改進(jìn)的主動磁軸承控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于控制由主動磁軸承所支承的轉(zhuǎn)子(10A)的位置的控制裝置，包括：軌跡規(guī)劃模塊(12)，用于產(chǎn)生請求位置、速度和加速度；觀察器(20)，用于從至少轉(zhuǎn)子的位置和主動磁軸承的電磁體線圈中的電流強(qiáng)度的測量值產(chǎn)生位置反饋值和速度反饋值；第一校正電路(18)，用于根據(jù)分別在請求位置和速度與位置和速度反饋值之間的差異產(chǎn)生第一指令信號；前饋控制器(14)，用于根據(jù)請求位置、速度和加速度的計(jì)算值產(chǎn)生第二指令信號；加法器(16)，用于增加第一和第二指令信號并提供第三指令信號給非線性變換電路(26)，其連接至加法器用于為電磁體產(chǎn)生磁通量指令信號；以及第二校正電路(28)，用于為功率放大器產(chǎn)生電壓指令信號。
【專利說明】改進(jìn)的主動磁軸承控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁軸承，更具體地涉及由于運(yùn)動規(guī)劃控制而具有改進(jìn)的動態(tài)性能的軸 向磁軸承。

【背景技術(shù)】
[0002] 磁軸承用在不同的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，比如電動機(jī)、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)等，以便通過作用于 該機(jī)械的轉(zhuǎn)子上的磁場來保持旋轉(zhuǎn)軸的軸向和/或徑向位置。
[0003] 軸向磁軸承常用來抑制來自工業(yè)環(huán)境（壓力波和振動）的軸向擾動，其可能對渦 輪機(jī)或壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子的工況產(chǎn)生不想要的效果，從而限制周期、振動、不穩(wěn)定性。
[0004] 軸向軸承力是使用一對電磁體建立的，所述一對電磁體連接至控制電壓通過控制 器所適于的功率放大器（經(jīng)典地，每個(gè)電磁體一個(gè)功率放大器）。然而，推力磁軸承的未分 層性質(zhì)（未分層軸承有助于渦流產(chǎn)生）限制了控制器動作。致動器的動力大大減少（軸向 軸承不能抑制位于特定帶寬頻率之外的干擾）且鐵損增加。
[0005] 所以，作為已知的解決方案，可能時(shí)，改變軸向軸承設(shè)計(jì)（引入槽或使用分層設(shè) 計(jì)），以打破或至少限制渦流的產(chǎn)生并減少損失。基于使用特定材料的其他解決方案例如由 鐵磁性粉末制成的插入件也被確定。
[0006] 然而，所有這些已知的解決方案不能一概而論，因?yàn)樗鼈兒馨嘿F并增加了磁軸承 成本。此外，它們因機(jī)械限制比如例如降低機(jī)械阻力或減小可用力而不能用于每個(gè)軸承。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于通過優(yōu)選使用運(yùn)動規(guī)劃控制（基于平坦的控制）而不改變硬件 或磁軸承設(shè)計(jì)處理渦流來消除上述缺點(diǎn)。由于采用此解決方案，我們也使損失最小化。
[0008] 為此，根據(jù)本發(fā)明的用于控制由通過功率放大器所供電的主動磁軸承所支承的轉(zhuǎn) 子的位置的控制裝置是這樣類型的，其中功率放大器的輸出端連接至所述主動磁軸承的電 磁體線圈，所述控制裝置包括：
[0009] 軌跡規(guī)劃模塊，用于產(chǎn)生請求位置、速度和加速度，
[0010] 觀察器，用于從至少所述轉(zhuǎn)子的位置（z(t))和所述電磁體線圈中的電流強(qiáng)度 (I1 (t)、I2 (t))的測量產(chǎn)生位置反饋值和速度反饋值，
[0011] 第一校正電路，其連接至軌跡規(guī)劃模塊以及至觀察器，用于根據(jù)分別在所述請求 位置和速度與所述位置和速度反饋值之間的差異產(chǎn)生第一指令信號
[0012] 前饋控制器，其連接至軌跡規(guī)劃模塊，用于根據(jù)所述請求位置、速度和加速度的計(jì) 算產(chǎn)生第二指令信號Pr::.⑴)，
[0013] 加法器，其連接至前饋控制器以及至第一校正電路，用于增加第一和第二指令信 號并提供（deliver)第三指令信號
[0014] 非線性變換電路，其連接至加法器，用于從所述第三指令信號產(chǎn)生用于所述電磁 體線圈的磁通量指令信號（φ?ΜΠ α)、Φ2_α))，以及
[0015] 第二校正電路，其連接至非線性變換電路以及至觀察器，用于為所述功率放大 器產(chǎn)生電壓指令信號（U lram(t)、U2ram(t))，其根據(jù)所述磁通量指令信號與觀察磁通量值 之間的差異控制在主動磁軸承的電磁體線圈中流動的電流。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述反饋位置和速度值是由至少接收由位置傳感器所發(fā) 出的所述測量位置z(t)和由電流感測元件所發(fā)出的所述電流強(qiáng)度（IJt)，I 2(t))的觀察器 所提供的觀察位置和觀察速度f(f)。所述觀察器還可以接收施加至所述電磁體線圈的 測量電壓（Ui(t)，U2(t))或從磁通量感測元件所獲得的測量磁通量，并且為所述第二校正 電路提供觀察磁通量。
[0017] 優(yōu)選地，所述第一校正電路包括關(guān)于轉(zhuǎn)子所述位置的比例-積分控制器和關(guān)于轉(zhuǎn) 子速度的比例控制器，所述第二校正電路包括關(guān)于電磁體線圈磁通量的比例控制器。
[0018] 有利地，所述軌跡規(guī)劃模塊還提供請求加速度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 參照示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖，在下面的描述中，本發(fā)明將得到更好地理解且其 中進(jìn)一步的細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中：
[0020] -圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的主動磁軸承的轉(zhuǎn)子的位置的控制裝置的示意圖；
[0021] -圖2示出了由圖1的軌跡規(guī)劃模塊所執(zhí)行的連續(xù)步驟的流程圖；
[0022] -圖3和4分別表示用于經(jīng)典偏置控制或根據(jù)本發(fā)明的控制的軸向磁軸承的推力 盤的位置和速度；
[0023] -圖5和6分別表示在用于經(jīng)典偏置控制或根據(jù)本發(fā)明的控制的軸向磁軸承的每 個(gè)電磁體中的電流強(qiáng)度；以及
[0024] -圖7和8分別表示施加至用于經(jīng)典偏置控制或根據(jù)本發(fā)明的控制的軸向磁軸承 的每個(gè)電磁體的電壓。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的控制裝置的框圖，所述控制裝置用于控制沿著預(yù)定軸線 Y-Y'由主動磁軸承（推力軸承10)所支承的轉(zhuǎn)子IOA的位置。
[0026] 設(shè)定點(diǎn)（即所希望的位置）構(gòu)成軌跡規(guī)劃模塊12的輸入量，該模塊提供請求位置 Zrai (t)、請求速度之^^丨?以及請求加速度^eq〇：)用于提供前饋加速度信號的前饋產(chǎn) 生電路14。
[0027] 前饋加速度信號被施加至加法器16的第一輸入端，該加法器在第二輸入 端上接收來自校正電路18的反饋加速度信號t&U。
[0028] 校正電路包括比例-積分（PI)控制器18A，其接收來自軌跡規(guī)劃模塊12的請求位 置ZraiU)以及觀察位置和比例控制器18B，其接收來自軌跡規(guī)劃模塊12的請求速度 之req(t)以及觀察速度2(t)。所產(chǎn)生的?反饋(t).是I8A和輸出量的總和。
[0029] 觀察位置和速度由接收來自不同傳感器的不同測量數(shù)據(jù)的觀察器20提供。更具 體地，該觀察器接收來自位于沿著Y-Y'軸線的轉(zhuǎn)子位置檢測器（位置傳感器8A、8B;9)的 轉(zhuǎn)子的測量位置Z (t)、來自電流感測元件24A、24B的在主動磁軸承的電磁體的第一和第二 線圈22A、22B中的測量電流I1 (t)、I2(t)以及在所述第一和第二線圈22A、22B的測量電壓 U1 (t)、U2 (t)。然而，可以注意到的是，僅測量位置和測量電流對于觀察器20是必要的，其可 以從這兩個(gè)測量結(jié)果重建速度并計(jì)算反饋。相反地，測量電壓的可用性是沒有必要的（代 替地，它們可以從指令Ulcom和U2com來估計(jì)），或者可以由從磁通量感測元件（未示出） 所獲得的測量磁通量取代。
[0030] 前饋加速度信號和反饋加速度信號被增加在加法器16中，用于提 供施加至非線性變換電路26的轉(zhuǎn)子加速度指令該電路為磁通量比例控制器28的 兩個(gè)輸入端提供磁通量指令信號φ?ΜΠ α)、Φ2_α)，所述控制器還在兩個(gè)其他輸入端接收 來自觀察器20的在第一和第二電磁體中的觀察磁通量#1⑴、#2 m。磁通量比例控制器28 輸出電壓指令Ulram (t)、U2ram⑴用于功率放大器30A、30B。
[0031] 通過本發(fā)明，指令信號（轉(zhuǎn)子加速度指令^_(t))是反饋項(xiàng)與另一項(xiàng)（命名為運(yùn) 動規(guī)劃控制）之和，其中由現(xiàn)實(shí)所期望的動態(tài)計(jì)算預(yù)期的動態(tài)控制。由于線性控制器具有 這樣的PID或狀態(tài)反饋控制，所以可以計(jì)算反饋項(xiàng)。此反饋項(xiàng)試圖遵循軌跡規(guī)劃而不是設(shè) 定點(diǎn)的最終值。運(yùn)動規(guī)劃控制項(xiàng)是產(chǎn)生對應(yīng)于期望軌跡的動態(tài)指令的預(yù)期的控制。更具體 地，運(yùn)動規(guī)劃控制項(xiàng)可適于相對于一些約束，比如例如渦流的最小化，并且該系統(tǒng)（放大器 +致動器+轉(zhuǎn)子）的限制可以很容易地實(shí)施在運(yùn)動規(guī)劃控制項(xiàng)中。
[0032] 可以構(gòu)建軌跡用于指定的磁軸承力，軸承中的磁通量、組件（即放大器+電磁體） 中的電流、轉(zhuǎn)子的軸向運(yùn)動。
[0033] 如在圖2的流程圖中所示，由軌跡規(guī)劃模塊計(jì)算出的軌跡將被使用是由于兩個(gè)原 因，在系統(tǒng)啟動時(shí)的穩(wěn)定位置軌跡（settling position trajectory)和當(dāng)大的干擾使轉(zhuǎn)子 在最大位置誤差之上移動時(shí)返回至正常位置的軌跡。
[0034] 事實(shí)上，在初始化100的第一步驟之后，進(jìn)行觀察器收斂的測試102。如果否定響 應(yīng)由該測試引起，則發(fā)出警報(bào)104并繼續(xù)進(jìn)行測試。相反，如果獲得該測試的肯定響應(yīng)，則 用于功率放大器的電壓指令U lMm(t)、U2_(t)得以產(chǎn)生（即在步驟106中設(shè)定軌跡），并且 只要Z尹Zrai(步驟110的測試）就發(fā)出警報(bào)（步驟108)。當(dāng)Z?2_時(shí)（在步驟110的測 試響應(yīng)為"是"），則在進(jìn)一步的步驟112中讀取位置Z，只要該位置低于最大位置誤差（在 步驟114的測試響應(yīng)為"否")。相反，當(dāng)位置Z在最大位置誤差之上時(shí)（在步驟114的測試 響應(yīng)為"是"），貝Ij用于功率放大器的電壓指令U lc;(M(t)、U2ram(t)得以產(chǎn)生（即在步驟116中 抑制軌跡），并只要在返回至讀取Z位置的步驟112之前Z尹Z rai，則發(fā)出警報(bào)（步驟118)。
[0035] 為了更好地理解本發(fā)明，在圖3至8上示出了測試結(jié)果，這些測試結(jié)果示出了在軸 向主動磁軸承的位置的控制的開始階段過程中的經(jīng)典偏置控制（PID控制器）與根據(jù)本發(fā) 明的控制的工況的對比。必須注意到的是，放大器中的電流被限制為僅正值。所以電壓的 負(fù)值可能僅指令額定電流減?。壕S持的負(fù)電壓導(dǎo)致零電流。將附連在軸向磁軸承的轉(zhuǎn)子上 的推力盤的軸向位置從初始位置設(shè)定至標(biāo)稱位置。
[0036] 圖3表示經(jīng)典控制120和根據(jù)本發(fā)明的控制122的推力盤的位置Z(t)。第三曲 線124示出了根據(jù)本發(fā)明的控制的Z_(t)。由于曲線相對于經(jīng)典形狀的平坦特性，根據(jù)本 發(fā)明的控制被發(fā)明人命名為基于平坦的控制（FBC)。
[0037] 圖4表示經(jīng)典控制130和根據(jù)本發(fā)明的控制132的推力盤的速度。第三曲線134 示出了根據(jù)本發(fā)明的控制的觀察速度i (?。
[0038] 圖5表示經(jīng)典控制140和根據(jù)本發(fā)明的控制142的第一電磁體中的電流強(qiáng)度 I1U)，圖6表示經(jīng)典控制150和根據(jù)本發(fā)明的控制152的第二電磁體中的電流強(qiáng)度I2(t)。
[0039] 圖7表示經(jīng)典控制160和根據(jù)本發(fā)明的控制162的施加至第一電磁體的電壓 U1U)，圖8表示經(jīng)典控制170和根據(jù)本發(fā)明的控制172的施加至第二電磁體的電壓U2 (t)。
[0040] 本發(fā)明包括多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如：
[0041] 可以控制磁推力軸承而無偏置（磁通量/電流），以便使用該控制器所消耗的能量 可以比經(jīng)典偏置控制的控制器要低得多，
[0042] 可以很容易地執(zhí)行具有良好性能的控制，不僅在標(biāo)稱位置而且還在空氣間隙中的 任意位置，
[0043] 對于轉(zhuǎn)子來說可以遵循在空氣間隙內(nèi)足夠可微的任何可到達(dá)的位置軌跡，以及
[0044] 可以考慮系統(tǒng)的物理限制，而沒有在控制器（反饋控制項(xiàng)）上的折衷。
[0045] 本發(fā)明特別適于重要機(jī)器如冷卻器或渦輪膨脹機(jī)的軸向磁軸承，例如作為用于較 小系統(tǒng)如汽車或卡車的HVAC內(nèi)的軸向磁軸承。
[0046] 盡管已經(jīng)示出并描述了優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)注意的是，在不脫離如所附權(quán)利要求限 定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以在其中進(jìn)行任何的變化和修改。例如，如果控制電路已被 說明為具有一對相對的電磁體，則推廣至四對電磁體是顯而易見的。
【權(quán)利要求】
1. 一種控制裝置，用于控制由通過功率放大器（30A、30B)供電的主動磁軸承所支承 的轉(zhuǎn)子（IOA)的位置，所述功率放大器的輸出端被連接至所述主動磁軸承的電磁體線圈 (22A、22B)，所述控制裝置包括： 軌跡規(guī)劃模塊（12)，用于產(chǎn)生請求位置和速度， 觀察器（20)，用于從至少所述轉(zhuǎn)子的位置（Z(t))和所述電磁體線圈中的電流強(qiáng)度 (I1U)、I2 (t))的測量值產(chǎn)生位置反饋值和速度反饋值， 第一校正電路（18)，該第一校正電路連接至所述軌跡規(guī)劃模塊以及連接至所述觀察 器，用于根據(jù)分別在所述請求位置和速度與所述位置和速度反饋值之間的差異產(chǎn)生第一指 令信號(〗u(t))， 前饋控制器（14)，該前饋控制器連接至所述軌跡規(guī)劃模塊，用于根據(jù)所述請求位置和 速度的計(jì)算值產(chǎn)生第二指令信號ge,丨t)), 加法器（16)，該加法器連接至所述前饋控制器以及連接至所述第一校正電路，用于增 加所述第一和第二指令信號并提供第三指令信號 非線性變換電路（26)，該非線性變換電路連接至所述加法器，用于從所述第三指令信 號產(chǎn)生用于所述電磁體線圈的磁通量指令信號（〇 lc;(M (t)、O 2_ (t))，以及 第二校正電路（28)，該第二校正電路連接至所述非線性變換電路以及連接至所述觀察 器，用于為所述功率放大器產(chǎn)生電壓指令信號（Ulram (t)、U2_ (t))，該功率放大器根據(jù)所述 磁通量指令信號與觀察到的磁通量值之間的差異控制在所述主動磁軸承的 電磁體線圈中流動的電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述反饋位置和速度值是由至少接收由 位置傳感器（8A、8B;9)所發(fā)出的所述測量位置Z(t)和由電流感測元件（24A、24B)所發(fā)出 的所述電流強(qiáng)度（I1U)J2 (t))的觀察器（20)所提供的觀察位置f〇；：)和觀察速度f〇_)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述觀察器還接收施加至所述電磁體線 圈的測量電壓（U1UhU2U))或從磁通量感測元件所獲得的測量磁通量，并且為所述第二 校正電路提供觀察到的磁通量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一校正電路包括關(guān)于轉(zhuǎn)子的所述 位置的比例-積分控制器和關(guān)于轉(zhuǎn)子的速度的比例控制器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二校正電路包括關(guān)于所述電磁體 線圈的磁通量的比例控制器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述軌跡規(guī)劃模塊還提供請求加速度。
【文檔編號】H02P23/14GK104333289SQ201410301313
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】S.圖鮑爾特, J.萊維恩, J.達(dá)席爾瓦, S.本布奇德 申請人:Skf磁性機(jī)械技術(shù)公司