专利名称：一种主动型磁悬浮轴承系统及控制电路的制作方法
技术领域：
本发明属于电磁电路领域，尤其涉及一种主动型磁悬浮轴承系统及控制电路。
背景技术：
根据悬浮力是否可以主动控制，磁悬浮轴承可划分为两种类型:被动型磁悬浮轴承和主动型磁悬浮轴，被动型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力(如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间)来实现转轴的悬浮。其结构简单，功率损耗少，但阻尼与刚度也相对较小。除超导磁悬浮轴承外，单纯采用被动型磁悬浮轴承是无法实现物体的稳定平衡的，至少会留下一个自由度是不稳定的，因此需要在一个方向上采用机械轴承或主动型磁悬浮轴承才能实现稳定的悬浮，为了简化磁悬浮轴承系统的结构并降低功率损耗，通常在负载较小，对位移控制精度要求不高的场合采用被动型磁悬浮轴承；主动型磁悬浮轴承主要是通过主动控制定、转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，在主动型磁悬浮轴承中存在控制磁场和偏置磁场，根据偏置磁场建立方式的不同，主动型磁悬浮轴承可分为电磁偏置型与永磁偏置型。永磁偏置型磁悬浮轴承米用永磁材料来建立偏置磁场，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗，随着磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，混合型磁悬浮轴承的特点使它在这些领域有着不可替代的优势。
发明内容
本发明的目的在于利用一种主动型磁悬浮轴承系统及控制电路，旨在解决现有对磁悬浮轴承性能要求高的问题。本发明的目的在于提供一种主动型磁悬浮轴承系统，所述主动型磁悬浮轴承系统包括:磁悬浮轴承本体，用于实现转轴的悬浮；位移传感器，与所述控制器模块连接，用于采集转子的位移信息；控制器模块，与所述功放大器模块连接，用于控制定子电磁铁中电流的大小与方向；功率放大器模块，与所述磁悬浮转轴本体连接，用于在控制绕组中产生相应的电流。进一步、所述磁悬浮轴承本体还包括电磁铁和转子。进一步、所述功率放大器模块还包括线性放大器模块和开关功率放大器模块。进一步、所述控制器模块采用模拟PID控制器。进一步、所述位移传感器采用电涡流位移传感器。进一步、所述主动型磁悬 浮轴承控制器模块的比例电路的具体连接为:运算放大器IC4的正向输入端3引脚经过电阻R13接地，运算放大器IC4的反向输入端2引脚一部分经过电阻Rll接输入电源Ui，同时一部分经过电阻R12连接到滑动变阻器Rw2的滑动端a端，运算放大器IC4的输出端6引脚一部分经过滑动变阻器Rw2接地，一部分接输出电源Ul0进一步、所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的积分电路的具体连接为:运算放大器IC5的正向输入端3引脚经过电阻R14接电源U1，运算放大器IC5的反向输入端2引脚经过滑动变阻器Rw3接地，在滑动变阻器Rw3与运算放大器IC5的反向输入端2引脚连接的一端与滑动变阻器Rw3的滑动端b端，同时滑动变阻器Rw3的滑动端b端经过电容Cll与运算放大器IC5的输出端6引脚引脚相连，运算放大器IC5的输出端输出电源U2。进一步、所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的微分电路的具体连接为:运算放大器的正向输入端3引脚经过电阻R15接电源U1，运算放大器的反向输入端2引脚一部分经过电阻R16、电容C2直接接地，同时一部分经过电阻R17连接运算放大器的输出端6引脚，运算放大器的输出端输出电源U3，同时运算放大器的输出端与电阻R16、电容C2之间处连接有滑动变阻器Rw4，在滑动变阻器Rw4与运算放大器的输出端6引脚连接的一端处连接到滑动变阻器Rw4的滑动端c端。本发明提供的主动型磁悬浮轴承系统及控制电路，根据偏置磁场建立方式的不同，永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料来建立偏置磁场，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗。较好的适应了磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，并极好的发挥了优势，此外，本发明结构简单，操作方便，稳定性和可靠性强，有着很好的应用价值。
图1是本发明实施例提供的主动型磁悬浮轴承系统的结构框图；图2是本发明实施例提供的主动型磁悬浮轴承系统的结构示意图；图3是本发明实施例提供的控制器模块的比例电路图；图4是本发明实施例提供的控制器模块的积分电路图；图5是本发明实施例提供的控制器模块的微分电路图；图6是本发明实施例提供的混合型轴向径向磁悬浮轴承拓扑结构正视图；图7是本发明实施例提供的混合型轴向径向磁悬浮轴承拓扑结构左视图；图8是本发明实施例提供的永磁偏置型轴向-径向磁悬浮轴承的控制磁场与偏置磁场示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例提供了一种主动型磁悬浮轴承系统，该主动型磁悬浮轴承系统包括:磁悬浮轴承本体，用于实现转轴的悬浮；位移传感器，与控制器模块连接，用于采集转子的位移信息；控制器模块，与功放大器模块连接，用于控制定子电磁铁中电流的大小与方向；
功率放大器模块，与磁悬浮转轴本体连接，用于在控制绕组中产生相应的电流。作为本发明实施例的一优化方案，磁悬浮轴承本体还包括电磁铁和转子。作为本发明实施例的一优化方案，功率放大器模块还包括线性放大器模块和开关功率放大器模块。作为本发明实施例的一优化方案，控制器模块采用模拟PID控制器。作为本发明实施例的一优化方案，位移传感器采用电涡流位移传感器。作为本发明实施例的一优化方案，主动型磁悬浮轴承控制器模块的比例电路的具体连接为:运算放大器IC4的正向输入端3引脚经过电阻R13接地，运算放大器IC4的反向输入端2引脚一部分经过电阻Rll接输入电源Ui，同时一部分经过电阻R12连接到滑动变阻器Rw2的滑动端a端，运算放大器IC4的输出端6引脚一部分经过滑动变阻器Rw2接地，一部分接输出电源U1。作为本发明实施例的一优化方案，主动型磁悬浮轴承控制器模块的积分电路的具体连接为:运算放大器IC5的正向输入端3引脚经过电阻R14接电源U1，运算放大器IC5的反向输入端2引脚经过滑动变阻器Rw3接地，在滑动变阻器Rw3与运算放大器IC5的反向输入端2引脚连接的一端与滑 动变阻器Rw3的滑动端b端，同时滑动变阻器Rw3的滑动端b端经过电容Cll与运算放大器IC5的输出端6引脚引脚相连，运算放大器IC5的输出端输出电源U2。作为本发明实施例的一优化方案，主动型磁悬浮轴承控制器模块的微分电路的具体连接为:运算放大器的正向输入端3引脚经过电阻R15接电源U1，运算放大器的反向输入端2引脚一部分经过电阻R16、电容C2直接接地，同时一部分经过电阻R17连接运算放大器的输出端6引脚，运算放大器的输出端输出电源U3，同时运算放大器的输出端与电阻R16、电容C2之间处连接有滑动变阻器Rw4，在滑动变阻器Rw4与运算放大器的输出端6引脚连接的一端处连接到滑动变阻器R 4的滑动端c端。作为本发明实施例的一优化方案，作为本发明实施例的一优化方案，作为本发明实施例的一优化方案，以下参照附图1，对本发明实施例主动型磁悬浮轴承系统及控制电路作进一步详细描述。如图1和图2所示，本发明实施例的主动型磁悬浮轴承系统主要由磁悬浮轴承本体1、位移传感器2、控制器模块3和功率放大器模块4组成；磁悬浮轴承本体1，即包括电磁铁和转子，与位移传感器2相连接；位移传感器2，用于采集转子的位移信息，与控制器3相连；控制器3，根据转轴的位移信号来实时控制定子电磁铁中电流的大小与方向，与功率放大器4相连接；功率放大器4，根据控制器的输出信号在控制绕组中产生相应的电流，与磁悬浮轴承本体I的电磁铁相连接。如图3所示，为PID控制器中的比例电路图。运算放大器IC4的正向输入端3引脚经过电阻R13接地，运算放大器IC4的反向输入端2引脚一部分经过电阻Rll接输入电源Ui，同时一部分经过电阻R12连接到滑动变阻器Rw2的滑动端a端，运算放大器IC4的输出端6引脚一部分经过滑动变阻器Rw2接地，一部分接输出电源U1。
比例电路的传递函数为:
权利要求
1.一种主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述主动型磁悬浮轴承系统包括: 磁悬浮轴承本体，用于实现转轴的悬浮； 位移传感器，与所述控制器模块连接，用于采集转子的位移信息； 控制器模块，与所述功放大器模块连接，用于控制定子电磁铁中电流的大小与方向； 功率放大器模块，与所述磁悬浮转轴本体连接，用于在控制绕组中产生相应的电流。
2.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述磁悬浮轴承本体还包括电磁铁和转子。
3.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述功率放大器模块还包括线性放大器模块和开关功率放大器模块。
4.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述控制器模块采用模拟PID控制器。
5.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述位移传感器采用电涡流位移传感器。
6.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的比例电路的具体连接为: 运算放大器IC4的正向输入端3引脚经过电阻R13接地，运算放大器IC4的反向输入端2引脚一部分经过电阻Rll接输入电源Ui，同时一部分经过电阻R12连接到滑动变阻器Rw2的滑动端a端，运算放大器IC4的输出端6引脚一部分经过滑动变阻器Rw2接地，一部分接输出电源Ul。
7.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的积分电路的具体连接为: 运算放大器IC5的正向输入端3引脚经过电阻R14接电源U1，运算放大器IC5的反向输入端2引脚经过滑动变阻器Rw3接地，在滑动变阻器Rw3与运算放大器IC5的反向输入端2引脚连接的一端与滑动变阻器Rw3的滑动端b端，同时滑动变阻器Rw3的滑动端b端经过电容Cll与运算放大器IC5的输出端6引脚引脚相连，运算放大器IC5的输出端输出电源U2。
8.如权利要求1所述的主动型磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述主动型磁悬浮轴承控制器模块的微分电路的具体连接为: 运算放大器的正向输入端3引脚经过电阻R15接电源U1，运算放大器的反向输入端2引脚一部分经过电阻R16、电容C2直接接地，同时一部分经过电阻R17连接运算放大器的输出端6引脚，运算放大器的输出端输出电源U3，同时运算放大器的输出端与电阻R16、电容C2之间处连接有滑动变阻器Rw4，在滑动变阻器Rw4与运算放大器的输出端6引脚连接的一端处连接到滑动变阻器R 4的滑动端c端。
全文摘要
本发明公开了一种主动型磁悬浮轴承系统，包括磁悬浮轴承本体，用于实现转轴的悬浮；位移传感器，用于采集转子的位移信息；控制器模块，与所述功放大器模块连接，用于控制定子电磁铁中电流的大小与方向；功率放大器模块，与所述磁悬浮转轴本体连接，用于在控制绕组中产生相应的电流。根据偏置磁场建立方式的不同，永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料来建立偏置磁场，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗。较好的适应了磁悬浮轴承技术在航空航天、能量存储以及能量转换等领域的广泛应用，对磁悬浮轴承的功耗、体积、性能等方面提出了越来越高的要求，并极好的发挥了优势。此外，本发明结构简单，操作方便，稳定性和可靠性强。
文档编号F16C41/00GK103174746SQ20131010303
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月28日 优先权日2013年3月28日
发明者张广明, 梅磊, 欧阳慧珉, 宋骏琛 申请人:南京工业大学