混合式磁悬浮轴承的控制方法、装置及系统

摘要

本发明公开了一种混合式磁悬浮轴承的控制方法、装置及系统。其中，该方法包括：检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定位移偏差量的电压控制信号；通过功率控制器对电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；利用处理后的电压控制信号确定功率放大器输出的驱动电流；通过驱动电流驱动电磁线圈，以使转子悬浮。本发明解决了混合式磁悬浮轴承系统在存在负载或者外界干扰力时功耗大的技术问题。

权利要求

1.一种混合式磁悬浮轴承的控制方法，其特征在于，包括：检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定所述位移偏差量的电压控制信号；

通过功率控制器对所述电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；

利用所述处理后的电压控制信号确定功率放大器输出的驱动电流；

通过所述驱动电流驱动电磁线圈，以使所述转子悬浮；

其中，所述位移偏差量为所述转子的当前位置相对于所述转子的平衡位置的偏差量。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过功率控制器对所述电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号包括：将所述电压控制信号作为所述功率控制器的输入，对所述电压控制信号作积分处理，得到反馈信号；

将所述反馈信号与所述电压控制信号叠加，输出所述处理后的电压控制信号。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，对所述电压控制信号作积分处理，得到反馈信号包括：将所述电压控制信号作k/s积分处理，得到所述反馈信号，其中，所述k表示所述功率控制器的比例系数，1/s表示积分。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的控制方法，其特征在于，检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量包括：实时检测所述转子的当前位置；

计算所述转子的平衡位置与所述当前位置的差值，得到所述位移偏差量。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在通过所述驱动电流驱动电磁线圈，以使所述转子悬浮之后，所述控制方法还包括：将所述转子的当前位置确定为所述转子更新后的平衡位置。

6.一种混合式磁悬浮轴承的控制系统，其特征在于，包括：处理器，用于检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定所述位移偏差量的电压控制信号；

功率控制器，用于对所述电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；

功率放大器，用于利用所述处理后的电压控制信号确定所述功率放大器输出的驱动电流，并通过所述驱动电流驱动电磁线圈，以使所述转子悬浮；

其中，所述位移偏差量为所述转子的当前位置相对于所述转子的平衡位置的偏差量。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：积分器，所述电压控制信号作为所述功率控制器的输入，通过所述积分器对所述电压控制信号作积分处理，得到反馈信号，将所述反馈信号与所述电压控制信号叠加，输出所述处理后的电压控制信号。

8.根据权利要求6或7所述的控制系统，其特征在于，所述处理器包括：位移传感器，用于实时检测所述转子的当前位置；

比较器，用于计算所述转子的平衡位置与所述当前位置的差值，得到所述位移偏差量；

电压控制器，用于确定所述位移偏差量的电压控制信号。

9.一种混合式磁悬浮轴承的控制装置，其特征在于，包括：处理单元，用于检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定所述位移偏差量的电压控制信号；

反馈单元，用于通过功率控制器对所述电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；

确定单元，用于利用所述处理后的电压控制信号确定功率放大器输出的驱动电流；

驱动单元，用于通过所述驱动电流驱动电磁线圈，以使所述转子悬浮；

其中，所述位移偏差量为所述转子的当前位置相对于所述转子的平衡位置的偏差量。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述反馈单元包括：积分反馈模块，用于将所述电压控制信号作为所述功率控制器的输入，对所述电压控制信号作积分处理，得到反馈信号；

叠加模块，用于将所述反馈信号与所述电压控制信号叠加，输出所述处理后的电压控制信号。

说明书

混合式磁悬浮轴承的控制方法、装置及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及轴承控制领域，具体而言，涉及一种混合式磁悬浮轴承的控制方法、装置及系统。

背景技术

[0002] 磁悬浮轴承是一种无接触的新型高性能机电一体化轴承，具有无摩擦、无磨损、无需润滑等优点。混合式磁悬浮轴承作为磁悬浮轴承中的一种，其机构部件存在永久磁铁与电磁铁，永久磁铁提供偏置磁场，可以避免主动磁悬浮系统因偏置电流产生的功耗，电磁铁产生控制磁场，仅用于提供平衡负载或者外界干扰力的控制电流。混合式磁悬浮轴承与主动式磁悬浮轴承相比，虽然已经降低了功耗，但如何进一步降低混合式磁悬浮轴承的功耗是磁悬浮轴承控制器设计所面临的问题。

[0003] 常规的混合式磁悬浮轴承控制器采用定气隙控制方法，其工作原理为：位移传感器实时监测磁悬浮转子的位移信号，并与参考位移信号进行比较，计算出偏差量，控制器把该偏差量转变为控制信号，经过功率放大器转变为控制电流，控制电路产生控制磁场，与偏置磁场相叠加，进而实时的改变电磁力的大小，使转子稳定悬浮在平衡位置。

[0004] 当混合式磁悬浮轴承转子无负载或者无任何外界干扰力的情况下，转子将稳定悬浮于平衡位置，此时，转子主要靠永久磁铁提供的偏置磁场保持稳定悬浮状态，电磁线圈的控制电流基本为零。但是当存在负载或者外界干扰力时，电磁线圈需要产生一定的控制电流来保持转子稳定悬浮于平衡位置，并且负载或者干扰力增大，控制电流将随着增大，功耗也相应的增大。

[0005] 现有技术中，混合式磁悬浮轴承控制器当存在负载或者外界干扰力时，电磁线圈始终流过一定的控制电流，并且随着负载或者干扰力增大，控制电流增大，功耗增大。

[0006] 针对现有的混合式磁悬浮轴承系统在存在负载或者外界干扰力时功耗大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

[0007] 本发明实施例提供了一种混合式磁悬浮轴承的控制方法、装置及系统，以至少解决混合式磁悬浮轴承系统在存在负载或者外界干扰力时功耗大的技术问题。

[0008] 根据本发明实施例的一个方面，提供了一种混合式磁悬浮轴承的控制方法，该控制方法包括：检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定所述位移偏差量的电压控制信号；通过功率控制器对所述电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；利用所述处理后的电压控制信号确定功率放大器输出的驱动电流；通过所述驱动电流驱动电磁线圈，以使所述转子悬浮。

[0009] 进一步地，通过功率控制器对所述电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号包括：将所述电压控制信号作为所述功率控制器的输入，对所述电压控制信号作积分处理，得到反馈信号；将所述反馈信号与所述电压控制信号叠加，输出所述处理后的电压控制信号。

[0010] 进一步地，对所述电压控制信号作积分处理，得到反馈信号包括：将所述电压控制信号作k/s积分处理，得到所述反馈信号，其中，所述k表示所述功率控制器的比例系数，1/s表示积分。

[0011] 进一步地，检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量包括：实时检测所述转子的当前位置；计算所述转子的平衡位置与所述当前位置的差值，得到所述位移偏差量。

[0012] 进一步地，在通过所述驱动电流驱动电磁线圈，以使所述转子悬浮之后，所述控制方法还包括：将所述转子的当前位置确定为所述转子更新后的平衡位置。

[0013] 根据本发明实施例的一个方面，提供了一种混合式磁悬浮轴承的控制系统，该控制系统包括：处理器，用于检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定所述位移偏差量的电压控制信号；功率控制器，用于对所述电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；功率放大器，用于利用所述处理后的电压控制信号确定所述功率放大器输出的驱动电流，并通过所述驱动电流驱动电磁线圈，以使所述转子悬浮。

[0014] 进一步地，所述控制系统还包括：积分器，所述电压控制信号作为所述功率控制器的输入，通过所述积分器对所述电压控制信号作积分处理，得到反馈信号，将所述反馈信号与所述电压控制信号叠加，输出所述处理后的电压控制信号。

[0015] 进一步地，所述处理器包括：位移传感器，用于实时检测所述转子的当前位置；比较器，用于计算所述转子的平衡位置与所述当前位置的差值，得到所述位移偏差量；电压控制器，用于确定所述位移偏差量的电压控制信号。

[0016] 根据本发明实施例的一个方面，提供了一种混合式磁悬浮轴承的控制装置，该控制装置包括：处理单元，用于检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定所述位移偏差量的电压控制信号；反馈单元，用于通过功率控制器对所述电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；确定单元，用于利用所述处理后的电压控制信号确定功率放大器输出的驱动电流；驱动单元，用于通过所述驱动电流驱动电磁线圈，以使所述转子悬浮。

[0017] 进一步地，所述反馈单元包括：积分反馈模块，用于将所述电压控制信号作为所述功率控制器的输入，对所述电压控制信号作积分处理，得到反馈信号；叠加模块，用于将所述反馈信号与所述电压控制信号叠加，输出所述处理后的电压控制信号。

[0018] 采用上述实施例，通过功率控制器对电压控制信号作正反馈处理，可以对电压控制信号起到促进或加强的作用，基于得到的处理后的电压控制信号确定的驱动信号驱动电磁线圈，不仅可以将转子拉回至原来的平衡位置，而且可以使转子向负载作用力的反方向运动，从而在负载增大时，无需驱动电流驱动转子运动，减小了轴承的功耗，解决了现有技术中混合式磁悬浮轴承系统在存在负载或者外界干扰力时功耗大的问题。

附图说明

[0019] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0020] 图1是根据本发明实施例的混合式磁悬浮轴承的控制方法的流程图；

[0021] 图2是根据现有技术中的一种可选的混合式磁悬浮轴承的控制方法的流程示意图；

[0022] 图3是根据本发明实施例的混合式磁悬浮轴承的控制方法的流程示意图；

[0023] 图4是根据本发明实施例的混合式磁悬浮轴承的控制系统的示意图；

[0024] 图5是根据本发明实施例的一种可选的混合式磁悬浮轴承的控制系统的示意图；

[0025] 图6是根据本发明实施例的混合式磁悬浮轴承的控制装置的示意图。

具体实施方式

[0026] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0027] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0028] 根据本发明实施例，提供了一种混合式磁悬浮轴承的控制方法的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

[0029] 图1是根据本发明实施例的混合式磁悬浮轴承的控制方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

[0030] 步骤S102，检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定位移偏差量的电压控制信号。

[0031] 步骤S104，通过功率控制器对电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号。

[0032] 步骤S106，利用处理后的电压控制信号确定功率放大器输出的驱动电流。

[0033] 步骤S108，通过驱动电流驱动电磁线圈，以使转子悬浮。

[0034] 采用上述实施例，通过功率控制器对电压控制信号作正反馈处理，可以对电压控制信号起到促进或加强的作用，基于得到的处理后的电压控制信号确定的驱动信号驱动电磁线圈，不仅可以将转子拉回至原来的平衡位置，而且可以使转子向负载作用力的反方向运动，从而在负载增大时，无需驱动电流驱动转子运动，减小了轴承的功耗，解决了现有技术中混合式磁悬浮轴承系统在存在负载或者外界干扰力时功耗大的问题。

[0035] 根据本发明的上述实施例，通过功率控制器对电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号包括：将电压控制信号作为功率控制器的输入，对电压控制信号作积分处理，得到反馈信号；将反馈信号与电压控制信号叠加，输出处理后的电压控制信号。

[0036] 进一步地，对电压控制信号作积分处理，得到反馈信号包括：将电压控制信号作k/s积分处理，得到反馈信号，其中，k表示功率控制器的比例系数，1/s表示积分。

[0037] 通过上述实施例中混合式磁悬浮轴承的控制方法，可以降低混合式磁悬浮轴承控制器的功耗。当混合式磁悬浮轴承正常工作时电磁线圈中电流近似为零，即使负载或者干扰力增大，电磁线圈中的电流几乎为零，即功耗约为零。

[0038] 具体地，检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量包括：实时检测转子的当前位置；计算转子的平衡位置与当前位置的差值，得到位移偏差量。

[0039] 进一步地，在通过驱动电流驱动电磁线圈，以使转子悬浮之后，控制方法还包括：将转子的当前位置确定为转子更新后的平衡位置。

[0040] 通过上述实施例，降低了混合式磁悬浮轴承控制器的功耗，使系统更加节能。

[0041] 下面结合图2和图3，以外界增加一个恒定负载为例说明。

[0042] 图2和图3中的参数说明如下：xref：参考位移值(即上述的平衡位置)；Gc(s)：电压控制器传递函数；Gp(s)：功率放大器传递函数；Gs(s)：功率传感器传递函数；ki：电流系数；kx：位移系数；m：转子质量；Fd：负载或者干扰力；x：实际位移值(即上述的当前位置)；k：零功率控制器的比例系数且k≠0。

[0043] 如图2所示的采用定气隙控制方法中，位移传感器实时监测磁悬浮转子的位移信号，并与参考位移信号进行比较，计算出偏差量，控制器把该偏差量转变为控制信号，经过功率放大器转变为控制电流，控制电路产生控制磁场，与偏置磁场相叠加，进而实时的改变电磁力的大小，使转子稳定悬浮在平衡位置。

[0044] 具体地，当外界给转子增加一个恒定负载Fd时，假设转子将偏离原来的平衡位置xref向下运动，则上方气隙增大，磁通Φ上减小；下方气隙减小，磁通Φ上增大，此时转子所受的电磁力F上＜F下。此时，位移传感器检测出转子偏离平衡位置的位移，控制器将这一位移信号变换成控制信号传给功率放大器，功率放大器将该控制信号转变成控制电流ix，该控制电流经过电磁线圈产生一平衡外界干扰的电磁磁通Φd，与原有永久磁铁的磁通叠加，最终使转子所受的电磁力F上≥F下，从而转子重新回到原来的平衡位置。

[0045] 如图3所示的本发明的实施例中，位移传感器实时监测磁悬浮转子的位移信号(即当前位置)，并与参考位移信号(即平衡位置)进行比较，计算出位移偏差量，电压控制器把该偏差量转变为电压控制信号，该电压控制信号输入零功率控制器(即上述的功率控制器)，零功率控制器对其进行积分正反馈处理，得到处理后的电压控制信号，该处理后的电压控制信号经功率放大器转变为驱动电流，电磁线圈在该驱动电流的驱动下产生磁场，与偏置磁场相叠加，进而实时的改变电磁力的大小，使转子稳定悬浮在平衡位置。

[0046] 具体地，当外界给转子增加一个恒定负载Fd时，首先假设转子将偏离原来的平衡位置xref向下运动一段距离，那么转子的实际位移发生变化，通过位移传感器检测出转子偏离平衡位置的位移，经过反馈回路产生一个正电压到零功率控制器前端，由于零功率控制器存在积分正反馈作用，此时零功率控制器将输出一个很大的控制正电压，经过功率放大器和电磁线圈产生的电磁力不仅将转子拉回到平衡位置而且使转子向上运动一段距离，这个向上的位移经反馈回路后产生一个负电压到零功率控制器前端，由于积分器有记忆功能，该负电压与积分器原有的正电压相抵消，故零功率控制器的输出为零，因此，功率放大器的输出电流、电磁线圈的电磁力将为零。此时系统的平衡位置已向上偏移，该位置就是转子新的平衡位置，所以零功率控制方法是通过适当调整悬浮气隙，使转子稳定悬浮，并使电磁线圈电流始终近似为零的控制方法。

[0047] 通过上述实施例，功率控制器K/S反馈输出的结果(即反馈信号)与Gc(s)输出的电压控制信号叠加，最后输入处理后的电压控制信号至Gp(s)，可以说是K/S向Gp(s)反馈，并最终实现零功率控制器的输出为零，即Gp(S)前的输入信号为零。

[0048] 根据本发明实施例的一个方面，提供了一种混合式磁悬浮轴承的控制系统，该控制系统包括如图4所示的处理器10，用于检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定位移偏差量的电压控制信号；功率控制器30，用于对电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；功率放大器50，用于利用处理后的电压控制信号确定功率放大器输出的驱动电流，并通过驱动电流驱动电磁线圈70，以使转子悬浮。

[0049] 采用上述实施例，通过功率控制器对电压控制信号作正反馈处理，可以对电压控制信号起到促进或加强的作用，基于得到的处理后的电压控制信号确定的驱动信号驱动电磁线圈，不仅可以将转子拉回至原来的平衡位置，而且可以使转子向负载作用力的反方向运动，从而在负载增大时，无需驱动电流驱动转子运动，减小了轴承的功耗，解决了现有技术中混合式磁悬浮轴承系统在存在负载或者外界干扰力时功耗大的问题。

[0050] 进一步地，控制系统还包括：积分器，电压控制信号作为功率控制器的输入，通过积分器对电压控制信号作积分处理，得到反馈信号，将反馈信号与电压控制信号叠加，输出处理后的电压控制信号。

[0051] 进一步地，处理器包括如图5所示的：位移传感器11，用于实时检测转子的当前位置；比较器(图5中未示出)，用于计算转子的平衡位置与当前位置的差值，得到位移偏差量；电压控制器13，用于确定位移偏差量的电压控制信号。

[0052] 通过上述实施例中混合式磁悬浮轴承的控制方法，可以降低混合式磁悬浮轴承控制器的功耗。当混合式磁悬浮轴承正常工作时电磁线圈中电流近似为零，即使负载或者干扰力增大，电磁线圈中的电流几乎为零，即功耗约为零。

[0053] 根据本发明实施例的一个方面，提供了一种混合式磁悬浮轴承的控制装置，该控制装置包括如图6所示的：处理单元20，用于检测磁悬浮轴承的转子的位移偏差量，并确定位移偏差量的电压控制信号；反馈单元40，用于通过功率控制器对电压控制信号作正反馈处理，得到处理后的电压控制信号；确定单元60，用于利用处理后的电压控制信号确定功率放大器输出的驱动电流；驱动单元80，用于通过驱动电流驱动电磁线圈，以使转子悬浮。

[0054] 采用上述实施例，通过功率控制器对电压控制信号作正反馈处理，可以对电压控制信号起到促进或加强的作用，基于得到的处理后的电压控制信号确定的驱动信号驱动电磁线圈，不仅可以将转子拉回至原来的平衡位置，而且可以使转子向负载作用力的反方向运动，从而在负载增大时，无需驱动电流驱动转子运动，减小了轴承的功耗，解决了现有技术中混合式磁悬浮轴承系统在存在负载或者外界干扰力时功耗大的问题。

[0055] 进一步地，反馈单元包括：积分反馈模块，用于将电压控制信号作为功率控制器的输入，对电压控制信号作积分处理，得到反馈信号；叠加模块，用于将反馈信号与电压控制信号叠加，输出处理后的电压控制信号。

[0056] 通过上述实施例中混合式磁悬浮轴承的控制方法，可以降低混合式磁悬浮轴承控制器的功耗。当混合式磁悬浮轴承正常工作时电磁线圈中电流近似为零，即使负载或者干扰力增大，电磁线圈中的电流几乎为零，即功耗约为零。

[0057] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0058] 在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

[0059] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

[0060] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0061] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0062] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0063] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。