[發(fā)明專利]一種基于雙電平功放永磁偏置混合磁軸承控制系統(tǒng)及無位移傳感器檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810143978.1
• 申請日: 2018-02-12
• 公開（公告）號: CN108425945B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 房建成;姜寅嘯;鄭世強;王坤;韓邦成
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 趙文穎

本發(fā)明涉及了一種基于雙電平功放永磁偏置混合磁軸承控制系統(tǒng)及無位移傳感器檢測方法，控制系統(tǒng)包括雙電平PWM開關(guān)功放，X+向磁軸承，X?向磁軸承，數(shù)字控制器DSP，位移自檢測電路；位移自檢測電路，包括橋式檢測電路，信號解調(diào)電路和濾波電路；本發(fā)明針對永磁偏置的磁軸承系統(tǒng)，去掉傳統(tǒng)的物理傳感器，通過檢測線圈中點電壓以及硬件解調(diào)來實現(xiàn)位移的檢測，簡化了磁軸承系統(tǒng)，提高了磁軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種基于雙電平功放永磁偏置混合磁軸承的無位移傳感器檢測方法，屬于主動磁軸承的自傳感領(lǐng)域，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理位移傳感器，應(yīng)用于永磁偏置磁軸承的控制系統(tǒng)中。

背景技術(shù)

磁懸浮軸承與傳統(tǒng)的機械軸承對比，具有高精度，長壽命，高轉(zhuǎn)速以及高能量密度的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于飛輪，力矩陀螺，鼓風機，壓縮機，以及分子泵等旋轉(zhuǎn)機械領(lǐng)域。磁軸承系統(tǒng)是開環(huán)不穩(wěn)定的，為了實現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，必須建立一個位移檢測系統(tǒng)來進行反饋。目前，國內(nèi)多采用物理的位移傳感器，由于物理位移傳感器的存在，使磁懸浮軸承的軸向尺寸變大、系統(tǒng)的動態(tài)性能降低、成本較高、可靠性變差，而且最主要是由于傳感器不能裝在磁軸承的中間，導(dǎo)致慣性轉(zhuǎn)子的幾何軸和檢測軸不重合，從而影響磁軸承的控制精度。

磁軸承位移自檢測方法(Self-sensing Magnetic Bearing)，也稱為磁軸承自傳感方法(Sensorless Magnetic Bearing)，就是舍棄傳統(tǒng)物理位移傳感器而通過檢測磁軸承線圈兩端的電壓和電流信號來估測轉(zhuǎn)子位置的方法。該方法能夠從根本上解決位移傳感器的檢測軸與幾何軸存在的偏差問題。由于不需要專門的位移傳感器，轉(zhuǎn)子軸向尺寸變小，可以提高轉(zhuǎn)子的各階模態(tài)轉(zhuǎn)速，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；由于磁軸承線圈就是傳感器，消除了傳統(tǒng)磁懸浮系統(tǒng)中運動方程中相互耦合的問題，便于設(shè)計控制器。

現(xiàn)在國內(nèi)外針對主動磁軸承位移自檢測主要有兩大類，一類是狀態(tài)觀測法，不過此類方法魯棒性差，靈敏度低。另一類方法是信號解調(diào)法，此類方法的核心是注入一個含有位移信息的高頻信號作為載波信號，這個高頻的載波信號頻率要遠高于轉(zhuǎn)子位移的變化頻率，通過軟件或者硬件的方法把轉(zhuǎn)子的位移解算出來。針對線性功放，注入的信號一般是幅值較小的高頻信號，而對于開關(guān)功放，采用線圈的電流紋波作為載波信號，而無需額外加入信號。這種信號解調(diào)方法在魯棒性和靈敏度方面都要優(yōu)于狀態(tài)觀測法，也是現(xiàn)在主動磁軸承位移自檢測的研究熱點。

對于航天以及綠色能源領(lǐng)域，能量消耗對于磁軸承系統(tǒng)來說至關(guān)重要，永磁偏置磁軸承依靠永磁體提供偏置磁場，所以相比與主動磁軸承在節(jié)能方面有著很大優(yōu)勢。而對于功放系統(tǒng)而言，開關(guān)功放在節(jié)能方面也要優(yōu)于線性功放，所以在節(jié)能方面有著苛刻要求的航天以及綠色能源領(lǐng)域，采用開關(guān)功放的被動磁軸承是很好的選擇，因此對開關(guān)功放的永磁偏置被動磁軸承位移自檢測的研究有著重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對雙電平開關(guān)功放的永磁偏置磁軸承，通過硬件電路設(shè)計了永磁偏置磁軸承的自傳感檢測系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理位移傳感器，實現(xiàn)永磁偏置磁軸承系統(tǒng)的無傳感器檢測。

一種基于雙電平功放永磁偏置混合磁軸承的無位移傳感器檢測方法，在一個自由度線圈串聯(lián)的結(jié)構(gòu)下，對上下線圈包含轉(zhuǎn)子位移信息的中點電壓進行硬件電路的解調(diào)處理，包括以下步驟：

(1)永磁偏置磁軸承的線圈連接：在同一自由度上，把永磁偏置磁軸承上下線圈進行串聯(lián)連接，并且引出上下線圈的中點電壓。

(2)位移解算核心公式推導(dǎo)：通過對永磁偏置磁軸承的磁路分析以及電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)出上下線圈電壓差與轉(zhuǎn)子位移的關(guān)系，這樣利用一個自由度的中點電壓進行解算就可以得到兩個自由度的位移，不妨利用X向的中點電壓進行解算。

(3)設(shè)計橋式檢測電路：生成含有位移信息的被解調(diào)信號。

(4)解調(diào)控制信號生成：通過數(shù)字控制器生成兩自由度相位正交的PWM，來保證在一個控制周期中X方向上下線圈電壓差與轉(zhuǎn)子位移關(guān)系式有兩種不相關(guān)的檢測狀態(tài)。