一种单自由度磁液双悬浮轴承控制装置及方法

摘要

本发明公开了一种单自由度磁液双悬浮轴承控制装置及方法，其中第二控制器、第二功率放大器、比例调速阀线圈以及位移传感器依次闭合连接，构成位置闭环；第一控制器、第一功率放大器、磁液双悬浮轴承线圈以及电流传感器依次闭合连接，构成力闭环；位移传感器用于检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量，第二控制器与第二功率放大器用于驱动比例调速阀的线圈，改变其流量，即静压力；所述第一控制器及第一功率放大器用于驱动磁液双悬浮轴承线圈，从而改变电磁力大小，电流传感器用于检测磁液双悬浮轴承的线圈电流。本发明采用双闭环控制分别对静压力与电磁力进行控制，使其按比例共同补偿外负载，弥补静压力响应慢的不足，提高磁液双悬浮轴承的可靠性。

权利要求

1.一种单自由度磁液双悬浮轴承控制装置，其特征在于，包括：位移传感器、第一控制器、第二控制器、磁液双悬浮轴承线圈、比例调速阀线圈、电流传感器、第一功率放大器、第二功率放大器，其中所述第一控制器、第一功率放大器、磁液双悬浮轴承线圈以及电流传感器环依次闭合连接，构成内环的力闭环，所述第二控制器、所述第二功率放大器、比例调速阀线圈以及位移传感器依次闭合连接，构成外环的位置闭环，所述位移传感器检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量，所述第二控制器及第二功率放大器根据偏移量共同驱动比例调速阀线圈，改变流经支承腔流量，进而改变支承腔的静压力；所述第一控制器及第一功率放大器根据磁液比例系数共同驱动磁液双悬浮轴承线圈以改变电磁力，从而使静压力与电磁力按比例共同承担外负载；所述电流传感器检测磁液双悬浮轴承的线圈电流。

2.根据权利要求1所述的单自由度磁液双悬浮轴承控制装置，其特征在于，所述磁液双悬浮轴承的定子设有4个径向磁极，每两个磁极构成一个磁通回路，每个磁极底部都设有一个支承腔。

3.根据权利要求2所述的单自由度磁液双悬浮轴承控制装置，其特征在于，所述磁液比例系数为流量与控制电流之间的比例，比例为1：K，其中K取值范围为1～4。

4.一种单自由度磁液双悬浮轴承控制方法，根据权利要求1至3任一项所述控制装置实现的，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、位移传感器检测到磁液双悬浮轴承的转子发生偏移，并将位移信号传递至第二控制器及磁液比例系数处；

(2)、第二控制器根据位移信号的大小产生控制电压，并经过第二功率放大器输出，用来驱动比例调速阀的线圈，进而改变流进支承腔的流量来控制静压力，其中比例调速阀根据不同电压乘以比例系数k，输出不同的流量；将电压信号乘以转换系数k转变为流量信号并传递至磁液比例系数处；

(3)、磁液比例系数将接收到的位移信号显示，并通过位移信号的大小自动分析，并输出此时的磁液比例系数K；同时根据此时设定的磁液比例系数将接收到的流量系数乘以比例系数K转换为电流信号输出至第一控制器；

(4)、第一控制器将接收到的电流信号进行处理传递至第一功率放大器，并由第一功率放大器输出满足磁液双悬浮轴承线圈的驱动电流，来控制电磁力。

说明书

一种单自由度磁液双悬浮轴承控制装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及控制技术领域，特别是涉及一种单自由度磁液双悬浮轴承控制装置及方法。

背景技术

[0002] 磁液双悬浮轴承采用电磁力和静压支承力双重支承，是一种新型的非机械接触的轴承，具有无摩擦、无磨损、承载能力大、运动精度高、使用寿命长等优点。因为该轴承包含两套支承系统，而传统的控制方法单一，恢复响应较慢。

发明内容

[0003] 针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种单自由度磁液双悬浮轴承控制装置及方法，本发明采用双闭环控制方法，分别对静压力与电磁力进行控制，使其按比例共同补偿外负载，该发明有效的弥补了静压力响应慢的不足，提高了磁液双悬浮轴承的可靠性。

[0004] 为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

[0005] 一种单自由度磁液双悬浮轴承控制装置，其特征在于，包括：位移传感器、第一控制器、第二控制器、磁液双悬浮轴承线圈、比例调速阀线圈、电流传感器、第一功率放大器、第二功率放大器，其中所述第一控制器、第一功率放大器、磁液双悬浮轴承线圈以及电流传感器环依次闭合连接，构成内环的力闭环，所述第二控制器、所述第二功率放大器、比例调速阀线圈以及位移传感器依次闭合连接，构成外环的位置闭环，所述位移传感器检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量，所述第二控制器及第二功率放大器根据偏移量共同驱动比例调速阀线圈，改变流经支承腔流量，进而改变支承腔的静压力；所述第一控制器及第一功率放大器根据磁液比例系数共同驱动磁液双悬浮轴承线圈以改变电磁力，从而使静压力与电磁力按比例共同承担外负载；所述电流传感器检测磁液双悬浮轴承的线圈电流。

[0006] 上述技术方案中，所述磁液双悬浮轴承的定子设有4个径向磁极，每两个磁极构成一个磁通回路，每个磁极底部都设有一个支承腔。

[0007] 上述技术方案中，所述磁液比例系数为流量与控制电流之间的比例，比例为1：K，其中K取值范围为1～4。

[0008] 本发明的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制方法，根据上述控制装置实现的，其特征在于，包括如下步骤：

[0009] (1)、位移传感器检测到磁液双悬浮轴承的转子发生偏移，并将位移信号传递至第二控制器及磁液比例系数处；

[0010] (2)、第二控制器根据位移信号的大小产生控制电压，并经过第二功率放大器输出，用来驱动比例调速阀的线圈，进而改变流进支承腔的流量来控制静压力，其中比例调速阀根据不同电压乘以比例系数k，输出不同的流量；将电压信号乘以转换系数k转变为流量信号并传递至磁液比例系数处；

[0011] (3)、磁液比例系数将接收到的位移信号显示，并通过位移信号的大小自动分析，并输出此时的磁液比例系数K；同时根据此时设定的磁液比例系数将接收到的流量系数乘以比例系数K转换为电流信号输出至第一控制器；

[0012] (4)、第一控制器将接收到的电流信号进行处理传递至第一功率放大器，并由第一功率放大器输出满足磁液双悬浮轴承线圈的驱动电流，来控制电磁力。

[0013] 与现有技术相比，本发明的优点如下：

[0014] 本发明采用两套闭环控制方法，分别对静压力与电磁力进行控制，使其按一定比例共同补偿外负载，该发明有效的弥补了静压力响应慢的不足，提高了磁液双悬浮轴承的可靠性。

附图说明

[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

[0016] 图1为单自由度磁液双悬浮轴承控制方法示意图；

[0017] 图2为磁液双悬浮轴承定子结构示意图；

[0018] 图3为单由度磁液双悬浮轴承双闭环控制方法结构框图；

具体实施方式

[0019] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0020] 如图1所示，本发明的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制装置，其特征在于，包括：位移传感器、第一控制器、第二控制器、磁液双悬浮轴承线圈、比例调速阀线圈、电流传感器、第一功率放大器、第二功率放大器，其中第一控制器、第一功率放大器、磁液双悬浮轴承线圈以及电流传感器环依次闭合连接，构成内环的力闭环，用来调节电磁力。第二控制器、第二功率放大器、比例调速阀线圈以及位移传感器依次闭合连接，构成外环的位置闭环，用来调节静压力的大小，使转子保持平衡。

[0021] 位移传感器检测磁液双悬浮轴承的转子的偏移量，磁液比例系数为流量与控制电流之间的比例，比例为1：K，其中K取值范围为1～4，从而使静压力与电磁力按比例共同补偿外负载。第二控制器及第二功率放大器根据偏移量共同驱动比例调速阀线圈，改变流经支承腔流量，进而改变支承腔的静压力；所述第一控制器及第一功率放大器根据磁液比例系数共同驱动磁液双悬浮轴承线圈以改变电磁力，从而使静压力与电磁力按比例共同承担外负载；所述电流传感器检测磁液双悬浮轴承的线圈电流，起到保护磁液双悬浮线圈的作用。

[0022] 如图2所示，A1为进液通道，A2为径向磁极，A3为上电磁线圈1，A4为下电磁线圈2，A5为上支承单元1，A6为上支承腔1，A7为下支承腔2，A8为下支承单元2。磁液双悬浮轴承的定子设有4个径向磁极，每个磁极上都设有进油通孔，每两个磁极构成一个磁通回路，并共用一个进油口，每个磁极底部都设有一个支承腔。

[0023] 本发明的一种单自由度磁液双悬浮轴承控制方法，包括如下步骤：

[0024] (1)、位移传感器检测到磁液双悬浮轴承的转子发生偏移，并将位移信号传递至第二控制器及磁液比例系数处；

[0025] (2)、第二控制器根据位移信号的大小产生控制电压，并经过第二功率放大器输出，用来驱动比例调速阀线圈，进而改变流进支承腔的流量来控制静压力，其中比例调速阀根据不同电压乘以比例系数k，输出不同的流量；将电压信号乘以转换系数k转变为流量信号并传递至磁液比例系数处；

[0026] (3)、磁液比例系数将接收到的位移信号显示，并通过位移信号的大小自动分析，并输出此时的磁液比例系数K；同时根据此时设定的磁液比例系数将接收到的流量系数乘以比例系数K转换为电流信号输出至第一控制器；

[0027] (4)、第一控制器将接收到的电流信号进行处理传递至第一功率放大器，并由第一功率放大器输出满足磁液双悬浮轴承线圈的驱动电流，来控制电磁力。

[0028] 具体地，如图3所示，初始时上、下油腔比例调速阀的偏置电压为u0，由于外载荷的作用下轴产生偏移，即上支承腔、下支承腔的液膜厚度h1、h2为：

[0029]

[0030] 第二功率放大器以差动方式工作，则此时上、下油腔比例调速阀电磁线圈通过的电压分别为：u0-u、u0+u，因此通过上、下油腔比例调速阀的流量分别为q1、q2：

[0031]

[0032] 式中：k—流量—电压比例系数；

[0033] q10—上支承腔比例调速阀初始流量；

[0034] q20—下支承腔比例调速阀初始流量；

[0035] 由于上下支承腔液膜厚度的改变，引起上下支承腔液阻和压力的改变(忽略敏感液路对轴承系统的影响)，因此上支承腔、下支承腔的流量为：

[0036]

[0037] 式中，Ab-支承腔的等效挤压面积，m2。

[0038] 同理，上支承腔、下支承腔的液体静压支承力f液,1、f液,2为：

[0039]

[0040] 式中，R1-上支承腔1的液阻，N·s/m5；

[0041] R2-下支承腔2的液阻，N·s/m5；

[0042] Ae-支承腔承载面积，m2。

[0043] 磁液比例系数通过设定的比例将流量信号转变为电流信号输出，并通过第一控制器及第一功率放大器进行调整输出满足要求的驱动电流i，进而驱动磁液双悬浮轴承线圈，此时通过上下电磁线圈电流分别为(i0+i)、(i0-i)，因此上支承单元、下支承单元的电磁悬浮支承力为：

[0044]

[0045] 式中，k-电磁常数，H·m；

[0046] 式中，i-转子位移引起偏置电流，A；

[0047] i0-电磁线圈初始偏置电流，A；

[0048] l-电磁铁的镀锌层厚度，m；

[0049] μ0-空气磁导率，H/m；

[0050] N-电磁线圈匝数，无量纲；

[0051] A-铁芯面积，m2。

[0052] 根据牛顿第二定律，得到转子的力学平衡方程：

[0053] f电,1,0+f液,2,0-f电,2,0-f液,1,0＝0

[0054] 从而实现了静压力与电磁力按设定的比例共同补偿外负载，即实现双闭环控制。

[0055] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。