磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的控制方法及装置与流程

本发明属于磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的控制方法及装置。

背景技术：

磁悬浮轴承在旋转机械领域的应用逐年增加。磁悬浮轴承可提供非接触式支撑，尤其适合在高转速、低损耗、低噪音的场合使用，而且磁悬浮轴承的刚度、阻尼可调节。当磁悬浮轴系发生高速跌落时，轴系与保护轴承之间将发生剧烈地碰撞和摩擦，对轴系和保护轴承都造成较大损害。iso14839中定义了磁悬浮轴系跌落后的三种典型的轨迹响应，包括：钟摆振动、混合摩擦和弹跳以及全周摩擦。

中国申请号“201610982431”的发明专利提供了一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，提出通过轴系的径向位移以及快速傅里叶变换所得重心坐标值定量识别这三种轨迹响应。

中国申请号“201610861858”的发明专利提供了基于希尔伯特变换的磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法及装置，提出使用通过希尔伯特变换所得瞬时频率的方差和期望定量识别这三种轨迹响应。

以上两篇文章提出了两种如何识别三种典型轨迹响应的方法，并未解决磁悬浮轴承轴系跌落后如何实现快速重新悬浮来减少对轴系和保护轴承造成损害的关键问题。为克服上述现有技术的缺点，本发明提出了一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的控制方法及装置，通过监测轴系的径向位移以及通过希尔伯特变换所得瞬时频率的期望进行轨迹响应的识别，并在此基础之上针对不同轨迹响应类型，提出了不同的磁悬浮轴承的控制策略。当轴系发生全周摩擦时，该控制策略能实现轴系的快速重新悬浮，从而有效地降低轴系涡动频率，减少磁悬浮轴承的损伤。本方法计算简单便捷，可实施性好。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的控制方法及装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、计算轴系位移信号的采样周期；

步骤2、设定阈值α、ε1、ε2、自由跌落时的钟摆频率β、轴心运动速度阈值v1和保护轴承气隙s；

步骤3、监测磁悬浮轴系的悬浮状态；

步骤4、截取采样周期内轴系的位移信号，并计算该采样周期内轴系径向位移的期望值；

步骤5、将轴系在采样周期内的径向位移期望值与阈值s+ε1进行比较，判断轴系的轨迹响应类型是否为混合摩擦和弹跳；

步骤6、计算该采样周期内轴系沿x轴方向位移的瞬时频率，并求解其期望值；

步骤7、计算采样周期内轴系位移信号的瞬时频率后，进一步求解瞬时频率的期望值并与阈值β+ε2进行比较，再次判断轴系的轨迹响应类型是钟摆振动还是全周摩擦；

步骤8、针对不同的轨迹响应类型，采取相应的控制方法令轴系重新悬浮。

所述步骤1采样周期t的计算公式为：

其中，fp为采样频率，s为轴系与保护轴承内圈的间隙，g为重力加速度；

t＝n·δt(0.2)

其中，n是一个采样周期内的采样点数，δt是相邻采样点之间的时间间隔。

所述步骤3轴系悬浮状态的判断条件为：

其中，xr和yr分别是为轴系沿x和y轴方向上位移，x和y轴方向是笛卡尔坐标系中相互垂直的两个坐标轴的方向，α为阈值；

其中当轴系被判定为跌落状态时，则开始进行采样，并截取本采样周期内轴系的径向位移。

所述步骤4计算该采样周期内轴系径向位移的期望值，该期望值的计算公式如下：

其中，xr(i)和yr(i)分别是为轴系沿x和y轴方向上该采样周期第i个采样点的位移，ed为采样周期内轴系径向位移的期望值；

所述步骤5通过将轴系径向位移的期望值与阈值s+ε1比较，判断轴系的轨迹响应类型是否为混合摩擦和弹跳；该比较的判别公式如下：

其中，ε1为阈值。

所述步骤6计算采样周期内轴系位移信号的瞬时频率是通过希尔伯特变换的方法得出的，所述希尔伯特变换的计算公式为：

其中，xr(n)为所获取的轴系离散时域位移信号、n表示希尔伯特变换前的第n个数据，y(k)为希尔伯特变换的结果、k表示希尔伯特变换后结果的第k个数据；进一步地，解析信号z(n)描述为：

z(n)＝xr(n)+iy(n)＝a(n)e^iθ(n)(0.8)

其中，a(n)是瞬时幅值和θ(n)是瞬时相位，瞬时频率finst(n)的计算公式为：

所述步骤7通过将瞬时频率的期望值与阈值β+ε2比较，判断轴系的轨迹响应类型是自由跌落时的钟摆振动还是全周摩擦及高频摆动，判别公式为：

其中，ef为采样周期内轴系运动瞬时频率的期望值，finst(i)为该采样周期第i个采样点的瞬时频率，β为自由跌落时的钟摆频率，ε2为阈值。

所述步骤8令轴系重新悬浮的控制方法，当轴系的轨迹响应为全周摩擦或者高频摆动时，磁轴承控制器的输出控制指令ic是由悬浮指令is和涡动或摆动的阻尼指令id加权求和得到的；

其中，悬浮指令由原控制算法求解得到；涡动或摆动的阻尼指令id＝[idxidy]，计算步骤如下：

其中，idx和idy分别是x和y方向的涡动阻尼指令；ω是涡动频率，当涡动为顺时针时取正值，逆时针时取负值；icmax是最大控制电流。

所述的加权系数在涡动频率不高于阈值ω0时，正比于涡动频率；当涡动频率高于阈值ω0时，加权系数始终为1；加权系数ψ与涡动频率ω之间的判别式为：

控制器输出的控制指令ic＝[icxicy]通过方程(0.14)计算得到：

其中，icx和icy分别是输出控制指令沿x和y轴方向的分量；isx和isy分别是悬浮指令沿x和y轴方向的分量。

所述的轴系轨迹响应类型被判定为混合摩擦和弹跳或者自由跌落时的钟摆振动时，控制器仍采用原悬浮状态时的控制算法。

所述磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的装置，其特征在于，包括以下模块：

采样周期计算模块100，用于求解连续时域位移信号的采样周期和频率；

阈值设定模块200，用于设定阈值α、ε1、ε2、自由跌落时的钟摆频率β、轴心运动速度阈值v1和保护轴承气隙s；

悬浮状态监测模块300，用于实时监测轴系的悬浮状态；

位移信号获取模块400，用于获取轴系的连续时域位移信号；

位移信号比较模块500，用于求解采样周期内轴系径向位移的期望值，并将期望值与阈值s+ε1比较；

瞬时频率计算模块600，用于通过希尔伯特变换计算轴系运动的瞬时频率谱信号；

瞬时频率比较模块700，用于求解采样周期内轴系运动瞬时频率的期望值，并将期望值与阈值β+ε2比较；

轨迹响应识别模块800，用于判断轴系在采样周期内的轨迹响应类型；

悬浮状态控制模块900，当轨迹响应类型为混合摩擦和弹跳、自由跌落时的钟摆振动以及轴系处于悬浮状态时，采用该模块的控制程序；

全周摩擦控制模块1000，当轨迹响应类型为全周摩擦或者高频摆动时控制器时，控制器将采用该模块的控制程序。

所述采样周期计算模块100中采样周期t的计算公式为：

其中，fp为采样频率，s为轴系与保护轴承内圈的间隙，g为重力加速度；

t＝n·δt

其中，n是一个采样周期内的采样点数，δt是相邻采样点之间的时间间隔；

所述悬浮状态监测模块300中悬浮状态的判断条件为：

其中，xr和yr分别是为轴系沿x和y轴方向上位移，x和y轴方向是笛卡尔坐标系中相互垂直的两个坐标轴的方向，α为阈值；

其中当轴系被判定为跌落状态时，则开始进行采样，并截取本采样周期内轴系的径向位移。

所述位移信号获取模块400中计算该采样周期内轴系径向位移的期望值，该期望值的计算公式如下：

其中，xr(i)和yr(i)分别是为轴系沿x和y轴方向上该采样周期第i个采样点的位移，ed为采样周期内轴系径向位移的期望值。

所述位移信号比较模块500中将轴系径向位移的期望值与阈值s+ε1比较，判断轴系的轨迹响应类型是否为混合摩擦和弹跳；该比较的判别公式如下：

其中，ε1为阈值。

所述瞬时频率计算模块600中采样周期内轴系位移信号的瞬时频率是通过希尔伯特变换的方法得出的，所述希尔伯特变换的计算公式为：

其中，xr(n)为所获取的轴系离散时域位移信号、n表示希尔伯特变换前的第n个数据，y(k)为希尔伯特变换的结果、k表示希尔伯特变换后结果的第k个数据；解析信号z(n)描述为：

z(n)＝xr(n)+iy(n)＝a(n)e^iθ(n)

其中，a(n)是瞬时幅值和θ(n)是瞬时相位，瞬时频率finst(n)的计算公式为：

所述瞬时频率比较模块700中将瞬时频率的期望值与阈值β+ε2比较，判断轴系的轨迹响应类型是自由跌落时的钟摆振动还是全周摩擦及高频摆动，判别公式为：

其中，ef为采样周期内轴系运动瞬时频率的期望值，finst(i)为该采样周期第i个采样点的瞬时频率，β为自由跌落时的钟摆频率，ε2为阈值。

所述悬浮状态控制模块900中轴系轨迹响应类型被判定为混合摩擦和弹跳与自由跌落时的钟摆振动时，控制器仍采用原悬浮状态时的控制算法。

所述全周摩擦控制模块1000中当轴系的轨迹响应为全周摩擦或者高频摆动时，磁轴承控制器的输出控制指令ic是由悬浮指令is和涡动或摆动的阻尼指令id加权求和得到的；

其中，悬浮指令由原控制算法求解得到；涡动或摆动的阻尼指令id＝[idxidy]，计算步骤如下：

其中，idx和idy分别是x和y方向的涡动阻尼指令；ω是涡动频率，当涡动为顺时针时取正值，逆时针时取负值；icmax是最大控制电流。

所述的加权系数在涡动频率不高于阈值ω0时，正比于涡动频率；当涡动频率高于阈值ω0时，加权系数始终为1；加权系数ψ与涡动频率ω之间的判别式为：

控制器输出的控制指令ic＝[icxicy]通过方程(0.14)计算得到：

其中，icx和icy分别是输出控制指令沿x和y轴方向的分量；isx和isy分别是悬浮指令沿x和y轴方向的分量。

另外，根据本发明上述实施例的一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的装置还可以具有以下附加的技术特征：

本发明通过求解轴心的径向位移信号的期望值以及轴心运动的瞬时频率信号的期望值，定量划分轴系跌落后的轨迹响应，实时性好，计算简便。针对轴系发生全周摩擦时，提出将悬浮力与涡动阻尼力加权求和控制方法，能够明显抑制轴系的涡动频率，降低轴系振动的幅值和频率，并实现轴系的重新悬浮。

附图说明

图1为一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的控制方法的流程图；

图2为加权系数与涡动频率之间的关系示意图；

图3为根据本发明一个实施例的轴心轨迹图；

图4为根据本发明一个实施例的沿x方向位移的瞬时频率的示意图；

图5为根据本发明一个实施例在每个采样周期内径向位移期望值的示意图；

图6为根据本发明一个实施例在每个采样周期内沿x方向瞬时频率期望值的示意图；

图7为一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的控制方法及装置，下面参照附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1-6所示的一个实施例，所述的实施例中s为1.5×10^-4m，加速度g为9.8m/s²，则采用频率f0为40.68hz，且采样周期l为0.025s；自由跌落时钟摆振动的频率β为40.68hz；轴系质量为11.5kg，轴系跌落初始速度为16000r/min,轴系与保护轴承内圈表面摩擦系数为0.2。假设磁轴承在0-0.225s的时间内突发故障，轴系发生自由跌落；本控制方法在0.225s后使该磁轴承恢复正常工作。

如图1-6所示，在本实施例中，该方法包括以下步骤：

第一步，计算轴系位移信号的采样周期t，获得采样频率fp，计算公式为：

其中，fp为采样频率，s为轴系与保护轴承内圈的间隙，g为重力加速度。

t＝n·δt

其中，n是一个采样周期内的采样点数，δt是相邻采样点之间的时间间隔。

计算轴系-保护轴承系统的自由跌落时的钟摆频率β：

第二步，控制器实时监测磁悬浮轴系的悬浮状态，判断轴系是否处于悬浮状态的公式：

其中，xr(i)和yr(i)分别是为轴系沿x和y轴方向上该采样周期第i个采样点的位移，在本实施例中取阈值α＝2×10^-5。

第三步，截取采样周期δt内轴系的位移信号，并计算该采样周期内轴系的径向位移的期望值ed。

其中，n为采样时间内的采样点数。

将轴系在采样周期内的径向位移的期望值ed与阈值s+ε1进行比较。

如图5所示，轴系在0.025-0.075s期间内轴系的轨迹响应为混合摩擦和弹跳；

如图3所示，虚线的半径为轴系与保护轴承之间的气隙；x轴方向和y轴方向分别是笛卡尔坐标系中的横坐标方向和竖坐标方向，二者为相互垂直的两个坐标轴的方向；

第四步，提取在该采样周期t内轴系沿x轴方向的位移信号，并对该信号进行希尔伯特变换。所述希尔伯特变换的计算公式为：

其中，xr(n)为所获取的轴系离散时域位移信号、n表示希尔伯特变换前的第n个数据，y(k)为希尔伯特变换的结果、k表示希尔伯特变换后结果的第k个数据；解析信号z(n)描述为：

z(n)＝xr(n)+iy(n)＝a(n)e^iθ(n)

其中，a(n)是瞬时幅值和θ(n)是瞬时相位，瞬时频率finst(n)的计算公式为：

轴系沿x方向运动的瞬时频率如图4所示。

进一步地，计算瞬时频率的期望值ef：

进一步地，通过将瞬时频率的期望值ef与阈值β+ε2比较，判断轴系的轨迹响应是自由跌落时的钟摆振动还是全周摩擦及高频摆动：

如图5所示，在0.075-0.225s期间内轴系的轨迹响应为全周摩擦；

第五步，当轴系的轨迹响应为全周摩擦或者高频摆动时，磁轴承控制器的输出控制指令ic是由悬浮指令is和涡动或摆动的阻尼指令id加权求和得到的；

其中，悬浮指令由原控制算法求解得到；涡动或摆动的阻尼指令id＝[idxidy]，计算步骤如下：

其中，idx和idy分别是x和y轴方向的涡动阻尼指令；ω是涡动频率，当涡动为顺时针时取正值，逆时针时取负值；icmax是最大控制电流。

所述的加权系数在涡动频率不高于阈值ω0时，正比于涡动频率；当涡动频率高于阈值ω0时，加权系数始终为1；加权系数ψ与涡动频率ω之间的判别式为：

控制器输出的控制指令ic＝[icxicy]通过方程(0.14)计算得到：

其中，icx和icy分别是输出控制指令沿x和y轴方向的分量；isx和isy分别是悬浮指令沿x和y轴方向的分量。

所述轴系轨迹响应类型被判定为混合摩擦和弹跳或者自由跌落时的钟摆振动时，控制器仍采用原悬浮状态时的控制算法。

如图2所示，加权系数ψ与涡动频率ω之间，当涡动频率不高于阈值ω0时，加权系数正比于涡动频率；当涡动频率高于阈值ω0时，加权系数始终为1

磁轴承所能提供的最大电磁力为：

fmax＝ki×imax-kx×s＝250n

其中，ki为磁轴承的力/电流系数，kx为磁轴承的力/位移系数，imax为最大控制电流。

涡动速度临界值v1＝0.0807m/s可通过下面的公式求解：

其中，mr为轴系的质量。

如图4所示，控制器从0.225s开始执行全周摩擦时的控制程序，涡动频率出现明显地下降。

如图7所示，一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的装置10，该装置包括：采样周期计算模块100、阈值设定模块200、悬浮状态监测模块300、位移信号获取模块400、位移信号比较模块500、瞬时频率计算模块600、瞬时频率比较模块700、轨迹响应判断模块800、悬浮状态控制模块900和全周摩擦控制模块1000。

其中，采样周期计算模块100用于求解连续时域位移信号的采样周期和频率。阈值设定模块200用于设定阈值α、ε1、ε2、自由跌落时的钟摆频率β、轴心运动速度阈值v1和保护轴承气隙s。悬浮状态监测模块300用于实时监测轴系的悬浮状态。位移信号获取模块400用于获取轴系的连续时域位移信号。位移信号比较模块500用于求解采样周期内轴系位移信号的期望值，并将期望值与阈值s+ε1比较。瞬时频率计算模块600用于通过希尔伯特变换计算轴系运动的瞬时频率谱信号。瞬时频率比较模块700用于求解采样周期内轴系运动瞬时频率的期望值，并将期望值与阈值β+ε2比较。轨迹响应识别模块800，用于判断轴系在采样周期内的轨迹响应。悬浮状态控制模块900，当轨迹响应为混合摩擦和弹跳、自由跌落时的钟摆振动以及轴系处于悬浮状态时，控制器将采用该模块的控制程序。全周摩擦控制模块1000，当轨迹响应为全周摩擦以及高频摆动时，控制器将采用该模块的控制程序。

需要说明的是，前述对一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的一种磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例的一种磁悬浮跌落振动抑制与重新悬浮的装置，通过提取轴系的位移信号，求解采样周期内轴系的位移期望以及瞬时频率的期望，对轴系跌落过程的轨迹响应进行识别。本发明通过轴系的径向位移以及通过希尔伯特变换所得瞬时频率的期望进行轨迹响应的识别，并在此基础之上针对不同轨迹响应类型，提出了不同的磁悬浮轴承的控制策略。当轴系发生全周摩擦时，该控制策略能有效降低轴系涡动频率，降低磁悬浮轴承的损伤，并且实现轴系的重新悬浮。本方法计算简单便捷，可实施性好。由于希尔伯特变换可以跟踪系统振动的瞬态频率分布，可以实现频率变化的瞬时计算，实时性好，简单便捷。此外，针对轴系发生全周摩擦以及磁轴承和保护轴承共同承载时提出新的控制方法，新方法能降低轴系的振动，具有更好的控制稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“钟摆振动”、“混合摩擦和弹跳”和“全周摩擦”是国际标准iso14839中定义的磁悬浮轴承跌落至保护轴承后的轨迹响应类型。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。