专利名称：基于力控制的磁悬浮系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及磁悬浮技术领域，具体涉及一种基于力控制的磁悬浮系统及其控制方法。
背景技术：
目前，在磁悬浮控制系统中主要通过控制转子偏离其平衡位置的位移量，实现转子无接触状态下的稳定悬浮，这种控制系统称之为基于位移控制的磁悬浮系统。它的主要原理是通过传感器检测出转子偏离参考点的位移后，控制器将检测到的位移量变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行电磁铁中产生磁 力从而驱动转子返回到原来的平衡位置，维持其稳定悬浮位置不变。目前基于位移控制的磁悬浮系统在各类高速旋转机械中得到越来越广泛的应用。它具有无直接接触摩擦、无需润滑和密封以及可以主动控制等优点，由于没有机械摩擦和磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了轴承的使用寿命；动力损耗小，更适用于高速运转场合；由于不需要润滑系统，所以无污染，可应用于真空超净，腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊工作环境。然而，随着精密转子朝着高速度、高精度、自动化和智能化的方向发展，传统基于位移控制的磁悬浮系统的性能已经不能满足高速精密转子的需求，基于位移控制的磁悬浮系统本质是不稳定系统，必须采取控制措施保证系统稳定，控制系统设计难度大。同时，基于位移控制的磁悬浮系统还有如下缺点第一，基于位移控制的磁悬浮系统在发生掉电时，转子的突然坠落对转子和磁力轴承产生很大的冲击，对转子和磁力轴承造成很大的破坏性，很可能给磁悬浮系统带来致命的伤害。为了避免对磁悬浮系统造成伤害，必须提供附加保护轴承和掉电保护装置。第二，基于位移控制的磁悬浮系统的位移传感器不能直接安装在磁力轴承位置上，因而不能直接测得磁力轴承处的位移，这不仅导致各传感器信号之间的相互耦合，同时，造成机械结构和控制系统的复杂。第三，基于位移控制的磁悬浮系统的位移传感器测量精度受制于轴加工表面的精度和轴的挠度。第四，基于位移控制的磁悬浮系统的磁力轴承的承载能力达不到高速转子所需要求，承载力仅由磁力轴承提供，并且高刚度磁力轴承难于实现。第五，基于位移控制的磁悬浮系统在磁悬浮转子稳定悬浮之前，物体上下浮动很不稳定，需要较大的悬浮力用来克服重力或者提供起浮力，进而需要给电磁铁通以较大的电流，才能逐渐实现转子的稳定悬浮，同时对控制系统要求较高。由于基于位移控制的磁悬浮系统具有上述缺点，这在很大程度上限制了高速精密转子的发展，因此，现有技术还有待于改进和发展
发明内容
为了克服以上技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供了一种基于力控制的磁悬浮系统及其控制方法，其能够有效解决现有磁悬浮控制系统中的性能与设计上的不足之处。本发明解决其技术问题所采取的技术方案是一种基于力控制的磁悬浮系统，包括机械装置和控制系统，其特征在于所述机械装置包括转子、电磁力发生装置和测力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器；所述转子的两端设置有测力轴承，所述电磁力发生装置设置在转子两端的测力轴承之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端 连接，所述功率放大器的输出端与电磁力发生装置连接；其中，所述测力轴承用于检测转子作用在测力轴承上力的大小和方向，并将将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给电磁力发生装置，所述电磁力发生装置产生作用在转子上的磁控制力，所述作用在转子上的磁控制力与转子作用在测力轴承上的力方向相反、大小相等。进一步地，所述电磁力发生装置包括电机和两个径向磁力轴承，所述电机通过联轴器与转子一端连接，所述两个径向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间且分别与之对应。进一步地，所述电磁力发生装置包括准悬浮电机，所述准悬浮电机设置在转子中部。进一步地,所述电磁力发生装置包括电机、两个径向磁力轴承和轴向磁力轴承,所述电机通过联轴器与转子一端连接，所述两个径向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间且分别与之对应，所述轴向磁力轴承对应设置在两个径向磁力轴承之间。进一步地，所述电磁力发生装置包括准悬浮电机和轴向磁力轴承，所述准悬浮电机和轴向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间，且所述轴向磁力轴承位于准悬浮电机的一侧。进一步地，所述测力轴承用以测量转子作用在测力轴承上的径向力，或者用以同时测量转子作用在测力轴承上的径向力和轴向力。进一步地，所述轴向磁力轴承包括两个轴向定子和推力盘，所述推力盘固定在转子上，所述两个轴向定子设置在推力盘两侧。进一步地，所述准悬浮电机包括套置在转子上的转矩线圈绕组和准悬浮线圈绕组，所述转矩线圈绕组产生实现转子旋转的电磁转矩，所述准悬浮线圈绕组产生作用在转子上的径向电磁控制力。一种基于力控制的磁悬浮系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤A、通过测力轴承检测出转子作用在测力轴承上力的大小和方向；B、通过电压放大器将检测到的力信号放大变换为电压信号；C、通过控制器将电压信号转换成控制信号；D、通过功率放大器将控制信号转换成控制电流信号，并反馈给电磁发生装置；E、电磁发生装置产生作用在转子上的电磁控制力，所述作用在转子上的磁控制力与转子作用在测力轴承上的力方向相反、大小相等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果该种基于力控制的磁悬浮系统性能稳定，控制器设计简单；转子与测力轴承处于准悬浮状态，减摩能力可与位移控制磁悬浮轴承媲美，同样具有少无摩擦，能耗低；可以直接测力，不受轴加工表面的精度和轴的挠度的影响，测量精度高，能够保证控制精度；只需控制电流，无需偏置电流，电源简单，成本低；取消了辅助轴承，结构简化，又具有掉电时的自我保护作用；测力轴承不仅具有测力功能，而且还起到支撑转子的轴承的作用，承载能力强、刚度高。
图I是本发明的控制原理框图；图2是本发明实施例I的结构示意图；图3是本发明实施例2的结构示意图；图4是本发明实施例3的结构示意图； 图5是本发明实施例4的结构示意图；图中I、电机，2、联轴器，3、测力轴承，4、径向磁力轴承，5、转子，6、准悬浮电机，7、轴向定子，8、推力盘。
具体实施例方式下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的描述如图I至图5所示，本发明的一种基于力控制的磁悬浮系统，包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括转子5、电磁力发生装置和测力轴承3，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器；所述转子5的两端设置有测力轴承3，所述电磁力发生装置设置在转子两端的测力轴承之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承3连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与电磁力发生装置连接；其中，所述测力轴承3用于检测转子5作用在测力轴承上力的大小和方向，并将将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给电磁力发生装置，所述电磁力发生装置产生作用在转子上的磁控制力，所述作用在转子上的磁控制力与转子作用在测力轴承上的力方向相反、大小相等。该种基于力控制的磁悬浮系统的控制方法，包括以下步骤A、通过测力轴承3检测出转子5作用在测力轴承3上力的大小和方向；B、通过电压放大器将检测到的力信号放大变换为电压信号；C、通过控制器将电压信号转换成控制信号；D、通过功率放大器将控制信号转换成控制电流信号，并反馈给电磁发生装置；E、电磁发生装置产生作用在转子5上的电磁控制力，所述作用在转子5上的磁控制力与转子作用在测力轴承3上的力方向相反、大小相等，用以抵消转子作用在测力轴承上的力，从而使得转子5作用在测力轴承上3的力接近于零，获得转子与测力轴承之间几乎无摩擦的效果，维持转子与测力轴承之间似接触非接触的状态，从而实现转子5的准悬浮。实施例I
如图2所示，一种基于力控制的磁悬浮系统，它包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括电机I、联轴器2、测力轴承3、两个径向磁力轴承4和转子5，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器。所述电机I通过联轴器2与转子5 —端连接，所述转子5的两端分别设置有测力轴承3，所述两个径向磁力轴承4设置在两个测力轴承3之间且分别与之对应；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与径向磁力轴承4连接。其中，所述径向磁力轴承4采用差动方式连接。一方面，所述测力轴承3只测量转子5作用在测力轴承3上的径向力。另一方面，所述测力轴承3能够取代传统保护轴承，起到支承转子5的轴承的作用，并且与将力信号转换为电压信号的电压放大器连接。 该实施例的实现方式是所述测力轴承3用以检测转子5作用在其上力的大小和方向，并将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给电磁力发生装置差动径向磁力轴承4，径向磁力轴承4产生作用在转子5上的磁控制力，且该控制力与转子5作用在测力轴承3上的力的方向相反、大小相等,从而使得转子5作用在测力轴承3上的力接近于零，根据公式F= μ N (F表示转子与力传感器之间的摩擦力，μ表示摩擦系数,N表示转子作用在力传感器上的压力)，得到转子5与测力轴承3之间的摩擦力接近为零，获得转子5与测力轴承3之间几乎无摩擦的效果，维持转子5与测力轴承3之间似接触非接触的状态，实现转子5的准悬浮。实施例2如图3所示，一种基于力控制的磁悬浮系统，包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括转子5、准悬浮电机6和测力轴承3，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器。所述转子5的两端分别设置有测力轴承3，所述准悬浮电机6设置在两个测力轴承3之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与准悬浮电机连接；其中，所述准悬浮电机包括套置在转子上的转矩线圈绕组和准悬浮线圈绕组，所述转矩线圈绕组产生实现转子旋转的电磁转矩，所述准悬浮线圈绕组产生作用在转子上的径向电磁控制力。一方面，所述测力轴承3只测量转子5作用在测力轴承3上的径向力。另一方面，所述测力轴承3能够取代传统保护轴承，起到支承转子5的轴承的作用，并且与将力信号转换为电压信号的电压放大器连接。该实施例的实现方式是所述测力轴承3用以检测转子5作用在其上力的大小和方向，并将将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给准悬浮电机6，所述准悬浮电机6 —方面通过转矩绕组产生电磁转矩实现转子的旋转，另一方面将所得控制电流信息反馈给准悬浮绕组使其产生作用在转子5上的磁控制力，且该控制力与转子5作用在测力轴承3上力的方向相反、大小相等,从而使转子5作用在测力轴承3上的力接近于零，根据公式F= μ N (F表示转子与力传感器之间的摩擦力，μ表示摩擦系数，N表示转子作用在力传感器上的压力)，得到转子5与测力轴承3之间的摩擦力为零，获得转子5与测力轴承3之间几乎无摩擦的效果，维持转子5与测力轴承3之间似接触非接触的状态，实现转子5的准悬浮。实施例3如图4所示，一种基于力控制的磁悬浮系统，包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括电机I、联轴器2、测力轴承3、两个径向磁力轴承4、转子5和轴向磁力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器。所述电机I通过联轴器2与转子5 —端连接，所述转子5的两端分别设置有测力轴承3，所述两个径向磁力轴承4设置在两个测力轴承之间且分别与之对应，所述轴向磁力轴承对应设置在两个径向磁力轴承4之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端分别与径向磁力轴承4和轴向磁力轴承连接。其中，所述径向磁力轴承4采用差动方式连接；所述轴向磁力轴承采用差动方式连接，包括两个轴向定子7和推力盘8，所述推力盘8固定在转子5上，所述两个轴向定子7设置在推力盘8两侧。一方面,所述测力轴承3同时测量转子5作用在测力轴承3上的径向力和轴向力。另一方面，所述测力轴承3能够取代传统保护轴承，起到支承转子5的轴承的作用，并且与将力信号转换为电压信号的电压放大器连接。该实施例的实现方式是所述测力轴承3用以检测转子5作用在其上力的大小和方向，并将将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给差动径向磁力轴承4和轴向磁力轴承，径向磁力轴承4产生作用在转子5上的径向磁控制力,轴向磁力轴承产生作用在转子5上的轴向磁控制力，径向电磁控制力和轴向电磁控制力共同作用在转子5上，使得该控制合力与转子5作用在测力轴承3上力的方向相反、大小相等，从而使得转子5作用在测力轴承3上的力接近于零，根据公式F = μ N(F表示转子与力传感器之间的摩擦力，μ表示摩擦系数，N表示转子作用在力传感器上的压力)，得到转子5与测力轴承3之间的摩擦力为零，获得转子5与测力轴承3之间几乎无摩擦的效果，维持转子5与轴承似接触非接触的状态，实现转子5的准悬浮。实施例4如图5所示，一种基于力控制的磁悬浮系统，包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括测力轴承3、转子5、准悬浮电机6和轴向磁力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器；所述转子5的两端分别设置有测力轴承3，所述准悬浮电机6和轴向磁力轴承设置在两个测力轴承之间，且所述轴向磁力轴承位于准悬浮电机的一侧；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端分别与准悬浮电机6和轴向磁力轴承连接。其中，所述轴向磁力轴承采用差动方式连接，包括两个轴向定子7和推力盘8，所述推力盘8固定在转子5上，所述两个轴向定子7设置在推力盘8两侧；所述准悬浮电机6包括套置在转子上的转矩线圈绕组和准悬浮线圈绕组，所述转矩线圈绕组产生实现转子、旋转的电磁转矩，所述准悬浮线圈绕组产生作用在转子上的径向电磁控制力。一方面，所述测力轴承3同时测量转子5作用在测力轴承3上的径向力和轴向力。另一方面，所述测力轴承3能够取代传统保护轴承，起到支承转子5的轴承的作用，并且与将力信号转换为电压信号的电压放大器连接。该实施例的实现方式是所述测力轴承3用以检测转子5作用在其上力的大小和方向，并将将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给准悬浮电机6和轴向磁力轴承，所述准悬浮电机6—方面通过转矩绕组产生电磁转矩实现转子的旋转，另一方面将所得控制电流信息反馈给准悬浮绕组使其产生作用在转子5上的径向磁控制力，轴向磁力轴承产生作用在转子5上的轴向磁控制力，径向电磁控制力和轴向电磁控制力共同作用在转子5上，使得该控制合力与转子5作用在测力轴承3上力的方向相反、大小相等，从而使得转子5作用在测力轴承3上的力接近于零，根据公式F = μ N (F表示转子与力传感器之间的摩擦力，μ表示摩擦系数，N表示转子作用在力传感器上的压力)，得到转子5与测力轴承3之间的摩擦力为零，获得转子5与测力轴承3之间几乎无摩擦的效果，维持转子5与轴承似接触非接触的状态，实现转子5的准悬浮。以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在上述实施例所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。
除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。
权利要求
1.一种基于力控制的磁悬浮系统，包括机械装置和控制系统，其特征在于所述机械装置包括转子、电磁力发生装置和测力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器；所述转子的两端设置有测力轴承，所述电磁力发生装置设置在转子两端的测力轴承之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与电磁力发生装置连接；其中，所述测力轴承用于检测转子作用在测力轴承上力的大小和方向，并将将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给电磁力发生装置，所述电磁力发生装置产生作用在转子上的磁控制力，所述作用在转子上的磁控制力与转子作用在测力轴承上的力方向相反、大小相等。
2.根据权利要求I所述的一种基于力控制的磁悬浮系统，其特征在于所述电磁力发生装置包括电机和两个径向磁力轴承，所述电机通过联轴器与转子一端连接，所述两个径向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间且分别与之对应。
3.根据权利要求I所述的一种基于力控制的磁悬浮系统，其特征在于所述电磁力发生装置包括准悬浮电机，所述准悬浮电机设置在转子中部。
4.根据权利要求I所述的一种基于力控制的磁悬浮系统，其特征在于所述电磁力发生装置包括电机、两个径向磁力轴承和轴向磁力轴承，所述电机通过联轴器与转子一端连接，所述两个径向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间且分别与之对应，所述轴向磁力轴承对应设置在两个径向磁力轴承之间。
5.根据权利要求I所述的一种基于力控制的磁悬浮系统，其特征在于所述电磁力发生装置包括准悬浮电机和轴向磁力轴承，所述准悬浮电机和轴向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间，且所述轴向磁力轴承位于准悬浮电机的一侧。
6.根据权利要求2或3所述的一种基于力控制的磁悬浮系统，其特征在于所述测力轴承用以测量转子作用在测力轴承上的径向力。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于力控制的磁悬浮系统，其特征在于所述测力轴承用以测量转子作用在测力轴承上的径向力和轴向力。
8.根据权利要求4或5所述的一种基于力控制的磁悬浮系统,其特征在于所述轴向磁力轴承包括两个轴向定子和推力盘，所述推力盘固定在转子上，所述两个轴向定子设置在推力盘两侧。
9.根据权利要求3或5所述的一种基于力控制的磁悬浮系统，其特征在于所述准悬浮电机包括套置在转子上的转矩线圈绕组和准悬浮线圈绕组，所述转矩线圈绕组产生实现转子旋转的电磁转矩，所述准悬浮线圈绕组产生作用在转子上的径向电磁控制力。
10.一种基于力控制的磁悬浮系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤 A、通过测力轴承检测出转子作用在测力轴承上力的大小和方向； B、通过电压放大器将检测到的力信号放大变换为电压信号； C、通过控制器将电压信号转换成控制信号； D、通过功率放大器将控制信号转换成控制电流信号，并反馈给电磁发生装置； E、电磁发生装置产生作用在转子上的电磁控制力，所述作用在转子上的磁控制力与转子作用在测力轴承上的力方向相反、大小相等 。
全文摘要
本发明公开了一种基于力控制的磁悬浮系统及控制方法，它包括机械装置和控制系统，所述机械装置包括转子、电磁力发生装置和测力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器；所述转子的两端设置有测力轴承，所述电磁力发生装置设置在转子两端的测力轴承之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与电磁力发生装置连接。本发明采用力控制方法代替位移控制方法，实现了转子的准悬浮，减少了电路系统的复杂性，结构简单，操作灵活，实施方便，适宜推广应用。
文档编号H02N15/00GK102664566SQ20121014635
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月12日 优先权日2012年5月12日
发明者冯会民, 吴长忠, 宋方臻, 宋波, 邓良, 门秀花 申请人:济南大学