一种应用于磁悬浮轴承的电流振动抑制方法和系统与流程

本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种应用于磁悬浮轴承的电流振动抑制方法和系统。

背景技术：

磁悬浮轴承可通过可控的电磁力实现转子的无接触支撑，使得旋转机械的转子运行过程中无摩擦，无碰撞，不需润滑装置，是高速旋转机械的优质支撑部件。磁悬浮轴承广泛应用于飞轮储能、高速电机、离心压缩机等具有高速运行需求以及工作环境特殊的场合。磁悬浮轴承在未来几十年仍具有广阔的发展前景，工业化和商业化应用会更加广泛。

除了实现转子无摩擦运行的显著优势，磁悬浮轴承另一个重要优势是可对转子进行主动控制，因此磁悬浮轴承可以为传统机械轴承所难以解决的问题提供解决方案。旋转机械中，转子运行中的不平衡会使得轴承基座产生振动。对于磁轴承，转子的偏心位移经过传感器、控制器、功率放大器的调理与放大，会在轴承绕组中产生以转速频为主的电流振动，电流振动产生的电磁力传递到基座，引起基座振动。而且过大的电流振动也会引起功率放大器饱和而失稳。降低磁轴承绕组中的电流振动有利于避免功率放大器饱和，降低基座振动，而且转子旋转中心更加接近其质心。广泛应用于降低电流振动的方法为在磁轴承位移信号中添加广义陷波器或自适应陷波器，但其结构较为复杂，具有较多的运算次数，且需要实时计算三角函数，增加了实际实现的复杂度与时间、空间资源。

技术实现要素：

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于磁悬浮轴承的电流振动抑制方法和系统，旨在解决现有的电流振动抑制方法存在的需要实时计算三角函数、运算次数较多、复杂度较高的问题。

为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种应用于磁悬浮轴承的电流振动抑制方法，对转子每个自由度位移的控制，包括以下步骤：

s1.采集转子在所述自由度的位移信号dis，将所述位移信号dis与前馈积分器的输出nout相减得到差值；

s2.将步骤s1得到的所述差值与前馈增益ε的乘积输入至比例-积分环节；

s3.将反馈积分器的输出与旋转角速度n的平方相乘；

s4.将步骤s2中比例-积分环节的输出与步骤s3所得的乘积相减，输入至所述前馈积分器；

s5.将所述自由度上的参考位置指令与步骤s1得到的所述差值再作差，经位移控制器输出，位移控制器的输出指令使得功率放大器驱动所述自由度的磁轴承绕组产生绕组电流。

进一步地，在转子的x、y方向，每个自由度至少安装一个传感器采集所述位移信号dis。

进一步地，所述绕组电流与位移控制器输出指令的关系为：

其中，ixa和ixc为x自由度的绕组电流，iya和iyc为y自由度的绕组电流，ix为x自由度位移控制器的输出指令，iy为y自由度位移控制器的输出指令，i0为每个绕组的偏置电流。

进一步地，所述比例-积分环节替换成增益为1的比例环节。

本发明的另一方面还提供了一种应用于磁悬浮轴承的电流振动抑制系统，包括传感器、控制器、功率放大器和磁轴承；所述控制器包括补偿器和位移控制器；

所述传感器用于采集转子的位移信号；

所述补偿器用于将所述位移信号与前馈积分器的输出nout相减得到差值；将所述差值与前馈增益ε的乘积输入至比例-积分环节；将反馈积分器的输出与旋转角速度ω的平方相乘，由此得到的乘积与比例-积分环节的输出相减，输入至所述前馈积分器；将所述自由度上的参考位置指令与所述差值再作差，经所述位移控制器输出；

所述位移控制器的输出指令使得所述功率放大器驱动所述自由度的磁轴承绕组产生绕组电流。

进一步地，在转子的x、y方向，每个自由度至少安装一个传感器采集所述位移信号dis。

进一步地，所述绕组电流与位移控制器输出指令的关系为：

其中，ixa和ixc为x自由度的绕组电流，iya和iyc为y自由度的绕组电流，ix为x自由度位移控制器的输出指令，iy为y自由度位移控制器的输出指令，i0为每个绕组的偏置电流。

进一步地，所述比例-积分环节替换成增益为1的比例环节。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，一方面避免实时计算三角函数，减轻了实际编程实现时的复杂度；另一方面，简化了电流振动抑制方法的结构，减少了运算的时间和空间成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的八极径向磁轴承结构示意图；

图2是本发明实施例提供的每个自由度的电流振动抑制方法示意图；

图3是转速频率为140hz时绕组电流(仅保留交流成分)的仿真结果图；

图4为转速频率为60hz时绕组电流(仅保留交流成分)的实验结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为实现上述目的，本发明实施例的一个方面提供了一种应用于磁悬浮轴承的电流振动抑制方法，对转子每个自由度位移的控制，包括以下步骤：

s1.采集转子在所述自由度的位移信号dis，将所述位移信号dis与前馈积分器的输出nout相减得到差值；

s2.将步骤s1得到的所述差值与前馈增益ε的乘积输入至比例-积分环节；

s3.将反馈积分器的输出与旋转角速度ω的平方相乘；

s4.将步骤s2中比例-积分环节的输出与步骤s3所得的乘积相减，输入至所述前馈积分器；

s5.将所述自由度上的参考位置指令与步骤s1得到的所述差值再作差，经位移控制器输出，位移控制器的输出指令使得功率放大器驱动所述自由度的磁轴承绕组产生绕组电流。

进一步地，在转子的x、y方向，每个自由度至少安装一个传感器采集所述位移信号dis。

进一步地，所述绕组电流与位移控制器输出指令的关系为：

其中，ixa和ixc为x自由度的绕组电流，iya和iyc为y自由度的绕组电流，ix为x自由度位移控制器的输出指令，iy为y自由度位移控制器的输出指令，i0为每个绕组的偏置电流。

进一步地，所述比例-积分环节替换成增益为1的比例环节。

本发明实施例的另一方面还提供了一种应用于磁悬浮轴承的电流振动抑制系统，包括传感器、补偿器、功率放大器、位移控制器和磁轴承；传感器、补偿器是控制器的组成部分；

所述传感器用于采集转子的位移信号；

所述补偿器用于将所述位移信号与前馈积分器的输出nout相减得到差值；将所述差值与前馈增益ε的乘积输入至比例-积分环节；将反馈积分器的输出与旋转角速度ω的平方相乘，由此得到的乘积与比例-积分环节的输出相减，输入至所述前馈积分器；将所述自由度上的参考位置指令与所述差值再作差，经所述位移控制器输出；

所述位移控制器的输出指令使得所述功率放大器驱动所述自由度的磁轴承绕组产生绕组电流。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

图1是径向磁悬浮轴承控制系统示意图，该径向磁轴承的转子a有2个正交的自由度，x和.y。每个自由度需要两个磁轴承绕组电流产生差动的电磁力进行控制。传感器b用于采集转子的位移信息，并将其转化为电信号送入控制器。控制器经过控制算法的应用，产生合适的电流指令。功率放大器根据该电流指令驱动产生磁轴承线圈电流，进而产生作用于转子的电磁力，磁场如图中标记c所示。

图2是本发明提供的一种应用于磁悬浮轴承的电流振动抑制方法，该图是对每个自由度的控制。对于每个自由度，结构均包括：前馈积分器s1、反馈积分器s2、比例-积分环节、前馈增益ε；

对于每个自由度，均采取如下具体步骤：

步骤1、传感器采集转子该方向自由度的位移信号dis，dis与前馈积分器s1的输出nout相减得到差值；

优选地，在x，y方向，至少每个自由度安装一个传感器用于位移测量，每个位移信号与各自自由度对应的前馈积分器输出相减得到差值。

步骤2、将前馈增益ε与步骤1得到差值的乘积输入至比例-积分环节。

步骤3、将反馈积分器s2的输出与旋转角速度ω的平方相乘。

步骤4、将比例-积分环节的输出与步骤3的乘积相减后，将此差值输入至前馈积分器s1。

步骤5、位移控制器的输入为该自由度参考位置指令与步骤1中得到的差值再相减得到的差值。

优选地，步骤1-5的运算均在补偿器中完成。

步骤6、位移控制器的输出作为功率放大器的输入指令信号，功率放大器在磁轴承绕组中产生电流，该电流产生电磁力对转子进行悬浮。

优选地，每个自由度的位移控制器输出指令将使得该自由度的功率放大器驱动此自由度的磁轴承绕组产生绕组电流。定义x自由度位移控制器的输出指令为ix，y自由度位移控制器的输出指令为iy，每个绕组的偏置电流为i0。绕组电流与位移控制器输出指令的关系为：

图3为转速频率为140hz时绕组电流(仅保留交流成分)的仿真结果图。在0.5秒之前，不施加电流振动抑制方法，磁悬浮轴承由位移控制器稳定，因为偏心位移使得绕组电流产生较大的振动。在0.5秒时，施加所发明的电流振动抑制方法，经过大约0.3秒，电流的振动基本消除。电流稳态时的直流量用于抵消重力。

图4为转速频率为60hz时绕组电流的实验结果(仅保留交流分量)。在4.5秒左右施加所发明的电流振动抑制方法，电流振动的幅值被明显削弱。

本发明通过比例-积分环节、积分器等环节对磁轴承转子位移信号进行处理，使得转子正常运行过程中的电流振动明显降低。相对于广泛应用于磁悬浮轴承的广义陷波器，本发明具有更加简化的结构，且不需要实时计算三角函数，降低了运算时间和运算复杂度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。