改进的主动磁轴承控制系统的制作方法
【专利摘要】一种用于控制由主动磁轴承所支承的转子(10A)的位置的控制装置，包括：轨迹规划模块(12)，用于产生请求位置、速度和加速度；观察器(20)，用于从至少转子的位置和主动磁轴承的电磁体线圈中的电流强度的测量值产生位置反馈值和速度反馈值；第一校正电路(18)，用于根据分别在请求位置和速度与位置和速度反馈值之间的差异产生第一指令信号；前馈控制器(14)，用于根据请求位置、速度和加速度的计算值产生第二指令信号；加法器(16)，用于增加第一和第二指令信号并提供第三指令信号给非线性变换电路(26)，其连接至加法器用于为电磁体产生磁通量指令信号；以及第二校正电路(28)，用于为功率放大器产生电压指令信号。
【专利说明】改进的主动磁轴承控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁轴承，更具体地涉及由于运动规划控制而具有改进的动态性能的轴 向磁轴承。
【背景技术】
[0002] 磁轴承用在不同的旋转机械中，比如电动机、压缩机、涡轮机等，以便通过作用于 该机械的转子上的磁场来保持旋转轴的轴向和/或径向位置。
[0003] 轴向磁轴承常用来抑制来自工业环境（压力波和振动）的轴向扰动，其可能对涡 轮机或压缩机的转子的工况产生不想要的效果，从而限制周期、振动、不稳定性。
[0004] 轴向轴承力是使用一对电磁体建立的，所述一对电磁体连接至控制电压通过控制 器所适于的功率放大器（经典地，每个电磁体一个功率放大器）。然而，推力磁轴承的未分 层性质（未分层轴承有助于涡流产生）限制了控制器动作。致动器的动力大大减少（轴向 轴承不能抑制位于特定带宽频率之外的干扰）且铁损增加。
[0005] 所以，作为已知的解决方案，可能时，改变轴向轴承设计（引入槽或使用分层设 计），以打破或至少限制涡流的产生并减少损失。基于使用特定材料的其他解决方案例如由 铁磁性粉末制成的插入件也被确定。
[0006] 然而，所有这些已知的解决方案不能一概而论，因为它们很昂贵并增加了磁轴承 成本。此外，它们因机械限制比如例如降低机械阻力或减小可用力而不能用于每个轴承。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于通过优选使用运动规划控制（基于平坦的控制）而不改变硬件 或磁轴承设计处理涡流来消除上述缺点。由于采用此解决方案，我们也使损失最小化。
[0008] 为此，根据本发明的用于控制由通过功率放大器所供电的主动磁轴承所支承的转 子的位置的控制装置是这样类型的，其中功率放大器的输出端连接至所述主动磁轴承的电 磁体线圈，所述控制装置包括：
[0009] 轨迹规划模块，用于产生请求位置、速度和加速度，
[0010] 观察器，用于从至少所述转子的位置（z(t))和所述电磁体线圈中的电流强度 (I1 (t)、I2 (t))的测量产生位置反馈值和速度反馈值，
[0011] 第一校正电路，其连接至轨迹规划模块以及至观察器，用于根据分别在所述请求 位置和速度与所述位置和速度反馈值之间的差异产生第一指令信号
[0012] 前馈控制器，其连接至轨迹规划模块，用于根据所述请求位置、速度和加速度的计 算产生第二指令信号Pr::.⑴)，
[0013] 加法器，其连接至前馈控制器以及至第一校正电路，用于增加第一和第二指令信 号并提供（deliver)第三指令信号
[0014] 非线性变换电路，其连接至加法器，用于从所述第三指令信号产生用于所述电磁 体线圈的磁通量指令信号（φ?ΜΠ α)、Φ2_α))，以及
[0015] 第二校正电路，其连接至非线性变换电路以及至观察器，用于为所述功率放大 器产生电压指令信号（U lram(t)、U2ram(t))，其根据所述磁通量指令信号与观察磁通量值 之间的差异控制在主动磁轴承的电磁体线圈中流动的电流。
[0016] 根据本发明的另一特征，所述反馈位置和速度值是由至少接收由位置传感器所发 出的所述测量位置z(t)和由电流感测元件所发出的所述电流强度（IJt)，I 2(t))的观察器 所提供的观察位置和观察速度f(f)。所述观察器还可以接收施加至所述电磁体线圈的 测量电压（Ui(t)，U2(t))或从磁通量感测元件所获得的测量磁通量，并且为所述第二校正 电路提供观察磁通量。
[0017] 优选地，所述第一校正电路包括关于转子所述位置的比例-积分控制器和关于转 子速度的比例控制器，所述第二校正电路包括关于电磁体线圈磁通量的比例控制器。
[0018] 有利地，所述轨迹规划模块还提供请求加速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 参照示出本发明实施例的附图，在下面的描述中，本发明将得到更好地理解且其 中进一步的细节和优点将变得更加清楚，其中：
[0020] -图1示出了根据本发明的主动磁轴承的转子的位置的控制装置的示意图；
[0021] -图2示出了由图1的轨迹规划模块所执行的连续步骤的流程图；
[0022] -图3和4分别表示用于经典偏置控制或根据本发明的控制的轴向磁轴承的推力 盘的位置和速度；
[0023] -图5和6分别表示在用于经典偏置控制或根据本发明的控制的轴向磁轴承的每 个电磁体中的电流强度；以及
[0024] -图7和8分别表示施加至用于经典偏置控制或根据本发明的控制的轴向磁轴承 的每个电磁体的电压。
【具体实施方式】
[0025] 图1示出了根据本发明的控制装置的框图，所述控制装置用于控制沿着预定轴线 Y-Y'由主动磁轴承（推力轴承10)所支承的转子IOA的位置。
[0026] 设定点（即所希望的位置）构成轨迹规划模块12的输入量，该模块提供请求位置 Zrai (t)、请求速度之^^丨?以及请求加速度^eq〇：)用于提供前馈加速度信号的前馈产 生电路14。
[0027] 前馈加速度信号被施加至加法器16的第一输入端，该加法器在第二输入 端上接收来自校正电路18的反馈加速度信号t&U。
[0028] 校正电路包括比例-积分（PI)控制器18A，其接收来自轨迹规划模块12的请求位 置ZraiU)以及观察位置和比例控制器18B，其接收来自轨迹规划模块12的请求速度 之req(t)以及观察速度2(t)。所产生的?反馈(t).是I8A和输出量的总和。
[0029] 观察位置和速度由接收来自不同传感器的不同测量数据的观察器20提供。更具 体地，该观察器接收来自位于沿着Y-Y'轴线的转子位置检测器（位置传感器8A、8B;9)的 转子的测量位置Z (t)、来自电流感测元件24A、24B的在主动磁轴承的电磁体的第一和第二 线圈22A、22B中的测量电流I1 (t)、I2(t)以及在所述第一和第二线圈22A、22B的测量电压 U1 (t)、U2 (t)。然而，可以注意到的是，仅测量位置和测量电流对于观察器20是必要的，其可 以从这两个测量结果重建速度并计算反馈。相反地，测量电压的可用性是没有必要的（代 替地，它们可以从指令Ulcom和U2com来估计），或者可以由从磁通量感测元件（未示出） 所获得的测量磁通量取代。
[0030] 前馈加速度信号和反馈加速度信号被增加在加法器16中，用于提 供施加至非线性变换电路26的转子加速度指令该电路为磁通量比例控制器28的 两个输入端提供磁通量指令信号φ?ΜΠ α)、Φ2_α)，所述控制器还在两个其他输入端接收 来自观察器20的在第一和第二电磁体中的观察磁通量#1⑴、#2 m。磁通量比例控制器28 输出电压指令Ulram (t)、U2ram⑴用于功率放大器30A、30B。
[0031] 通过本发明，指令信号（转子加速度指令^_(t))是反馈项与另一项（命名为运 动规划控制）之和，其中由现实所期望的动态计算预期的动态控制。由于线性控制器具有 这样的PID或状态反馈控制，所以可以计算反馈项。此反馈项试图遵循轨迹规划而不是设 定点的最终值。运动规划控制项是产生对应于期望轨迹的动态指令的预期的控制。更具体 地，运动规划控制项可适于相对于一些约束，比如例如涡流的最小化，并且该系统（放大器 +致动器+转子）的限制可以很容易地实施在运动规划控制项中。
[0032] 可以构建轨迹用于指定的磁轴承力，轴承中的磁通量、组件（即放大器+电磁体） 中的电流、转子的轴向运动。
[0033] 如在图2的流程图中所示，由轨迹规划模块计算出的轨迹将被使用是由于两个原 因，在系统启动时的稳定位置轨迹（settling position trajectory)和当大的干扰使转子 在最大位置误差之上移动时返回至正常位置的轨迹。
[0034] 事实上，在初始化100的第一步骤之后，进行观察器收敛的测试102。如果否定响 应由该测试引起，则发出警报104并继续进行测试。相反，如果获得该测试的肯定响应，则 用于功率放大器的电压指令U lMm(t)、U2_(t)得以产生（即在步骤106中设定轨迹），并且 只要Z尹Zrai(步骤110的测试）就发出警报（步骤108)。当Z?2_时（在步骤110的测 试响应为"是"），则在进一步的步骤112中读取位置Z，只要该位置低于最大位置误差（在 步骤114的测试响应为"否")。相反，当位置Z在最大位置误差之上时（在步骤114的测试 响应为"是"），贝Ij用于功率放大器的电压指令U lc;(M(t)、U2ram(t)得以产生（即在步骤116中 抑制轨迹），并只要在返回至读取Z位置的步骤112之前Z尹Z rai，则发出警报（步骤118)。
[0035] 为了更好地理解本发明，在图3至8上示出了测试结果，这些测试结果示出了在轴 向主动磁轴承的位置的控制的开始阶段过程中的经典偏置控制（PID控制器）与根据本发 明的控制的工况的对比。必须注意到的是，放大器中的电流被限制为仅正值。所以电压的 负值可能仅指令额定电流减小：维持的负电压导致零电流。将附连在轴向磁轴承的转子上 的推力盘的轴向位置从初始位置设定至标称位置。
[0036] 图3表示经典控制120和根据本发明的控制122的推力盘的位置Z(t)。第三曲 线124示出了根据本发明的控制的Z_(t)。由于曲线相对于经典形状的平坦特性，根据本 发明的控制被发明人命名为基于平坦的控制（FBC)。
[0037] 图4表示经典控制130和根据本发明的控制132的推力盘的速度。第三曲线134 示出了根据本发明的控制的观察速度i (?。
[0038] 图5表示经典控制140和根据本发明的控制142的第一电磁体中的电流强度 I1U)，图6表示经典控制150和根据本发明的控制152的第二电磁体中的电流强度I2(t)。
[0039] 图7表示经典控制160和根据本发明的控制162的施加至第一电磁体的电压 U1U)，图8表示经典控制170和根据本发明的控制172的施加至第二电磁体的电压U2 (t)。
[0040] 本发明包括多个优点，例如：
[0041] 可以控制磁推力轴承而无偏置（磁通量/电流），以便使用该控制器所消耗的能量 可以比经典偏置控制的控制器要低得多，
[0042] 可以很容易地执行具有良好性能的控制，不仅在标称位置而且还在空气间隙中的 任意位置，
[0043] 对于转子来说可以遵循在空气间隙内足够可微的任何可到达的位置轨迹，以及
[0044] 可以考虑系统的物理限制，而没有在控制器（反馈控制项）上的折衷。
[0045] 本发明特别适于重要机器如冷却器或涡轮膨胀机的轴向磁轴承，例如作为用于较 小系统如汽车或卡车的HVAC内的轴向磁轴承。
[0046] 尽管已经示出并描述了优选实施例，但应注意的是，在不脱离如所附权利要求限 定的本发明的范围的情况下，可以在其中进行任何的变化和修改。例如，如果控制电路已被 说明为具有一对相对的电磁体，则推广至四对电磁体是显而易见的。
【权利要求】
1. 一种控制装置，用于控制由通过功率放大器（30A、30B)供电的主动磁轴承所支承 的转子（IOA)的位置，所述功率放大器的输出端被连接至所述主动磁轴承的电磁体线圈 (22A、22B)，所述控制装置包括： 轨迹规划模块（12)，用于产生请求位置和速度， 观察器（20)，用于从至少所述转子的位置（Z(t))和所述电磁体线圈中的电流强度 (I1U)、I2 (t))的测量值产生位置反馈值和速度反馈值， 第一校正电路（18)，该第一校正电路连接至所述轨迹规划模块以及连接至所述观察 器，用于根据分别在所述请求位置和速度与所述位置和速度反馈值之间的差异产生第一指 令信号(〗u(t))， 前馈控制器（14)，该前馈控制器连接至所述轨迹规划模块，用于根据所述请求位置和 速度的计算值产生第二指令信号ge,丨t)), 加法器（16)，该加法器连接至所述前馈控制器以及连接至所述第一校正电路，用于增 加所述第一和第二指令信号并提供第三指令信号 非线性变换电路（26)，该非线性变换电路连接至所述加法器，用于从所述第三指令信 号产生用于所述电磁体线圈的磁通量指令信号（〇 lc;(M (t)、O 2_ (t))，以及 第二校正电路（28)，该第二校正电路连接至所述非线性变换电路以及连接至所述观察 器，用于为所述功率放大器产生电压指令信号（Ulram (t)、U2_ (t))，该功率放大器根据所述 磁通量指令信号与观察到的磁通量值之间的差异控制在所述主动磁轴承的 电磁体线圈中流动的电流。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反馈位置和速度值是由至少接收由 位置传感器（8A、8B;9)所发出的所述测量位置Z(t)和由电流感测元件（24A、24B)所发出 的所述电流强度（I1U)J2 (t))的观察器（20)所提供的观察位置f〇；：)和观察速度f〇_)。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述观察器还接收施加至所述电磁体线 圈的测量电压（U1UhU2U))或从磁通量感测元件所获得的测量磁通量，并且为所述第二 校正电路提供观察到的磁通量。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一校正电路包括关于转子的所述 位置的比例-积分控制器和关于转子的速度的比例控制器。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二校正电路包括关于所述电磁体 线圈的磁通量的比例控制器。
6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轨迹规划模块还提供请求加速度。
【文档编号】H02P23/14GK104333289SQ201410301313
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】S.图鲍尔特, J.莱维恩, J.达席尔瓦, S.本布奇德 申请人:Skf磁性机械技术公司