[發明專利]一種混合式磁懸浮軸承醫用離心機及其控制方法

有效

• 申請號: 201811049783.7
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109225670B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 沈瀟;常龍;王宇;丁鴻昌;肖楠
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: B04B5/04
• 分類號: B04B5/04;B04B13/00
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 種艷麗

1.一種混合式磁懸浮軸承醫用離心機，其特征在于：包括混合式軸向磁懸浮支撐軸承、第一徑向磁懸浮軸承、第二徑向磁懸浮軸承、電機、離心筒和驅動軸；混合式軸向磁懸浮支撐軸承安裝在驅動軸的頂部，第一徑向磁懸浮軸承和第二徑向磁懸浮軸承分別安裝在驅動軸的上部和下部，離心筒通過驅動軸與電機相連接；

混合式軸向磁懸浮支撐軸承，包括第一定子、吸力盤、永磁環、第一主動電磁線圈、出線孔、第一位移傳感器、第一電流傳感器、轉速傳感器；其中，第一定子與永磁環通過螺栓固接，第一定子與第一位移傳感器通過螺栓固接，吸力盤與驅動軸的下盤軸通過螺栓固接，轉速傳感器與驅動軸同軸安裝，與第一定子通過螺栓固接，第一主動電磁線圈通過出線孔走線；永磁環，被配置為用于抵消離心機上的由驅動軸傳遞來的且與驅動軸固接的零部件的重力；第一位移傳感器，被配置為用于檢測混合式軸向磁懸浮支撐軸承與離心機上的驅動軸的位移軸向偏差；第一電流傳感器，被配置為用于檢測第一主動電磁線圈的電流大小；

第二徑向磁懸浮軸承與第一徑向磁懸浮軸承在結構上完全相同，均包括第二定子、第二主動電磁線圈、第二電流傳感器、第二位移傳感器和第三位移傳感器；第二位移傳感器和第三位移傳感器在同一水平面并成90°角放置；第二位移傳感器和第三位移傳感器，被配置為用于檢測混合式徑向磁懸浮軸承與離心機的徑向位移偏差；第二定子與第二位移傳感器和第三位移傳感器分別通過螺栓固接；第二主動電磁線圈由漆包銅線沿第二定子環繞而成；

第二徑向磁懸浮軸承與第一徑向磁懸浮軸承的第二主動電磁線圈都設置有八個，八個相同的第二主動電磁線圈沿徑向軸對稱平均分布；

每相鄰兩個第二主動電磁線圈串聯成為一個主動電磁線圈對，即沿徑向軸對稱平均分布有四個結構相同的主動電磁線圈對；第二電流傳感器，被配置為用于檢測第二主動電磁線圈對的電流大小，相應的，第二電流傳感器也設置有四個；

每個主動電磁線圈對與其沿軸線成180°角的主動電磁線圈對構成一個主動電磁線圈組，即沿徑向軸對稱平均分布有兩個結構相同的主動電磁線圈組，即每個主動電磁線圈組內部有兩個主動電磁線圈對；混合式軸向磁懸浮支撐軸承、第一徑向磁懸浮軸承和第二徑向磁懸浮軸承由磁軸承控制系統控制。

2.根據權利要求1所述的混合式磁懸浮軸承醫用離心機，其特征在于：第二定子有8個磁極，8個磁極平均分布，每極相隔45°角。

3.根據權利要求1所述的混合式磁懸浮軸承醫用離心機，其特征在于：電機采用永磁同步電機。

4.根據權利要求1所述的混合式磁懸浮軸承醫用離心機，其特征在于：磁軸承控制系統，包括：1個控制器、2個信號處理單元、5個光耦隔離電路以及9個功率放大電路；

信號處理單元、控制器、光耦隔離電路、功率放大電路通過線路依次連接；

2個信號處理單元：其中一個被配置為用于處理混合式軸向磁懸浮支撐軸承、第一徑向磁懸浮軸承和第二徑向磁懸浮軸承中的位移傳感器的輸出信號，另一個被配置為用于處理混合式軸向磁懸浮支撐軸承、第一徑向磁懸浮軸承和第二徑向磁懸浮軸承中的電流傳感器的輸出信號；

5個光耦隔離電路：其中，混合式軸向磁懸浮支撐軸承配置有1個，第一徑向磁懸浮軸承和第二徑向磁懸浮軸承分別配置有2個，用于實現控制器輸出的PWM控制信號與功率放大電路的隔離；

9個功率放大電路：其中，混合式軸向磁懸浮支撐軸承配置有1個，第一徑向磁懸浮軸承和第二徑向磁懸浮軸承分別配置有4個，對應其主動電磁線圈對。

5.根據權利要求4所述的混合式磁懸浮軸承醫用離心機，其特征在于：信號處理單元采用TL084運算放大器對信號進行運算；控制器采用STM32F103ZET6單片機；光耦隔離電路采用HCPL2530光耦隔離器，實現控制器輸出的PWM控制信號與功率放大電路的隔離；功率放大電路的驅動芯片采用IR2101S，功率放大電路的功率開關器件采用IRF540。

6.一種混合式磁懸浮軸承醫用離心機的控制方法，其特征在于：采用如權利要求4所述的一種混合式磁懸浮軸承醫用離心機，包括如下步驟：

步驟1：通過第一位移傳感器檢測混合式軸向磁懸浮支撐軸承與離心機上的驅動軸的軸向位移偏差，或者通過第二位移傳感器和第三位移傳感器檢測第一徑向磁懸浮軸承和第二徑向磁懸浮軸承與離心機上的驅動軸的徑向位移偏差，第一位移傳感器或者第二位移傳感器和第三位移傳感器將位移偏差轉換為電壓信號，并將電壓信號輸出到其中一個信號處理單元，信號處理單元對電壓信號進行加減、放大以及濾波處理，然后反饋給控制器，控制器運用位移PID控制算法，確定該位移方向的每個主動電磁線圈對的電流偏差大小；

步驟2：通過電流傳感器檢測每個主動電磁線圈的電流大小，然后輸出到另一個信號處理單元，信號處理單元對電流信號進行加減、放大以及濾波處理，然后反饋給控制器，控制器運用電流PID算法，通過調節控制器輸出的PWM信號的占空比大小，并結合光耦隔離電路將控制器輸出的PWM信號發送給功率放大電路，最終實現調節每個主動電磁線圈對的電流大小，完成離心筒各位移傳感器方向的穩定懸浮；

步驟3：控制器通過轉速傳感器實時檢測到離心機轉速即將進入共振區轉速區間時，運用位移PID控制算法，通過增大第二主動電磁線圈的靜態電流，增大第二主動電磁線圈的磁阻尼，使得混合式磁懸浮軸承醫用離心機的振動明顯得到控制，進而使混合式磁懸浮軸承醫用離心機順利通過共振區；

步驟4：控制器通過轉速傳感器實時檢測到離心機轉速已經脫離共振區轉速區間時，運用位移PID控制算法，恢復第二主動電磁線圈的靜態電流。