[发明专利]一种实现五自由度磁悬浮系统轴向磁轴承低功耗悬浮的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的一种实现五自由度磁悬浮系统轴向磁轴承低功耗悬浮的方法，属五自由度磁悬浮轴承系统控制的方法。

背景技术

目前，五自由度磁悬浮轴承系统均采用两个径向磁悬浮轴承加一个轴向磁悬浮轴承或一个轴向-径向磁悬浮轴承加一个径向磁悬浮轴承结构，提供一个轴向和四个径向的磁悬浮力，使转子在悬浮运行时，稳定悬浮在平衡位置。

磁悬浮轴承按照磁场建立方式的不同可分为主动型、被动型和混合型三种类型。

主动型磁悬浮轴承由通入直流电的偏磁绕组在气隙中建立偏置磁场，由通入大小和方向都受到实时控制的交变电流的控制绕组来在气隙中建立控制磁场，这两个磁场在气隙中的叠加和抵消产生了大小和方向都可以主动控制的磁场吸力，从而实现了转子的稳定悬浮，这种类型的磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需的体积、重量和功耗也都比较大。

被动型磁悬浮轴承利用磁性材料之间的吸力或斥力来实现转子的悬浮，所需控制器简单，功耗小，但刚度和阻尼也都比较小。

混合型磁悬浮轴承结合了主动型磁悬浮轴承和被动型磁悬浮轴承的特点，采用永磁材料替代偏磁线圈来产生所需的偏置磁场，因此电磁线圈匝数比主动型磁悬浮轴承少得多，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗，减小了产生单位承载力所需的体积和重量，以上特点使其在对体积和功耗有着严格要求的领域有着不可替代的优势。

对于轴向采用上述混合型磁悬浮轴承的五自由度磁悬浮系统，在其轴向自由度PID控制框图中(即PID调节器和磁轴承轴向自由度数学模型组成的反馈系统框图)，控制电流由反馈误差信号经过PID调节器产生，位移偏差过大会引起误差信号过大，从而使控制电流饱和。

发明内容

本发明提供一种实现五自由度磁悬浮系统轴向磁轴承低功耗悬浮的方法，实现五自由度磁悬浮系统轴向上的低功耗。

本发明采用如下技术方案：

永磁偏置轴向磁轴承中的控制线圈根据低功耗位移补偿算法产生相应的控制电流，根据轴向所受外力的大小，自适应调节转子轴向的平衡位置，使转子实时悬浮所在位置是磁轴承轴向功率放大器输出功率最小的位置，轴向外力由永磁偏置轴向磁轴承的环型永磁体产生的磁力抵消，实现轴向上的低功耗。

本方法包括以下步骤：

(1)将永磁偏置轴向磁轴承传感器输出的转子反馈位移信号x，控制器中给定转子的悬浮位置即参考位置sr以及低功耗位移补偿算法模块输出的补偿位移信号r_n叠加得到误差信号e，e＝sr+r_n-x；

(2)将误差信号e加入PID调节器，得到控制电流i_m，控制电流i_m的离散形式表达式为：im=kPen+kIΣi=1nei+kD(en-en-1)]]>式中的k_P、k_I、k_D分别是PID调节器的比例、积分、微分系数；

(3)将控制电流i_m通过功率电路放大输入到永磁偏置轴向磁轴承；

(4)同时控制电流i_m作为反馈信号，与第一级存储单元输出的前一时刻的位移补偿信号r_o、和第二级存储单元输出的再前一时刻的位移补偿信号r_oo一起加到低功耗位移补偿模块中，利用该模块的算法得到位移补偿信号r_n：