[发明专利]一种检控定子固连式磁悬浮旋转关节在线动平衡系统

权利要求书

1.一种检控定子固连式磁悬浮旋转关节在线动平衡系统，其特征在于包括：整周期旋转控制单元、转子系统单元、磁悬浮控制单元、同频电流提取单元、校正质量解算单元和自对中控制单元；

整周期旋转控制单元构造出与转子同步的正弦信号和余弦信号，提供给自对中控制单元和同频电流提取单元，同时控制转子系统单元中的转子稳定旋转；磁悬浮控制单元控制转子系统单元中的转子稳定悬浮；自对中控制单元控制转子系统单元中的转子悬浮中心为其几何轴，对转子四个径向通道进行自对中控制；同频电流提取单元提取转子系统单元中的磁轴承绕组中与转子同频的电流成分，即绕组同频电流成分，校正质量解算单元根据绕组同频电流成分解算平衡转子所需校正量；

所述整周期旋转控制单元，首先给磁悬浮控制单元发送起浮指令；然后控制转子系统单元中转子以转速ω稳速旋转；待转速稳定后，给同频电流提取单元发送动平衡计算起始指令，并在旋转t秒后发送动平衡计算结束指令；其中，t为转子旋转M圈整周期所需时间,t＝2πM/ω；在控制转子稳定旋转的同时，产生与转子同步的正弦信号sin(θ)、余弦信号cos(θ)，其中θ为转子相对定子的角位置；

所述磁悬浮控制单元，包括位移传感器、磁轴承控制器、比例环节K_amp、磁轴承A、磁轴承B以及电流传感器；磁轴承A包括Au磁极、Au绕组、Av磁极以及Av绕组，磁轴承B包含Bu磁极、Bu绕组、Bv磁极以及Bv绕组；

当接收到整周期旋转控制单元发送的起浮指令，位移传感器检测转子的位置信号与参考位置量做差，得到控制误差信号e(t)送入磁轴承控制器中，磁轴承控制器计算得到的控制量与电流传感器检测的磁轴承绕组电流值做差，差值经过比例环节K_amp后得到最终的输出控制量，该最终输出的控制量送入功放，给磁轴承A的Au绕组提供电流，Au磁极产生电磁力施加于转子，使偏移参考位置的转子回到参考位置附近；

磁轴承A的Av绕组、磁轴承B的Bu绕组、磁轴承B的Bv绕组的控制与磁轴承A的Au绕组的控制相同；

所述转子系统单元，包括转子、平衡盘A以及平衡盘B；平衡盘A、磁轴承A、磁轴承B、平衡盘B之间的距离满足：

L＝L₁+L₂+L₃，其中，L为平衡盘A到平衡盘B之间的距离，L₁为平衡盘A到磁轴承A之间的距离，L₂为磁轴承A到磁轴承B之间的距离，L₃为磁轴承B到平衡盘B之间的距离；

所述自对中控制单元，包括相关积分模块、重构模块和增益调节模块；

增益调节模块对控制误差信号e(t)进行比例调节，调节比例为ε，相关积分模块从比例调节后的控制误差信号e(t)中提取与转频同频的成分；重构模块跟据相关积分模块的运算结果重构与转频同频的误差信号，进行相位偏移添加到磁轴承控制器输出c(t)中；

相关积分模块的运算公式如下：

其中，a(t)为比例调节后控制误差信号ε×e(t)的正弦成分、b(t)为比例调节后控制误差信号ε×e(t)的余弦成分；T为伺服周期时间；

重构模块的运算公式如下：

其中，x(t)为重构后的转子位置信号同频成分，为保证算法稳定所添加的相位偏移，根据小增益定理求得保证自对中控制稳定的和ε的取值范围为：

其中∠G_ce(jω)为从转子的位置信号到控制误差信号e(t)的相频特性，||G_ce(jω)||为从转子的位置信号到控制误差信号e(t)的幅频特性，对转子四个径向通道进行自对中控制；

所述同频电流提取单元，接收整周期旋转控制单元发送的动平衡计算起始指令，对功放采集的磁轴承Au绕组电流i_au、Av绕组电流i_av、Bu绕组电流i_bu、Bv绕组电流i_bv进行相关积分运算，相关积分计数器n从零开始累加；

接收整周期旋转控制单元发送的动平衡计算结束指令，相关积分计数器n计数到N，N＝t/T为相关积分时长，T为伺服周期时间，t为转子旋转M圈整周期时间，则绕组同频电流在转子固连坐标系Ou、Ov方向上的分量，为：

静止坐标系O(x,y)和转子固连坐标系O(u,v)的确定如下：转子几何中心轴为O，从O到Au磁极中心为转子固连坐标系Ou方向，从O到Av磁极中心为转子固连坐标系Ov方向，Ov方向为Ou方向逆时针旋转90°；旋转转子使其达到特征角位置，即角位置传感器输出0角度值，此时静止坐标系O(x,y)的Ox方向与转子固连坐标系O(u,v)的Ou方向重合，静止坐标系O(x,y)的Oy方向与转子固连坐标系O(u,v)的Ov方向重合；

所述校正质量解算单元，包括校正质量成分计算模块、校正质量计算模块和校正相角计算模块；

校正质量成分计算模块根据同频电流提取单元所得结果解算校正质量在转子固连坐标系Ou、Ov方向上的分量，结果为：

其中，m_a为平衡盘A所需校正质量，m_b为平衡盘B所需校正质量，m_au为m_a在转子固连坐标系Ou方向上的分量，m_av为m_a在转子固连坐标系Ov方向上的分量，m_bu为m_b在转子固连坐标系Ou方向上的分量，m_bv为m_b在转子固连坐标系Ov方向上的分量；r_a、r_b为平衡盘A、B上的校正质量到转轴的距离，k_ia、k_ib分别为磁轴承A和磁轴承B的电流刚度；

校正质量计算模块根据校正质量成分计算模块所得的结果计算平衡盘A所需校正质量m_a,平衡盘B所需校正质量m_b为：

校正相角计算模块根据校正质量成分计算模块所得的结果解算平衡盘A所需校正质量的角位置平衡盘B所需校正质量的角位置为：