一种实心转子电磁轴承电磁力快速响应系统及方法、设备和介质

1.本发明涉及电磁轴承径向悬浮控制领域，具体地，涉及一种实心转子电磁轴承电磁力快速响应系统及方法、设备和介质。


背景技术：

2.电磁轴承的实心转子在高速旋转时，除了空气摩擦带来的损耗外，转子的内部产生较大铁耗，且主要是涡流损耗。研究表明转子涡流场分布对气隙主磁场影响较大。电磁轴承的悬浮依赖于多个自由度有效、快速的控制电磁力输出，变化的主磁场在转子内部产生的涡流效应，反作用的于主磁场，影响电磁力的响应速度，从而弱化了悬浮效果，甚至悬浮失效。
3.目前大多数的磁悬浮轴承控制理论都是基于线性系统，将非线性的电磁力在工作点附近做了线性化处理。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种实心转子电磁轴承电磁力快速响应系统及方法、设备和介质，采用电流前馈补偿方法，在系统动态运行过程中，选择合适的动态区间进行电磁力的补偿，能够有效的提升电磁力的响应速度。
5.本发明是通过以下方案实现的：
6.所述方法具体包括以下步骤：
7.步骤一：转子位移传感器接收基准电压，实时采集转子的实际位置信号和运动方向信号，通过位置环pid判断是否进行电流补偿；
8.步骤二：判断在位置环pid的输出，大于0时判断输出为1，进行电流补偿，进行步骤三；
9.位置环pid的输出小于0时不补偿，进行步骤四；
10.步骤三：通过转子的运动速度和位移计算电流补偿值，进行电流补偿；
11.步骤四：将偏置电流i0和最小电流值i
min
输入到电流环pid中，经功放传递函数ga和电流传感器传递函数gc输送至电磁轴承amb；
12.步骤五：转子位移传感器检测电磁轴承amb转子位置变化，输出电流信号，通过外加电阻将电流信号变为电压信号，经过位移传感器及其调理电路传递函数gs转换为实际位置信号x
fdb
，实际位置信号x
fdb
传输至转子位移传感器；
13.步骤六：重复步骤一至五，完成实心转子电磁轴承电磁力的快速响应。
14.进一步地，在步骤二中，
15.在位置环pid输出大于零，且转子向相反的方向运动时进行电流补偿。
16.进一步地，在步骤二中，
17.转子径向运动速度为零时，电流补偿为零。
18.进一步地，在步骤三中，
19.所述补偿电流的i
add
计算公式为：
[0020][0021]
其中k1为转子运动速度系数；k2为转子位移系数；x为转子位置；x
ref
为给定参考位置点。
[0022]
进一步地，在步骤四中，
[0023]
偏置电流信号i0，不参与磁悬浮轴承实际控制，通过人为设置的固定值并直接加到控制回路中；
[0024]
最小电流值i
min
，为转子能够受到有效电磁力的最小电流值。
[0025]
进一步地，在步骤五中，
[0026]
位移传感器及其调理电路传递函数gs包括与速度有关的系数k
d1
，与转子离几何中心距离k
d2
；
[0027]
二者均为定值，实际运用中调试确定。
[0028]
一种基于实心转子电磁轴承电磁力快速响应的电磁轴承系统：
[0029]
所述电磁轴承系统具体包括：位置环pid，电流环pid，电磁轴承amb和转子位移传感器；
[0030]
所述位置环pid作为外环，接收电压信号和转子位移传感器反馈出的位置信号；
[0031]
所述电流环pid作为内环，给电磁轴承amb输送绕组电流；
[0032]
所述电磁轴承amb输出电压信号，经过位移传感器转换为位置信号反馈给位置环pid。
[0033]
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的方法。
[0034]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法的方法。
[0035]
本发明有益效果
[0036]
本发明所述的提升电磁轴承电磁力响应速度的方法，在涡流效应导致控制电磁力上升时间延长的客观条件下，有效的降低其上升时间，加快电磁力响应速度。
附图说明
[0037]
图1为本发明的电磁轴承传统pid控制模式；
[0038]
图2为本发明的电流补偿方法；
[0039]
图3为本发明具体操作框图。
具体实施方式
[0040]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
结合图1至图3，
[0042]
一种实心转子电磁轴承电磁力快速响应方法：
[0043]
所述方法具体包括以下步骤：
[0044]
步骤一：转子位移传感器接收基准电压，实时采集转子的实际位置信号和运动方向信号，通过位置环pid判断是否进行电流补偿；
[0045]
步骤二：判断在位置环pid的输出，大于0时判断输出为1，进行电流补偿，进行步骤三；
[0046]
位置环pid的输出小于0时不补偿，进行步骤四；
[0047]
步骤三：通过转子的运动速度和位移计算电流补偿值，进行电流补偿；
[0048]
步骤四：将偏置电流i0和最小电流值i
min
输入到电流环pid中，经功放传递函数ga和电流传感器传递函数gc输送至电磁轴承amb；
[0049]
步骤五：转子位移传感器检测电磁轴承amb转子位置变化，输出电流信号，通过外加电阻将电流信号变为电压信号，经过位移传感器及其调理电路传递函数gs转换为实际位置信号x
fdb
，实际位置信号x
fdb
传输至转子位移传感器；
[0050]
步骤六：重复步骤一至五，完成实心转子电磁轴承电磁力的快速响应。
[0051]
在图1的基础上，如图2所示，图2中阴影部分为最电流最小值区域，假设在某个时刻需要快速将电磁力上升至f2，为i2在稳态时所产生的电磁力。然而若施加的电流为i2，需要的时间为t2。此时首先通过施加尽可能大的电流i4，使得电磁力在经过t1时间上升到f2后，将电流给定值切换回i2，即可在最短的时间内使得电磁力快速上升。
[0052]
在步骤二中，
[0053]
在位置环pid输出大于零，且转子向相反的方向运动时进行电流补偿。
[0054]
在转子径向运动速度为零时，电流补偿为零。
[0055]
在步骤三中，电流补偿的大小一方面应能够转子在受到大扰动，运动速度快，离中心距离远时提供合适的电磁力补偿；另一方面不能使得转子在中心位置附近轻微振动时提供过大的补偿导致振动范围的加大。
[0056]
因此电流补偿的大小i
add
应与转子的运动速度和转子偏离中心位置的距离有关，距离中心位置越远，速度越大，电流补偿越大。即补偿电流的i
add
计算公式为：
[0057][0058]
其中k1为转子运动速度系数；k2为转子位移系数；x为转子位置；x
ref
为给定参考位置点。
[0059]
x
ref
是给定参考位置点，本发明让转子稳定在中心原点位置，但实际上电磁轴承受控，转子可以稳定在0.1mm位置，也可以稳定在0.2mm位置。即通过人为给定x
ref
来控制转子稳定的位置。
[0060]
在步骤四中，
[0061]
偏置电流信号i0，不参与磁悬浮轴承实际控制，通过人为设置的固定值并直接加到控制回路中；
[0062]
最小电流值i
min
，为转子能够受到有效电磁力的最小电流值。
[0063]
在步骤五中，
[0064]
电磁轴承amb本身不输出电压信号，是位移传感器采用探头检测到转子位置变化，传感器输出电流信号，通过外加电阻变为电压信号。电压信号传输至dsp(数字信号处理
器)，dsp要求输入电压信号范围0~3.3v，因此传感器经过外设电阻进来的电压信号需要提前进行调理到dsp要求的电压范围。
[0065]
图3中的s在数模变换中代表的是微分项；
[0066]
位移传感器及其调理电路传递函数gs包括与速度有关的系数k
d1
，与转子离几何中心距离k
d2
；
[0067]
二者均为定值，实际运用中调试确定。
[0068]
在这种控制策略下，转子必然会围绕中心小幅度振动。这是由于转子速度与位置只有符合条件时才会进行相应的电流补偿，是由开关切换函数带来的抖振。如果增大补偿项中系数k
d1
，能够减小振动幅度。但是k
d1
为是转子位置的微分项系数，在实际控制采用的是数字控制芯片，由于数字控制采样会将模拟信号离散化，k
d1
不能过高。因此这种补偿策略决定了转子一定会围绕中心振动，振动范围的大小于控制频率有关。此外，本文中补偿电磁力的思想是增大瞬时电流来提高电磁力的响应速度，即施加了电流正补偿。
[0069]
一种基于实心转子电磁轴承电磁力快速响应的电磁轴承系统：
[0070]
所述电磁轴承系统具体包括：位置环pid，电流环pid，电磁轴承amb和转子位移传感器；
[0071]
所述位置环pid作为外环，接收电压信号和转子位移传感器反馈出的位置信号；
[0072]
所述电流环pid作为内环，给电磁轴承amb输送绕组电流；
[0073]
所述电磁轴承amb输出电压信号，经过位移传感器转换为位置信号反馈给位置环pid。
[0074]
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的方法。
[0075]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法的方法。
[0076]
以上对本发明所提出的一种实心转子电磁轴承电磁力快速响应系统及方法、设备和介质，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。