一种磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测方法及装置与流程

1.本发明属于磁悬浮轴承控制技术领域，更具体地，涉及一种磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测方法及装置。


背景技术：

2.磁悬浮轴承通过可控的电磁力实现转子的无接触支撑，使得旋转机械的转子在运行过程中无摩擦，无碰撞，不需润滑装置，是高速旋转机械的优质支撑部件。
3.然而，磁悬浮轴承通常会出现不同的扰动。例如，在旋转机械中，转子不平衡所带来的偏心位移经过传感器、位置控制器、功率放大器的调理与放大，会在线圈中产生以转速频为主的电流振动，电流振动产生的电磁力传递到基座，会引起基座振动，此类振动称之为同频振动，其只有在磁轴承旋转时才会产生。除此以外，以压缩机为代表的流体机械在特定的工况下会表现出喘振现象，该现象的特征是流经压缩机的气流会出现周期性低频率、大振幅的波动，导致转子位移也会出现周期性低频大幅值的波动，此时如不及时制止或停车，机组将面临毁坏的风险。而对于应用磁悬浮轴承的压缩机，由于其刚度远远小于机械轴承且磁悬浮压缩机运行转速远高于传统压缩机，所以喘振现象对磁悬浮压缩机造成的危害会更大。
4.当前，如何利用磁轴承对转子位置主动控制的特性去抑制同频扰动和喘振扰动已经受到广泛学者的关注与研究，也针对此提出了许多扰动抑制算法。但在真实的系统中，高速下的喘振现象本身就是一个极不稳定的工况，一旦此时投入的扰动抑制算法出错，可能会加剧系统的崩溃，所以直接在真实喘振工况下验证扰动抑制算法的风险是极大的。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测方法及装置，其目的在于降低验证扰动抑制算法时的实验风险。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测方法，包括：
7.当磁悬浮轴承高速旋转出现扰动时采集转子的扰动力，基于扰动力计算产生相同扰动的谐波电流；
8.当磁悬浮轴承处于静态悬浮条件且无扰动时，将谐波电流叠加至线圈原始电流以模拟扰动；
9.将位置控制器中加入扰动控制算法，验证所述控制算法对扰动的抑制效果。
10.在其中一个实施例中，基于扰动力计算产生相同扰动的谐波电流，包括：通过以下公式计算谐波电流：
[0011][0012]
其中，i
xh
为x自由度叠加的谐波电流，i
yh
为y自由度叠加的谐波电流，f
xd
为转子x自
由度的扰动力，f
yd
为转子y自由度的扰动力，ki为磁轴承力/电流系数。
[0013]
在其中一个实施例中，将谐波电流叠加至线圈原始电流以模拟扰动，包括：将谐波电流与位置控制器的电流输出指令叠加后得到电流参考指令，电流参考指令经功率放大器放大后得到线圈电流，计算公式为：
[0014][0015][0016]
其中，i
xa
和i
xc
为x自由度的一对电流参考指令，i
ya
和i
yc
为y自由度的一对电流参考指令，i
x
为位置控制器在x自由度的电流输出指令，iy为位置控制器在y自由度的电流输出指令，i0为每个线圈的偏置电流。
[0017]
在其中一个实施例中，磁悬浮轴承出现的扰动为同频扰动或喘振扰动。
[0018]
在其中一个实施例中，还包括：
[0019]
根据扰动力分析扰动特征，其中，扰动的低频分量为喘振扰动，高频分量为同频扰动。
[0020]
按照本发明的另一方面，提供了一种磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测装置，包括：
[0021]
扰动采集模块，用于当磁悬浮轴承高速转动出现扰动时采集转子的扰动力；
[0022]
谐波电流计算模块，用于基于扰动力计算产生相同扰动的谐波电流；
[0023]
叠加模块，用于当磁悬浮轴承处于静态悬浮条件且无扰动时将谐波电流叠加至线圈原始电流以模拟扰动；
[0024]
验证模块，用于将位置控制器中加入扰动控制算法并验证所述控制算法对扰动的抑制效果。
[0025]
在其中一个实施例中，谐波电流计算模块的数学模型为：
[0026][0027]
其中，i
xh
为x自由度叠加的谐波电流，i
yh
为y自由度叠加的谐波电流，f
xd
为转子x自由度的扰动力，f
yd
为转子y自由度的扰动力，ki为磁轴承力/电流系数。
[0028]
在其中一个实施例中，所述磁悬浮轴承系统包括位置控制器和功率放大器，所述叠加模块位于所述位置控制器和所述功率放大器之间，所述位置控制器输出电流输出指令，所述叠加模块用于将谐波电流与电流输出指令叠加后得到电流参考指令，所述功率放大器用于将电流参考指令放大后得到线圈电流。
[0029]
在其中一个实施例中，所述叠加模块的数学模型为：
[0030][0031][0032]
其中，i
xa
和i
xc
为x自由度的一对电流参考指令，i
ya
和i
yc
为y自由度的一对电流参考指令，i
x
为位置控制器在x自由度的电流输出指令，iy为位置控制器在y自由度的电流输出指
令，i0为每个线圈的偏置电流。
[0033]
在其中一个实施例中，扰动采集模块包括位移传感器采集模块、或电流传感器模块、或力传感器模块。
[0034]
总体而言，本技术实施例提供的磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测方法及装置，在磁轴承发生扰动时记录其转子所受到的扰动力，用该扰动力计算得到所需注入的谐波电流。然后在磁轴承静态悬浮的基础上通过在其自身线圈中注入该谐波电流去模拟真实扰动，进而可以施加先进的扰动抑制算法去抑制上述模拟出的扰动以使得转子位置满足控制要求。由于整个模拟扰动的过程与扰动抑制算法的验证是在磁轴承静态悬浮条件下完成的，降低了高转速下扰动抑制算法失效所带来的实验风险。
附图说明
[0035]
图1是本技术一实施例中磁悬浮轴承系统的结构框图；
[0036]
图2是本技术一实施例中扰动抑制效果检测装置的结构框图；
[0037]
图3是本技术一实施例中磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测方法的步骤流程图；
[0038]
图4是本技术一实施例中磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果的仿真结果。
具体实施方式
[0039]
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0040]
为了便于理解，先介绍传统磁悬浮轴承系统的组要部分。如图1所示，磁悬浮轴承系统一般包括位置控制器、功率放大器、磁悬浮轴承本体以及位置传感器。磁悬浮轴承本体包括定子、转子以及设置于定子上的磁轴承线圈，其基本的工作流程为：位置传感器采集磁悬浮轴承转子的位置信息并转化为电信号，与位置指令相减后将位置误差信号送入位置控制器中；位置控制器经算法计算后得到电流参考指令；理想的功率放大器可等效成一个线性放大环节，其将该电流参考指令转化成流经磁轴承线圈具有真实功率的实际电流，该电流进而产生相应的电磁力将磁轴承转子悬浮在与位置指令相同的位置。
[0041]
在真实工业应用中，例如应用在压缩机中的磁悬浮轴承，其转速可达到几万转，由于转子质量不平衡，导致高速运行时会产生离心力，该扰动力可被称之为同频扰动力；而且在高速运行时，流经压缩机的气流在特殊工况区域会出现周期性低频率的波动，这所带来的扰动力可称之为喘振扰动力。两者可统称为磁悬浮轴承在高速运行时所受到的真实扰动力。
[0042]
由于真实扰动力只在转子高速运行时才会出现，但在真实的系统中，高速转动本身就是一个极不稳定的工况，一旦验证所投入的扰动抑制算法出错，可能会加剧系统的崩溃。因此，本技术提出一种在磁轴承静态悬浮的基础上去模拟真实扰动的装置，如图2所示，该装置包括扰动采集模块、谐波电流计算模块、叠加模块和验证模块。
[0043]
具体的，扰动采集模块用于当磁悬浮轴承高速转动出现扰动时采集转子的扰动
力。在一具体的实施例中，可以在转子的x、y方向至少安装一个力传感器直接采集扰动力信息，也可以在定子上的每一个线圈均安装一个电流传感器采集电流信息，在转子的x、y方向至少安装一个位移传感器采集转子位移信息，并根据电流信息与位移信息推算出与转子位移对应的扰动力。
[0044]
具体的，谐波电流计算模块用于基于扰动采集模块所采集到的扰动力计算产生相同扰动的谐波电流。通常，当轴承出现扰动时，该扰动将造成控制器所提供的线圈电流中具有谐波分量，在出现谐波时，常规做法是对谐波进行抑制。本发明人经研究发现，直接引入谐波，可以在轴承处于静止状态时模拟扰动。因此，在本技术中，则是在轴承静止悬浮时引入谐波电流，而非抑制谐波电流，以模拟转子高速旋转时所出现的扰动。
[0045]
在一具体的实施例中，在静态下利用谐波电流模拟动态下的真实扰动的数学模型为：
[0046][0047]
其中，f
xd
为转子x自由度的扰动力，f
yd
为转子y自由度的扰动力，i
xh
为x自由度叠加的谐波电流，i
yh
为y自由度叠加的谐波电流，ki为磁轴承力/电流系数，ki与系统组件有关，当系统组件确定时，该值即确定。
[0048]
具体的，叠加模块用于当磁悬浮轴承处于静态悬浮条件且无扰动时将谐波电流叠加至线圈原始电流以模拟扰动。在一具体的实施例中，如图2所示，叠加模块位于位置控制器和功率放大器之间，其中，位置控制器输出电流输出指令，叠加模块用于将谐波电流与电流输出指令叠加后得到电流参考指令，功率放大器用于将电流参考指令放大后得到模拟扰动的线圈电流。该叠加模块的数学模型为：
[0049][0050][0051]
其中，i
xa
和i
xc
为x自由度的一对电流参考指令，i
ya
和i
yc
为y自由度的一对电流参考指令，i
x
为位置控制器在x自由度的电流输出指令，iy为位置控制器在y自由度的电流输出指令，i0为每个线圈的偏置电流。
[0052]
具体的，验证模块用于将原始位置控制器中加入扰动控制算法并验证所述控制算法对扰动的抑制效果。在一具体的实施例中，验证模块具有切换功能，当叠加谐波电流后，验证模块将原始的pid控制算法切换至优化后的自抗扰(adrc)控制算法，并验证扰动抑制效果，分析转子位置是否满足控制要求，若是，则说明该扰动控制算法可行，若不是，则说明该扰动控制算法不可行。
[0053]
相应的，本技术还涉及一种磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测方法，如图3所示，该方法包括：
[0054]
步骤s100：当磁悬浮轴承高速旋转出现扰动时采集转子的扰动力，基于扰动力计算产生相同扰动的谐波电流。
[0055]
在一具体的实施例中，可以在转子的x、y方向至少安装一个力传感器直接采集扰动力信息，也可以在定子上的每一个线圈均安装一个电流传感器采集电流信息，在转子的
x、y方向至少安装一个位移传感器采集转子位移信息，并根据电流信息与位移信息推算出与转子位移对应的扰动力。
[0056]
在一实施例中，在采集到扰动信息后，可以分析其频率、幅值等信息，以此来判断扰动特征，其中扰动的低频分量为喘振扰动，高频分量为同频扰动。
[0057]
在一具体的实施例中，在静态下利用谐波电流模拟动态下的真实扰动的数学模型为：
[0058][0059]
其中，f
xd
为转子x自由度的扰动力，f
yd
为转子y自由度的扰动力，i
xh
为x自由度叠加的谐波电流，i
yh
为y自由度叠加的谐波电流，ki为磁轴承力/电流系数，ki与系统组件有关，当系统组件确定时，该值即确定。
[0060]
步骤s200：当磁悬浮轴承处于静态悬浮条件且无扰动时，将谐波电流叠加至线圈原始电流以模拟扰动。
[0061]
其中，线圈原始电流即是无扰动时的线圈电流。
[0062]
在一具体的实施例中，将谐波电流叠加至线圈原始电流以模拟扰动，包括：将谐波电流与位置控制器的电流输出指令叠加后得到电流参考指令，电流参考指令经功率放大器放大后得到线圈电流，计算公式为：
[0063][0064][0065]
其中，i
xa
和i
xc
为x自由度的一对电流参考指令，i
ya
和i
yc
为y自由度的一对电流参考指令，i
x
为位置控制器在x自由度的电流输出指令，iy为位置控制器在y自由度的电流输出指令，i0为每个线圈的偏置电流。
[0066]
步骤s300：将位置控制器中加入扰动控制算法，验证所述控制算法对扰动的抑制效果。
[0067]
在一具体的实施例中，可以将原始的pid控制算法切换至优化后的自抗扰(adrc)控制算法，并验证扰动抑制效果，分析转子位置是否满足控制要求，若是，则说明该扰动控制算法可行，若不是，则说明该扰动控制算法不可行。
[0068]
如图4是本技术一实施例中磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果的仿真结果，其中x1、y1、x2、y2分别表示两个径向磁轴承中四个不同自由度的转子位移，加入抗扰动算法后，x1、y1、x2、y2四个不同自由度的转子扰动得到明显抑制。
[0069]
本技术实施例提供的磁悬浮轴承系统的扰动抑制效果检测方法及装置，在磁轴承发生扰动时记录其转子所受到的扰动力，用该扰动力计算得到所需注入的谐波电流。然后在磁轴承静态悬浮的基础上通过在其自身线圈中注入该谐波电流去模拟真实扰动，进而可以施加先进的扰动抑制算法去抑制上述模拟出的扰动以使得转子位置满足控制要求。由于整个模拟扰动的过程与扰动抑制算法的验证是在磁轴承静态悬浮条件下完成的，降低了高转速下扰动抑制算法失效所带来的实验风险。
[0070]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。