括八極徑向電磁懸浮軸承，所述八極徑向電磁懸浮軸承包括定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于定子的內(nèi)孔，所述定子由八個(gè)相互獨(dú)立的電磁鐵組成，八個(gè)電磁鐵相互隔磁并等圓弧間隔布置在同一安裝平面上，所述控制系統(tǒng)還包括用于檢測轉(zhuǎn)子位移的位移傳感器、用于檢測電磁鐵的電磁線圈內(nèi)電流的電流傳感器、磁軸承控制單元、光電耦合電路和功放電路，所述磁軸承控制單元包括磁軸承中央控制器、信號采集單元、自傳感估計(jì)器和控制信號發(fā)生器，所述電流傳感器與所述信號采集單元連接，所述信號采集單元與所述自傳感估計(jì)器連接，所述自傳感估計(jì)器與所述磁軸承中央控制器連接，所述磁軸承中央控制器與所述控制器信號發(fā)生器連接，所述控制信號發(fā)生器通過所述光電耦合電路與所述功放電路連接；

所述電流傳感器、功放電路均與八個(gè)電磁鐵的八對電磁線圈連接；所述轉(zhuǎn)子與所述位移傳感器信號連接，所述位移傳感器與所述磁軸承中央控制器連接。

進(jìn)一步，所述八極徑向電磁懸浮軸承為同極型八極徑向電磁懸浮軸承，同極型八極徑向電磁懸浮軸承的八個(gè)電磁鐵的同極性磁極在同一橫截面上徑向布置；

所述同極型八極徑向電磁懸浮軸承還包括軸承座，所述軸承座的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽，每個(gè)電磁鐵與每個(gè)電磁鐵安裝槽一一對應(yīng)，所述軸承座設(shè)置有兩個(gè)，分別為第一軸承座和第二軸承座，所述第二軸承座的電磁鐵安裝槽與所述第一軸承座的電磁鐵安裝槽一一對應(yīng)并形成電磁鐵安裝腔，所述電磁鐵位于所述電磁鐵安裝腔內(nèi)并與其過盈裝配，所述第二軸承座與所述第一軸承座固定在一起；所述第一軸承座的外側(cè)、第二軸承座的外側(cè)分別固定安裝有軸承端蓋；

所述第一軸承座的內(nèi)側(cè)上設(shè)有絕磁陽槽，所述第二軸承座的內(nèi)側(cè)上設(shè)有與絕磁陽槽相配合的絕磁陰槽；所述絕磁陽槽包括用于隔離第一軸承座上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凸起和位于該第一軸承座的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凸起，所述隔斷凸起與所述環(huán)形凸起的內(nèi)側(cè)連接；

所述絕磁陰槽包括用于隔離第二軸承座上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凹槽和位于該第二軸承座的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凹槽，所述隔斷凹槽與所述環(huán)形凹槽的內(nèi)側(cè)連接；

所述隔斷凸起卡接在所述隔斷凹槽內(nèi)，所述環(huán)形凸起卡接在所述環(huán)形凹槽內(nèi)。

進(jìn)一步，所述八極徑向電磁懸浮軸承為異極型八極徑向電磁懸浮軸承，異極型八極徑向電磁懸浮軸承的八個(gè)電磁鐵的磁極均在同一橫截面上徑向布置；

所述異極型八極徑向電磁懸浮軸承還包括軸承座和軸承端蓋，所述軸承端蓋設(shè)置有兩個(gè)分別為第一軸承端蓋和第二軸承端蓋；

所述軸承座的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽，每個(gè)電磁鐵與每個(gè)電磁鐵安裝槽一一對應(yīng)，第一軸承端蓋的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽，所述第一軸承端蓋上的電磁鐵安裝槽與所述軸承座的電磁鐵安裝槽一一對應(yīng)并形成電磁鐵安裝腔，所述電磁鐵位于所述電磁鐵安裝腔內(nèi)并與其過盈裝配，所述第一軸承端蓋與所軸承座固定在一起；所述軸承座的外側(cè)固定安裝有第二軸承端蓋；

所述軸承座的內(nèi)側(cè)上設(shè)有絕磁陰槽，所述第一軸承端蓋的內(nèi)側(cè)上設(shè)有與絕磁陰槽相配合的絕磁陽槽；所述絕磁陰槽包括用于隔離軸承座上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凹槽和位于該軸承座的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凹槽，所述隔斷凹槽與所述環(huán)形凹槽的內(nèi)側(cè)連接；

所述絕磁陽槽包括用于隔離第一軸承端蓋上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凸起和位于該第一軸承端蓋的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凸起，所述隔斷凸起與所述環(huán)形凸起的內(nèi)側(cè)連接；

所述隔斷凸起卡接在所述隔斷凹槽內(nèi)，所述環(huán)形凸起卡接在所述環(huán)形凹槽內(nèi)。

一種八極徑向電磁懸浮軸承的控制方法包括如下步驟：

當(dāng)轉(zhuǎn)子工作時(shí)受到外力作用，使得轉(zhuǎn)子偏離軸心的位置，位移傳感器就會(huì)檢測到轉(zhuǎn)子的位移信號，并將該位移信號傳輸給磁軸承中央控制器，通過磁軸承中央控制器中的非線性微分器得到轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度，然后磁軸承中央控制器基于模糊控制算法會(huì)輸出控制數(shù)據(jù)參數(shù)，控制數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸?shù)娇刂菩盘柊l(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的電流控制信號；控制信號發(fā)生器將電流控制信號通過光電耦合電路、功放電路分別控制八對電磁線圈中的電流，使其中四對電磁鐵產(chǎn)生控制力，另外四對電磁鐵產(chǎn)生阻尼力，從而使得轉(zhuǎn)子能夠被快速平衡；

與此同時(shí)，電流傳感器檢測到電磁鐵的電磁線圈內(nèi)電流信號，并將該電流信號依次做低通濾波、抗混疊濾波，接著再經(jīng)過信號采集單元進(jìn)行HHT變換，然后經(jīng)過自傳感估計(jì)器中的基于磁通變換的位移估計(jì)器，將振動(dòng)位移估計(jì)值送入磁軸承中央控制器，磁軸承中央控制器中對自傳感估計(jì)器測得的轉(zhuǎn)子位移與位移傳感器測得位移進(jìn)行比較，此時(shí)自傳感估計(jì)器獲得的位移信號，不參與控制，只是和位移傳感器獲得的位移信號進(jìn)行比較；當(dāng)兩者相同時(shí)，說明自傳感估計(jì)器可以很好的獲得轉(zhuǎn)子位移信號，此時(shí)位移傳感器可以停止工作，只需要電流傳感器直接檢測電磁線圈內(nèi)電流信號，然后通過信號采集單元和自傳感估計(jì)器估計(jì)出轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移，并且通過磁軸承中央控制器中的非線性微分器得到轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度，然后磁軸承中央控制器基于模糊控制算法會(huì)輸出控制數(shù)據(jù)參數(shù)，控制數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸?shù)娇刂菩盘柊l(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的電流控制信號；

控制信號發(fā)生器將位移信號、電流控制信號通過光電耦合電路、功放電路分別控制八對電磁線圈中的電流，使其中四對電磁鐵產(chǎn)生控制力，另外四對電磁鐵產(chǎn)生阻尼力，從而使得轉(zhuǎn)子能夠被快速平衡。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：減少體積、安裝簡易、成本較低。

附圖說明

圖1是一種八極徑向電磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是同極型八極徑向電磁懸浮軸承的爆炸圖。

圖3是同極型八極徑向電磁懸浮軸承的定子示意圖。

圖4是同極型八極徑向電磁懸浮軸承的第一軸承座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是同極型八極徑向電磁懸浮軸承的第二軸承座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是同極型八極徑向電磁懸浮軸承的定子與轉(zhuǎn)子裝配圖。

圖7是異極型八極徑向電磁懸浮軸承的爆炸圖。

圖8是異極型八極徑向電磁懸浮軸承的定子示意圖。

圖9是異極型八極徑向電磁懸浮軸承的軸承座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是異極型八極徑向電磁懸浮軸承的第一軸承端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是異極型八極徑向電磁懸浮軸承的定子與轉(zhuǎn)子裝配圖。

圖12是八相開關(guān)功放電路原理圖。

圖13是一種八極徑向電磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)的的控制原理框圖。

圖14是自傳感技術(shù)的原理圖。

圖15是八極徑向電磁懸浮軸承的八相電磁極標(biāo)示圖。

圖16是同極型八極徑向電磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的交叉模糊PID控制系統(tǒng)原理框圖。

圖17是異極型八極徑向電磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的交叉模糊PID控制系統(tǒng)原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖17，一種八極徑向電磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)，包括八極徑向電磁懸浮軸承，所述八極徑向電磁懸浮軸承包括定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于定子的內(nèi)孔，所述定子由八個(gè)相互獨(dú)立的電磁鐵組成，八個(gè)電磁鐵相互隔磁并等圓弧間隔布置在同一安裝平面上，所述控制系統(tǒng)還包括用于檢測轉(zhuǎn)子位移的位移傳感器、用于檢測電磁鐵的電磁線圈內(nèi)電流的電流傳感器、磁軸承控制單元、光電耦合電路和功放電路，所述磁軸承控制單元包括磁軸承中央控制器、信號采集單元、自傳感估計(jì)器和控制信號發(fā)生器，所述電流傳感器與所述信號采集單元連接，所述信號采集單元與所述自傳感估計(jì)器連接，所述自傳感估計(jì)器與所述磁軸承中央控制器連接，所述磁軸承中央控制器與所述控制器信號發(fā)生器連接，所述控制信號發(fā)生器通過所述光電耦合電路與所述功放電路連接；

所述電流傳感器、功放電路均與八個(gè)電磁鐵的八對電磁線圈電連接；所述轉(zhuǎn)子與所述位移傳感器信號連接，所述位移傳感器與所述磁軸承中央控制器連接。

進(jìn)一步，所述八極徑向電磁懸浮軸承為同極型八極徑向電磁懸浮軸承，同極型八極徑向電磁懸浮軸承的八個(gè)電磁鐵131的同極性磁極在同一橫截面上徑向布置；

所述同極型八極徑向電磁懸浮軸承還包括軸承座，所述軸承座的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽2，每個(gè)電磁鐵與每個(gè)電磁鐵安裝槽一一對應(yīng)，所述軸承座設(shè)置有兩個(gè)，分別為第一軸承座12和第二軸承座14，所述第二軸承座14的電磁鐵安裝槽與所述第一軸承座12的電磁鐵安裝槽一一對應(yīng)并形成電磁鐵安裝腔，所述電磁鐵131位于所述電磁鐵安裝腔內(nèi)并與其過盈裝配，所述第二軸承座14與所述第一軸承座12固定在一起；所述第一軸承座12的外側(cè)、第二軸承座14的外側(cè)分別固定安裝有軸承端蓋11；

所述第一軸承座12的內(nèi)側(cè)上設(shè)有絕磁陽槽121，所述第二軸承座14的內(nèi)側(cè)上設(shè)有與絕磁陽槽相配合的絕磁陰槽141；所述絕磁陽槽121包括用于隔離第一軸承座12上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凸起和位于該第一軸承座12的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凸起，所述隔斷凸起與所述環(huán)形凸起的內(nèi)側(cè)連接；

所述絕磁陰槽141包括用于隔離第二軸承座14上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凹槽和位于該第二軸承座14的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凹槽，所述隔斷凹槽與所述環(huán)形凹槽的內(nèi)側(cè)連接；

所述隔斷凸起卡接在所述隔斷凹槽內(nèi)，所述環(huán)形凸起卡接在所述環(huán)形凹槽內(nèi)。

進(jìn)一步，所述八極徑向電磁懸浮軸承為異極型八極徑向電磁懸浮軸承，異極型八極徑向電磁懸浮軸承的八個(gè)電磁鐵231的磁極均在同一橫截面上徑向布置；

所述異極型八極徑向電磁懸浮軸承還包括軸承座22和軸承端蓋，所述軸承端蓋設(shè)置有兩個(gè)分別為第一軸承端蓋24和第二軸承端蓋21；

所述軸承座22的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽3，每個(gè)電磁鐵與每個(gè)電磁鐵安裝槽一一對應(yīng)，第一軸承端蓋24的內(nèi)側(cè)內(nèi)孔上等圓弧設(shè)置有八個(gè)電磁鐵安裝槽，所述第一軸承端蓋24上的電磁鐵安裝槽與所述軸承座22的電磁鐵安裝槽一一對應(yīng)并形成電磁鐵安裝腔，所述電磁鐵231位于所述電磁鐵安裝腔內(nèi)并與其過盈裝配，所述第一軸承端蓋24與所軸承座22固定在一起；所述軸承座22的外側(cè)固定安裝有第二軸承端蓋21；

所述軸承座22的內(nèi)側(cè)上設(shè)有絕磁陰槽221，所述第一軸承端蓋24的內(nèi)側(cè)上設(shè)有與絕磁陰槽221相配合的絕磁陽槽241；所述絕磁陰槽221包括用于隔離軸承座22上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凹槽和位于該軸承座的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凹槽，所述隔斷凹槽與所述環(huán)形凹槽的內(nèi)側(cè)連接；

所述絕磁陽槽241包括用于隔離第一軸承端蓋24上的相鄰兩個(gè)電磁鐵安裝槽的隔斷凸起和位于該第一軸承端蓋24的八個(gè)電磁鐵安裝槽外一周的環(huán)形凸起，所述隔斷凸起與所述環(huán)形凸起的內(nèi)側(cè)連接；

所述隔斷凸起卡接在所述隔斷凹槽內(nèi)，所述環(huán)形凸起卡接在所述環(huán)形凹槽內(nèi)。

本實(shí)施例中，八極徑向電磁懸浮軸承可以為同極型八極徑向電磁懸浮軸承或是異極型八極徑向電磁懸浮軸承；其特點(diǎn)是分別有八個(gè)電磁線圈相互獨(dú)立而且隔磁，構(gòu)成軸承的八個(gè)磁極磁場，所有磁極之間相互獨(dú)立，互不影響；電磁線圈構(gòu)建動(dòng)態(tài)調(diào)整磁場，根據(jù)轉(zhuǎn)子狀態(tài)起調(diào)整作用。

本發(fā)明的工作原理為：八個(gè)電磁鐵的磁極配置在同一平面內(nèi)，且均勻相間分布，形成八極徑向電磁懸浮軸承；磁極相互絕磁，使得磁通/磁路不會(huì)相互影響；為了縮減磁懸浮軸承的徑向尺寸和提高磁軸承控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本發(fā)明中集成了基于電流傳感器的自傳感技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁軸承中的振動(dòng)位移傳感器；實(shí)時(shí)測量電流及其時(shí)間變化率，基于磁通變化的自傳感估計(jì)算法來計(jì)算振動(dòng)位移和振動(dòng)速度。處于同一平面內(nèi)的八個(gè)磁極根據(jù)自傳感估計(jì)算法得到的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度信息，通過磁軸承中央控制器來配置電磁阻尼磁極和電磁剛度磁極，分別利用振動(dòng)位移和振動(dòng)速度輸出電磁阻尼力和電磁剛度力，從而達(dá)到磁懸浮轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制。

如圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示為同極型八極徑向電磁懸浮軸承，在同一橫截面內(nèi)，電磁鐵的磁極只有一種極性磁極，要么只有N極，要么只有S極；電磁鐵131是由鐵芯和電磁線圈組成，電磁鐵131的鐵芯由硅鋼片/坡莫合金疊片而成，在鐵芯上繞上電磁線圈，就可以組成磁懸浮磁極；將此定子13過盈裝配入鋁合金的第一軸承座12和第二軸承座14組成的電磁鐵安裝腔內(nèi)，第一軸承座12和第二軸承座14以螺紋孔連接，通過螺釘連接鎖緊，這樣軸承得以封閉。并且第一軸承座12和第二軸承座14通過陰陽槽結(jié)構(gòu)配合以達(dá)到絕磁使用，絕磁陰陽槽如圖4和圖5所示。使得位于同一安裝平面內(nèi)的八個(gè)磁極相互絕磁，并達(dá)到無漏磁，從而取得八個(gè)磁極彼此獨(dú)立、互無影響。利用這種裝配結(jié)構(gòu)，突出了軸承組裝的簡便性。如圖6所示，一個(gè)轉(zhuǎn)子15上設(shè)有兩個(gè)定子13。

如圖7、圖8、圖9、圖10和圖11所示為異極型八極徑向電磁懸浮軸承，在同一橫截面內(nèi)分布有S和N兩種磁極，即所有的磁極都在同一橫截面內(nèi)；電磁鐵是由鐵芯和電磁線圈組成，電磁鐵231的鐵芯由硅鋼片/坡莫合金疊片而成，在鐵芯上繞上電磁線圈，就可以組成磁懸浮磁極；將此定子23過盈裝配入鋁合金軸承座22和第一軸承端蓋24組成的電磁鐵安裝腔內(nèi)，軸承座22和第一軸承端蓋24以螺紋孔連接，通過螺釘連接鎖緊，這樣軸承得以封閉。并且軸承座22和第一軸承端蓋24通過陰陽槽結(jié)構(gòu)配合以達(dá)到絕磁使用，絕磁陰陽槽如圖7、9、10所示。使得位于同一安裝平面內(nèi)的八個(gè)磁極相互絕磁，并達(dá)到無漏磁，從而取得八個(gè)磁極彼此獨(dú)立、互無影響。利用這種裝配結(jié)構(gòu)，突出了軸承組裝的簡便性。如圖11所示，一個(gè)轉(zhuǎn)子25上設(shè)有兩個(gè)定子23。

如圖12所示功率驅(qū)動(dòng)原理，該電磁軸承控制系統(tǒng)主要通過動(dòng)態(tài)調(diào)整電磁線圈的電流進(jìn)行控制轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)；由八個(gè)電磁線圈構(gòu)成八相結(jié)構(gòu)獨(dú)立連接；每相通過H逆變橋開關(guān)功放來完成功率驅(qū)動(dòng)。H逆變橋開關(guān)功放由一組互補(bǔ)的PWM控制的四個(gè)開關(guān)功率管構(gòu)成；八相開關(guān)功放由DSP TMS320F2812為核心的磁軸承中央控制器來驅(qū)動(dòng)各相并形成所需的電磁電流，在功放環(huán)節(jié)上形成控制電流i₁₁～i₁₈閉環(huán)回路，促使穩(wěn)定建立控制磁場；通過采樣V_samp1～V_samp8，對功率放大電路進(jìn)行過流保護(hù)。其中，i₁₁～i₁₈是功放電路上的控制電流也就是磁軸承控制單元輸出控制信號的電流，i_x11～i_x18是功放電路產(chǎn)生的電流，通過i₁₁～i₁₈控制功放電路產(chǎn)生i_x11～i_x18電流；V_samp1～V_samp8是功放電路上的壓降。

電磁線圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是線圈與線圈之間相互獨(dú)立，互不影響?？梢圆捎弥绷黩?qū)動(dòng)的方式來建立控制磁場，也可以采樣交流驅(qū)動(dòng)方式來建立控制磁場；這種連接方式可以根據(jù)控制需求來確定輸出的電磁剛度力和電磁阻尼力，控制算法更加簡潔和靈活。

如圖8所示磁軸承的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度信號檢測方法原理，在磁極工作的時(shí)候，通過對其中一個(gè)磁軸承的八個(gè)電磁鐵線圈電流i_x11～i_x18采樣值先做低通濾波和抗混疊濾波，再經(jīng)過HHT(Hilbert-Huang Transformation)變換，又經(jīng)過自傳感估計(jì)器中的基于磁通變化的位移估計(jì)器后將振動(dòng)位移估計(jì)值送入磁軸承中央控制器中的非線性微分器得到與實(shí)時(shí)磁懸浮轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度的無偏有效的估計(jì)信號z和即得到振動(dòng)位移和振動(dòng)速度。信號z和作為控制算法的輸入，構(gòu)建成多輸入多輸出控制系統(tǒng)。

如圖15所示，位移傳感器通過檢測轉(zhuǎn)子位移獲得信號，并且對信號進(jìn)行估計(jì)，通過16路串口把所獲得的信號與評估傳入磁軸承中央控制器，在磁軸承中央控制器中通過懸浮控制算法對其進(jìn)行控制，通過16路串口把信號輸出，通過電流內(nèi)環(huán)控制器和功放的作用，把控制信號輸出，對磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行控制。

如圖6、圖11、圖12和圖15所示；對應(yīng)輸入通道增益的控制相關(guān)變量即為彈性支承力k_zz和阻尼力為此可以獨(dú)立計(jì)算磁力軸承在運(yùn)行中的軸承力；同時(shí)二階跟蹤微分器的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

所描述的MIMO系統(tǒng)即磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，對磁力軸承八極電磁線圈進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，配置的方法如下：8個(gè)磁極周向逆時(shí)針依次編號J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8。8個(gè)電磁極組合可以表現(xiàn)為如下形式：

(1)“8極”支承剛度組態(tài)：J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8均表現(xiàn)為彈性支承屬性。

“8極”徑向阻尼組態(tài)：J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8均表現(xiàn)為阻尼屬性。

(3)“4+4”磁極動(dòng)態(tài)分配：J1，J3，J5，J7表現(xiàn)為彈性支承屬性，J2，J4，J6，J8變現(xiàn)為阻尼屬性。

通過對磁極構(gòu)建空間電磁控制環(huán)，可以提供在空間上動(dòng)態(tài)阻尼和彈性支承特性；阻尼與剛度的組合形式會(huì)因軸承所處的狀態(tài)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同的情況下可應(yīng)用不同組合。阻尼與剛度的組合形式會(huì)因軸承所處的狀態(tài)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同的情況下有不同的組合。(1)，(2)，(3)三種控制組態(tài)可以通過控制實(shí)現(xiàn)多態(tài)輪動(dòng)控制方式。例如：“8極”支承剛度--->“4+4”磁極動(dòng)態(tài)分配--->“8極”阻尼狀態(tài)循環(huán)輪動(dòng)，從而表現(xiàn)為8極普通徑向磁軸承、剛度和阻尼并置磁軸承和8極徑向電磁阻尼器；或者“8極”支承剛度--->“4+4”磁極動(dòng)態(tài)分配輪動(dòng)；或者單獨(dú)為“4+4”配置的剛度和阻尼混合并置電磁狀態(tài)。

如圖16、圖17所示，兩點(diǎn)支承的電磁懸浮軸承---轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的控制是基于模糊PID控制算法的交叉控制技術(shù)，當(dāng)磁懸浮轉(zhuǎn)子發(fā)生不平衡變化時(shí)，處于轉(zhuǎn)子兩端的磁軸承會(huì)獨(dú)立檢測到轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移和速度的變化；根據(jù)轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)速度和系統(tǒng)模態(tài)特征數(shù)據(jù)模型在對轉(zhuǎn)子狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施調(diào)整。

本發(fā)明的工作過程為：在轉(zhuǎn)子工作時(shí)受到一個(gè)外力時(shí)，位移傳感器會(huì)獲得轉(zhuǎn)子的位移信號，把該位移信號傳入磁軸承中央控制器，通過磁軸承中央控制器對其進(jìn)行分析出來，輸出一個(gè)控制信號，該控制信號分別控制八對電磁線圈電流，使其中四對電磁鐵產(chǎn)生控制力，另外四對產(chǎn)生阻尼力，從而使得轉(zhuǎn)子能夠被快速平衡；

轉(zhuǎn)子在控制磁極提供的靜剛度支撐下處于懸浮的狀態(tài)，當(dāng)受到外力的作用時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離軸心的位置，從而改變了氣隙的長度；氣隙發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致磁通發(fā)生變化，磁通發(fā)生變化后會(huì)導(dǎo)致電磁線圈中的電流發(fā)生微小變化，電流傳感器通過檢測電磁線圈中電流的變化，會(huì)獲得一個(gè)與轉(zhuǎn)子位移有關(guān)的電流信號，經(jīng)過信號采集單元進(jìn)行HHT變換，然后經(jīng)過自傳感估計(jì)器中的基于磁通變換的位移估計(jì)器，將振動(dòng)位移估計(jì)值送入磁軸承中央控制器，并且通過磁軸承中央控制器中的非線性微分器得到轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度，于此磁軸承中央控制器基于模糊控制算法會(huì)輸出控制數(shù)據(jù)參數(shù)。

控制數(shù)據(jù)參數(shù)包括控制類型、控制評定等級和控制數(shù)據(jù)；控制類型包括剛度型和阻尼型兩種，控制評定等級分為七級控制粒度(負(fù)大NB、負(fù)中NM、負(fù)小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB)。

控制信號發(fā)生器根據(jù)控制數(shù)據(jù)參數(shù)計(jì)算出轉(zhuǎn)子偏離平衡狀態(tài)的調(diào)整電流大小(或PWM信號的占空比)。磁懸浮轉(zhuǎn)子在相應(yīng)電磁線圈的電磁力(剛度力或阻尼力)的作用下，取得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定特性。

由于當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離軸心時(shí)，位移傳感器與電流傳感器同時(shí)工作，當(dāng)自傳感估計(jì)器估計(jì)出的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度與位移傳感器檢測出來的值相同時(shí)，位移傳感器便不需要工作，而電流傳感器直接檢測電磁線圈的電流，然后通過信號采集單元和自傳感估計(jì)器估計(jì)出轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度，磁軸承中央控制器通過控制信號發(fā)生器給功放電路一個(gè)電流信號，從而控制電磁線圈中的電流，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)子的平衡。而在此之前磁軸承中央控制器中對自傳感估計(jì)器測得的轉(zhuǎn)子位移與位移傳感器測得位移進(jìn)行比較，此時(shí)自傳感估計(jì)獲得的位移信號，不參與控制，只是和位移傳感器獲得的位移信號進(jìn)行比較。