專利名稱：減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)同頻振動(dòng)幅度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁力軸承系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)同頻振動(dòng)幅度的方法。
背景技術(shù)：
磁力軸承系統(tǒng)是一種無摩擦、不需潤(rùn)滑的軸承系統(tǒng)，適用于某些具有特殊需求的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，目前磁力軸承系統(tǒng)的應(yīng)用已日益廣泛。磁力軸承系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子受電磁力作用而保持在懸浮狀態(tài)，與定子組件無接觸。磁力軸承系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的，因此需要實(shí)時(shí)地根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置調(diào)節(jié)電磁力，才能保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定地懸浮在工作位置。磁力軸承系統(tǒng)的電磁力的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)軸承電流實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的磁力軸承控制方法中，一般只是根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置以及轉(zhuǎn)子位置變化的速度調(diào)節(jié)軸承電磁力。當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在不平衡力的作用下，轉(zhuǎn)子將偏離工作位置，而此時(shí) 控制方法只是被動(dòng)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子位置，力圖將轉(zhuǎn)子軸線恢復(fù)到設(shè)定的工作位置。這種控制策略不可避免地存在延遲，又由于磁力軸承系統(tǒng)工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子存在間隙，故而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)，轉(zhuǎn)子在不平衡力的作用下將圍繞工作位置出現(xiàn)較大幅度的振動(dòng)，這種振動(dòng)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，故稱為同頻振動(dòng)。在對(duì)轉(zhuǎn)子軸線位置要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合，如高精度機(jī)床主軸等，這種振動(dòng)將產(chǎn)生十分不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的同頻振動(dòng)幅度。(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)同頻振動(dòng)幅度的方法，包括以下步驟SI、采集磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位移值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率；S2、根據(jù)所述當(dāng)前位移值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率計(jì)算用于減小轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)的補(bǔ)償值；S3、將所述補(bǔ)償值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子工作點(diǎn)的位置值相加，得到補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置；S4、根據(jù)補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置和轉(zhuǎn)子當(dāng)前位移值計(jì)算輸出電流指令；S5、將輸出電流指令轉(zhuǎn)換成電流值；S6、將電流值轉(zhuǎn)換成控制所述轉(zhuǎn)子位置的電磁力，利用所述電磁力控制所述轉(zhuǎn)子位置。優(yōu)選地，步驟S2中計(jì)算所述補(bǔ)償值具體包括S21、設(shè)定遺忘因子λ以及采樣周期Ts ;
S22、初始化迭代步數(shù)k = O、逆協(xié)方差矩陣P(O)= : °c以及補(bǔ)償系數(shù)向量
0,(0)= Z]，其中 OO ；S23、令 k = k+l;S24、計(jì)算轉(zhuǎn)子的軸線偏離所述工作點(diǎn)的位移值= 士(>)2 +沖)2，其中x(k)
表示轉(zhuǎn)子當(dāng)前在X方向的位移值，y(k)表示轉(zhuǎn)子當(dāng)前在Y方向的位移值；
sin kQTS25、令φ(Α)=^，其中Ω表示轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率，并計(jì)算g(k)=
COS fCL· hi $
P (k-1) Φ (k) (λ+φ (k)T P (k-1) Φ (k)r1 ；S26、計(jì)算 Qc(k) = Θ c(k-l)+g(k)e(k)；S27、計(jì)算 P(k) = λ-1P (k-1) - λ I (k) Φ (k)T P (k-1)；S28、計(jì)算補(bǔ)償值 v(k) = 9c(k)> (k)；S29、返回步驟S23繼續(xù)計(jì)算,直到k達(dá)到預(yù)設(shè)值。優(yōu)選地，利用所述磁力軸承系統(tǒng)中的位移傳感器采集所述轉(zhuǎn)子當(dāng)前在X方向的位移值以及轉(zhuǎn)子當(dāng)前在Y方向的位移值。優(yōu)選地，利用磁力軸承系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速傳感器采集轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率。優(yōu)選地,利用磁力軸承系統(tǒng)中的功率放大器將輸出電流指令轉(zhuǎn)換成電流值。優(yōu)選地，利用磁力軸承系統(tǒng)中的磁力軸承將所述電流值轉(zhuǎn)換成控制所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁力。(三)有益效果上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明根據(jù)磁力軸承系統(tǒng)中的傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位移及轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率，產(chǎn)生一個(gè)位置補(bǔ)償信號(hào)，然后將位置補(bǔ)償值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子工作點(diǎn)的位置值相加后作用于磁力軸承系統(tǒng)中的控制器，從而抵償?shù)舨黄胶饬Φ挠绊?，減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的同頻振動(dòng)幅度。


圖I是本發(fā)明的方法流程圖；圖2是圖I中計(jì)算補(bǔ)償值的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖I所示，本發(fā)明提供一種減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)同頻振動(dòng)幅度的方法，包括以下步驟SI、采集磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位移值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率；S2、根據(jù)所述當(dāng)前位移值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率計(jì)算用于減小轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)的補(bǔ)償值，所計(jì)算出的補(bǔ)償值為與位置值對(duì)應(yīng)的數(shù)字；
S3、將所述補(bǔ)償值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子工作點(diǎn)的位置值相加，得到補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置，所計(jì)算出的補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置為與位置值對(duì)應(yīng)的數(shù)字；S4、根據(jù)補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置和轉(zhuǎn)子當(dāng)前位移值計(jì)算輸出電流指令，計(jì)算輸出電流指令的過程為現(xiàn)有技術(shù)，所計(jì)算出的輸出電流指令為與電流值對(duì)應(yīng)的數(shù)字；S5、將輸出電流指令轉(zhuǎn)換成電流值；S6、將電流值轉(zhuǎn)換成控制所述轉(zhuǎn)子位置的電磁力，利用所述電磁力控制所述轉(zhuǎn)子位置。上述磁力軸承系統(tǒng)，包括機(jī)架、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、磁力軸承、位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、功率放大器、控制器。位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器均設(shè)置在機(jī)架上，位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的輸出端電連接到控制器上，控制器的指令輸出電連接到功率放大器上，磁力軸承設(shè) 置在機(jī)架上，磁力軸承的輸入端電連接到功率放大器上，轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器機(jī)械連接，除與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接外，在工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)子與系統(tǒng)內(nèi)其他部件無機(jī)械接觸，保持一定間隙，控制器內(nèi)設(shè)置有轉(zhuǎn)子位置控制模塊和轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)補(bǔ)償模塊。所述轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)補(bǔ)償模塊用于實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償值的計(jì)算。需要說明的是，轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)補(bǔ)償模塊也可以設(shè)置在磁力軸承系統(tǒng)之外，這種情況下，控制器(或者說磁力軸承系統(tǒng))就不包含轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)補(bǔ)償模塊。在轉(zhuǎn)子正常懸浮且穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)補(bǔ)償模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)的補(bǔ)償。執(zhí)行本發(fā)明的方法時(shí)，轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)補(bǔ)償模塊與轉(zhuǎn)子位置控制模塊以固定的采樣周期循環(huán)進(jìn)行。每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)所述位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器采集的轉(zhuǎn)子位移值和轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率首先進(jìn)入轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)補(bǔ)償模塊，由其計(jì)算補(bǔ)償值，隨后輸出到轉(zhuǎn)子位置控制模塊，所述轉(zhuǎn)子位置控制模塊計(jì)算輸出電流指令，并將輸出電流指令發(fā)送給功率放大器，由功率放大器將輸出電流指令轉(zhuǎn)化成電流值，磁力軸承將所述電流值轉(zhuǎn)換成控制所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁力，利用所述電磁力控制所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，步驟S2中計(jì)算所述補(bǔ)償值具體包括S21、設(shè)定遺忘因子λ以及采樣周期TS，0〈X〈1 ;S22、初始化迭代步數(shù)k = O、逆協(xié)方差矩陣P(O)= Cq °c以及補(bǔ)償系數(shù)向量
β.(0)= 其中 C>0 ；S23、令 k = k+Ι ；S24、計(jì)算轉(zhuǎn)子的軸線偏離所述工作點(diǎn)的位移值=，其中x(k)
表示轉(zhuǎn)子當(dāng)前在X方向的位移值，y(k)表示轉(zhuǎn)子當(dāng)前在Y方向的位移值；
,、Γ sin kQL· I一S25、令φ(/ )=,其中Ω表示轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率，并計(jì)算g(k)=
CoskQTs
P (k-1) Φ (k) (λ+φ (k)T P (k-1) Φ (k))—1 ；S26、計(jì)算 Θ c(k) = θ c(k-l)+g(k)e(k)；S27、計(jì)算 P(k) = λ-1P(k-1)-λ-1g(k) Φ (k)tP(k-1)；S28、計(jì)算補(bǔ)償值 v(k) = Θ c (k)τ Φ (k)；S29、返回步驟S23繼續(xù)計(jì)算,直到k達(dá)到預(yù)設(shè)值。
本發(fā)明并非將與轉(zhuǎn)子的工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制指令作用于控制器，而是根據(jù)轉(zhuǎn)子的位移實(shí)時(shí)計(jì)算同頻補(bǔ)償值，并將補(bǔ)償值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子工作點(diǎn)的位置值相加后作用于控制器。這種方式實(shí)質(zhì)上是根據(jù)轉(zhuǎn)子位移對(duì)不平衡力對(duì)轉(zhuǎn)子的影響進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)估，并根據(jù)預(yù)估值計(jì)算新的指令，利用該新的指令計(jì)算出電流值，根據(jù)該電流值轉(zhuǎn)換成控制所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁力，利用所述電磁力控制所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。從而部分地抵消了不平衡力對(duì)轉(zhuǎn)子的影響，減小了轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)的振幅。因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用本發(fā)明可使磁力軸承系統(tǒng)轉(zhuǎn)子振幅較小。由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明根據(jù)磁力軸承系統(tǒng)中的傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位移及轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率，產(chǎn)生一個(gè)位置補(bǔ)償信號(hào)，然后將位置補(bǔ)償值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子工作點(diǎn)的位置值相加后作用于磁力軸承系統(tǒng)中的控制器，從而抵償?shù)舨黄胶饬Φ挠绊?，減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的同頻振動(dòng)幅度。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種控制磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，包括以下步驟 51、采集磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位移值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率； 52、根據(jù)所述當(dāng)前位移值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率計(jì)算用于減小轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)的補(bǔ)償值； 53、將所述補(bǔ)償值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子工作點(diǎn)的位置值相加，得到補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置； 54、根據(jù)補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置和轉(zhuǎn)子當(dāng)前位移值計(jì)算輸出電流指令； 55、將輸出電流指令轉(zhuǎn)換成電流值； 56、將電流值轉(zhuǎn)換成控制所述轉(zhuǎn)子位置的電磁力，利用所述電磁力控制所述轉(zhuǎn)子位置。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟S2中計(jì)算所述補(bǔ)償值具體包括 521、設(shè)定遺忘因子λ以及采樣周期Ts; 522、初始化迭代步數(shù)k= O、逆協(xié)方差矩陣
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，利用所述磁力軸承系統(tǒng)中的位移傳感器采集所述轉(zhuǎn)子當(dāng)前在X方向的位移值以及轉(zhuǎn)子當(dāng)前在Y方向的位移值。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，利用磁力軸承系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速傳感器采集轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，利用磁力軸承系統(tǒng)中的功率放大器將輸出電流指令轉(zhuǎn)換成電流值。
6.如權(quán)利要求2 5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，利用磁力軸承系統(tǒng)中的磁力軸承將所述電流值轉(zhuǎn)換成控制所述轉(zhuǎn)子位置的電磁力。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁力軸承系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)同頻振動(dòng)幅度的方法，包括步驟S1、采集磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位移值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率；S2、根據(jù)所述當(dāng)前位移值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率計(jì)算用于減小轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)的補(bǔ)償值；S3、將所述補(bǔ)償值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子設(shè)定工作點(diǎn)的位置值相加，得到補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置；S4、根據(jù)補(bǔ)償后的設(shè)定工作點(diǎn)位置和轉(zhuǎn)子當(dāng)前位移值計(jì)算輸出電流指令；S5、將輸出電流指令轉(zhuǎn)換成電流值；S6、將電流值轉(zhuǎn)換成控制所述轉(zhuǎn)子位置的電磁力，利用所述電磁力控制所述轉(zhuǎn)子位置。本發(fā)明能夠減小磁力軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子的同頻振動(dòng)幅度。
文檔編號(hào)F16C32/04GK102829081SQ20121031095
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者孫喆, 石磊, 時(shí)振剛, 周燕, 于溯源 申請(qǐng)人:清華大學(xué)