一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统及方法与流程

1.本发明涉及一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统及方法，适用于对磁悬浮转子系统进行在线静平衡。


背景技术：

2.磁悬浮轴承支承相对于传统机械轴承支承具有无接触、无磨损、振动小、可主动控制等特点，在磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺和磁悬浮旋转关节等航天精密机电产品中有广阔的应用前景。
3.磁悬浮旋转关节旋转部分为非旋转体，并且上面安装有多种单机设备，其质量分布无法精确估计和测量。同时，虽然磁悬浮旋转关节旋转转速低，但转子部分质量及转动惯量都极大，以上均会导致磁悬浮旋转关节具有较大的残余不平衡。而为提高磁轴承线性度和去除位移负刚度，磁悬浮旋转关节采用洛伦兹力式磁轴承，其承载力较小。残余不平衡量导致磁悬浮旋转关节无法达到悬浮控制精度。较大的残余不平衡甚至会超过磁轴承的最大承载力，导致出现转子碰到保护轴承的现象。因此，必须对磁悬浮旋转关节旋转部分进行高精度静平衡。
4.现有静不平衡测量方法主要是平衡机和重力测试法，不管离线、在线的平衡机需要转子有较高转速，而磁悬浮旋转关节转速较低，无法满足平衡机转速门槛要求；重力测试法，是将转子水平放置，使用试凑法完成静平衡配重。旋转关节在地面上难以水平放置，因此无法使用传统重力测试法。
5.综上所述，磁悬浮旋转关节静不平衡量较大，严重影响系统控制精度，现有静平衡方法无法应用在磁悬浮旋转关节这种低转速、无法水平放置的旋转体上。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统，对传感器和磁轴承均在转子上的磁悬浮系统进行在线静平衡，可高效、高精度地实现低转速、无法水平放置的磁悬浮转子的静平衡。
7.本发明的技术解决方案是：一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统，包括：
8.磁悬浮转子系统单元，用于悬浮不平衡转子；以及
9.整圈旋转控制单元，用于控制不平衡转子绕其几何轴稳定旋转；以及
10.特征电流提取单元，用于从磁悬浮转子系统所获取的绕组电流中提取特征电流；以及
11.静平衡配重解算单元，用于根据特征电流解算不平衡转子静平衡所需配重质量和配重角位置。
12.进一步地，所述磁悬浮转子系统单元包括位移传感器、磁轴承驱动控制器、转子系统；
13.所述磁轴承驱动控制器接收整圈旋转控制单元发送的起浮指令以及位移传感器的输出信号，计算控制量并进行功率放大，给转子系统的磁轴承绕组au、绕组av、绕组bu、绕组bv提供电流；同时采集磁轴承绕组au电流i
au
、绕组av电流i
av
、绕组bu电流i
bu
、绕组bv电流i
bv
传送给特征电流提取单元；
14.所述位移传感器，用于检测转子系统的不平衡转子位置，与参考位置做差送入磁轴承驱动控制器中；
15.所述转子系统单元，包含不平衡转子、平衡盘a、磁轴承a、磁轴承b、平衡盘b；平衡盘a、磁轴承a、磁轴承b、平衡盘b固定在不平衡转子上，沿不平衡转子轴向放置；磁轴承a包含磁极au、绕组au、磁极av、绕组av，磁轴承b包含磁极bu、绕组bu、磁极bv、绕组bv；磁轴承a和磁轴承b产生电磁力施加于不平衡转子，使不平衡转子悬浮到参考位置；所述平衡盘a放置配重质量ma，所述平衡盘b放置配重质量mb，用以实现不平衡转子的静平衡配重。
16.进一步地，磁悬浮转子系统单元的静止坐标系o(x,y)和转子固连坐标系o(u,v)的确定如下：设不平衡转子几何中心轴为o，从o到磁极au中心为转子固连坐标系ou方向，从o到磁极av中心为转子固连坐标系ov方向，ov方向为ou方向逆时针旋转90
°
；旋转不平衡转子使其达到特征角位置，此时静止坐标系o(x,y)的ox方向与转子固连坐标系o(u,v)的ou方向重合，静止坐标系o(x,y)的oy方向与转子固连坐标系o(u,v)的ov方向重合。
17.进一步地，磁轴承驱动控制器计算控制量，包括：
18.对控制误差进行积分处理得到积分控制量，用以消除静差，实现不平衡转子绕其几何轴旋转；
19.对控制误差进行放大处理得到比例控制量，用以提供支承刚度；
20.对控制误差进行差分处理得到差分控制量，用以提供支承阻尼；
21.积分控制量、比例控制量和差分控制量加权相加即为磁轴承驱动控制器计算得到的控制量，经过功率放大给转子系统的磁轴承绕组au、绕组av、绕组bu、绕组bv提供电流。
22.进一步地，所述整圈旋转控制单元，首先给磁悬浮转子系统单元发送起浮指令；然后控制磁悬浮转子系统单元中不平衡转子以转速ω稳速旋转；待转速稳定后，给特征电流提取单元发送静平衡计算起始指令，并在旋转t秒后发送静平衡计算结束指令；其中，t为不平衡转子旋转m圈整周期所需时间,t＝2πm/ω。
23.进一步地，所述特征电流提取单元，接收整圈旋转控制单元发送的静平衡计算起始指令，累加计数器n从零开始计数，采集磁轴承绕组au电流i
au
、绕组av电流i
av
、绕组bu电流i
bu
、绕组bv电流i
av
并进行累加运算；
[0024][0025]
接收整圈旋转控制单元发送的静平衡计算结束指令，此时累加计数器n计数到n，计算各绕组电流在转子固连坐标系ou、ov方向上的分量，为：
[0026][0027]
其中，n＝t/t为累加时长，t为伺服周期时间，t为不平衡转子旋转m圈整周期时间。
[0028]
进一步地，所述静平衡配重解算单元包括静平衡配重成分计算模块、静平衡配重质量计算模块和静平衡配重角位置计算模块；
[0029]
静平衡配重成分计算模块根据特征电流提取单元所得结果解算静平衡配重在转子固连坐标系ou、ov方向上的分量，结果为：
[0030][0031]
其中，ma为平衡盘a所需校正质量,mb为平衡盘b所需校正质量，m
au
为ma在转子固连坐标系ou方向上的分量，m
av
为ma在转子固连坐标系ov方向上的分量，m
bu
为mb在转子固连坐标系ou方向上的分量，m
bv
为mb在转子固连坐标系ov方向上的分量；ra、rb为平衡盘a、b上的校正质量到转轴的距离，k
ia
、k
ib
分别为磁轴承a和磁轴承b的电流刚度；l
mta
为ma到不平衡转子质心的轴向距离，l
mtb
为mb到不平衡转子质心的轴向距离，l为平衡盘a到平衡盘b的轴向距离，l2为磁轴承a到磁轴承b的轴向距离，g为重力加速度常数；
[0032]
静平衡配重质量计算模块根据静平衡配重成分计算模块所得的结果计算平衡盘a所需配重质量ma、平衡盘b所需配重质量mb，分别为：
[0033][0034]
静平衡配重角位置计算模块根据静平衡配重成分计算模块所得的结果解算平衡盘a所需配重质量的角位置平衡盘b所需配重质量的角位置分别为：
[0035][0036]
根据所述的一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统实现的磁悬浮转子静平衡方法，包括：
[0037]
控制不平衡转子悬浮；
[0038]
控制不平衡转子绕其几何轴稳定旋转；
[0039]
获取不平衡转子的绕组电流；
[0040]
从绕组电流中提取特征电流成分；
[0041]
根据特征电流成分解算不平衡转子所需配重质量。
[0042]
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡方法的步骤。
[0043]
一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡方法的步骤。
[0044]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0045]
(1)本发明在地面实验阶段无需旋转关节水平放置，对磁悬浮转子进行力/力矩平衡分析，使用径向磁轴承绕组电流高精度解算静平衡配重，提高了静平衡精度。
[0046]
(2)本发明使用磁悬浮旋转关节自身所带磁轴承/位置传感器作为静平衡配重解算装置，不需要布置额外的检测传感器，提高了工作效率。
附图说明
[0047]
图1为一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统框图；
[0048]
图2为磁悬浮转子系统结构图；
[0049]
图3为静止坐标系o(x,y)和转子固连坐标系o(u,v)的示意图；
[0050]
图4为磁悬浮转子静不平衡及配重受力示意图；
[0051]
图5为特征电流提取单元框图；
[0052]
图6为静平衡配重解算单元框图。
具体实施方式
[0053]
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0054]
以下结合说明书附图对本技术实施例所提供的一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～图6所示)：磁悬浮转子系统单元，用于悬浮不平衡转子；以及整圈旋转控制单元，用于控制不平衡转子绕其几何轴稳定旋转；以及特征电流提取单元，用于从磁悬浮转子系统所获取的绕组电流中提取特征电流；以及静平衡配重解算单元，用于根据特征电流解算不平衡转子静平衡所需配重质量和配重角位置。
[0055]
在本技术实施例所提供的方案中，一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统，主要包括磁悬浮转子系统单元、整圈旋转控制单元、特征电流提取单元和静平衡配重解算单元。磁悬浮旋转关节的位置传感器和磁轴承均在转子上，传感器检测到的不平衡转子几何中心偏心值是直流量，磁轴承施加给不平衡转子的控制力也是直流量，在低转速下
绕不平衡转子几何中心匀速旋转，由转子静不平衡(质心偏移)产生的重力力矩和磁轴承直流电磁力对转子的作用力矩形成力矩平衡。使用双平面法配平转子，由两端平衡面上的配重质量产生的重力力矩之和与磁轴承直流电磁力对转子的作用力矩形成力矩平衡，两端平衡面上的配重质量产生离心力矩也形成力矩平衡，根据如上用力/力矩平衡关系即可解静不平衡配重质量。
[0056]
1、一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统
[0057]
如图1所示，本发明主要包括磁悬浮转子系统单元1、整圈旋转控制单元2、特征电流提取单元3、静平衡配重解算单元4；其中，磁悬浮转子系统单元1悬浮不平衡转子，整圈旋转控制单元2控制不平衡转子其几何轴稳定旋转。特征电流提取单元3从磁悬浮转子系统单元2所获取的绕组电流中提取特征电流。静平衡配重解算单元4根据特征电流提取单元所得特性电流解算磁悬浮转子静平衡所需配重质量和配重角位置。
[0058]
2、磁悬浮转子系统单元
[0059]
磁悬浮转子系统单元包括位移传感器、磁轴承驱动控制器、转子系统；所述磁轴承驱动控制器接收整圈旋转控制单元发送的起浮指令以及位移传感器的输出信号，计算控制量并进行功率放大，给转子系统的磁轴承绕组au、绕组av、绕组bu、绕组bv提供电流；同时采集磁轴承绕组au电流i
au
、绕组av电流i
av
、绕组bu电流i
bu
、绕组bv电流i
bv
传送给特征电流提取单元；所述位移传感器，用于检测转子系统的不平衡转子位置，与参考位置做差送入磁轴承驱动控制器中；所述转子系统单元，包含不平衡转子、平衡盘a、磁轴承a、磁轴承b、平衡盘b；平衡盘a、磁轴承a、磁轴承b、平衡盘b固定在不平衡转子上，沿不平衡转子轴向放置；磁轴承a包含磁极au、绕组au、磁极av、绕组av，磁轴承b包含磁极bu、绕组bu、磁极bv、绕组bv；磁轴承a和磁轴承b产生电磁力施加于不平衡转子，使不平衡转子悬浮到参考位置；所述平衡盘a放置配重质量ma，所述平衡盘b放置配重质量mb，用以实现不平衡转子的静平衡配重。
[0060]
具体的，如图2所示，为本发明所述磁悬浮转子系统单元，包含：位移传感器、磁轴承驱动控制器、转子系统，磁轴承驱动控制器接收整圈旋转控制单元发送起浮指令，位移传感器检测转子系统的不平衡转子位置，与参考位置做差送入磁轴承驱动控制器中，计算得到控制量并进行功率放大，给转子系统的磁轴承绕组au、绕组av、绕组bu、绕组bv提供电流。转子系统的磁轴承a和磁轴承b产生电磁力施加于不平衡转子，使不平衡转子悬浮到参考位置。磁轴承驱动控制器采集磁轴承绕组au电流i
au
、绕组av电流i
av
、绕组bu电流i
bu
、绕组bv电流i
bv
传送给特征电流提取单元。
[0061]
具体的，磁轴承驱动控制器计算控制量，包括：
[0062]
对控制误差进行积分处理得到积分控制量，用以消除静差，实现不平衡转子绕其几何轴旋转；
[0063]
对控制误差进行放大处理得到比例控制量，用以提供支承刚度；
[0064]
对控制误差进行差分处理得到差分控制量，用以提供支承阻尼；
[0065]
积分控制量、比例控制量和差分控制量加权相加即为磁轴承驱动控制器计算得到的控制量，经过功率放大给转子系统的磁轴承绕组au、绕组av、绕组bu、绕组bv提供电流。
[0066]
3、静止坐标系o(x,y)和转子固连坐标系o(u,v)定义
[0067]
本发明所述转子系统单元，包含不平衡转子、平衡盘a、磁轴承a、磁轴承b、平衡盘b，磁轴承a包含磁极au、绕组au、磁极av、绕组av，磁轴承b包含磁极bu、绕组bu、磁极bv、绕组
bv。
[0068]
如图3所示，为本发明所述的基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统的静止坐标系o(x,y)和转子固连坐标系o(u,v)的示意图。转子系统的静止坐标系o(x,y)和转子固连坐标系o(u,v)的确定如下：设转子几何中心轴为o，从o到磁极au中心为转子固连坐标系ou方向，从o到磁极av中心为转子固连坐标系ov方向，ov方向为ou方向逆时针旋转90
°
；旋转不平衡转子使其达到特征角位置(角位置传感器输出为零的角位置)，此时静止坐标系o(x,y)的ox方向与转子固连坐标系o(u,v)的ou方向重合，静止坐标系o(x,y)的oy方向与转子固连坐标系o(u,v)的ov方向重合。
[0069]
4、磁悬浮转子静不平衡及配重受力示意图
[0070]
如图4所示，为本发明所述的磁悬浮转子静不平衡及配重受力示意图。平衡盘a、磁轴承a、平衡盘b、磁轴承b之间的轴向距离为：l1、l2、l3，l1 l2 l3＝l。平衡盘a、平衡盘b到质心的轴向距离分别为l
mta
、l
mtb
。磁轴承a、磁轴承b到质心的轴向距离分别为l
ma
、l
mb
。平衡盘a、平衡盘b上的配重质量ma、mb到转轴的轴向距离分别为ra、rb。不平衡转子质心偏心距为em。转子系统的重力为gm。平衡盘a上的配重质量ma的重力为g
ma
，平衡盘b上的配重质量mb的重力为g
mb
。
[0071]
a、b端磁轴承磁力力平衡方程为：
[0072]fma
f
mb
＝0
[0073]
a、b端磁轴承磁力f
ma
、f
mb
对不平衡转子的作用力矩和重力gm质心偏心力矩的平衡方程为：
[0074]fma
×
l
ma-f
mb
×
l
mb
＝gm×em
[0075]
a、b端磁轴承磁力f
ma
、f
mb
对转子的作用力矩和a、b端配重质量ma、mb重力力矩的平衡方程为：
[0076]fma
×
l
ma-f
mb
×
l
mb
＝ma×g×ra-mb×g×
rb[0077]
a、b端配重质量ma、mb的离心力矩的平衡方程为：
[0078]
ma×
ra×
l
mta
mb×
rb×
l
mtb
＝0
[0079]
a、b端平衡盘到不平衡转子质心的轴向距离之和满足
[0080]
l
mta
l
mtb
＝l
[0081]
a、b端磁轴承到不平衡转子质心的轴向距离之和满足
[0082]
l
ma
l
mb
＝l2[0083]
a、b端磁轴承磁力f
ma
、f
mb
满足如下方程
[0084]fma
＝k
iaiau
k
iaiav
[0085]fmb
＝k
ibibu
k
ibibv
[0086]
其中，k
ia
、k
ib
分别为磁轴承a和磁轴承b的电流刚度，i
au
为磁轴承绕组au电流、i
av
为磁轴承绕组av电流、i
bu
为磁轴承绕组bu电流、i
av
为磁轴承绕组bv电流。
[0087]
5、特征电流提取单元
[0088]
如图5所示，为本发明所述的特征电流提取单元4的流程图，所述特征电流提取单元，接收整圈旋转控制单元发送的静平衡计算起始指令，计数器n从零开始累加，采集磁轴承绕组au电流i
au
、绕组av电流i
av
、绕组bu电流i
bu
、绕组bv电流i
av
并进行累加运算。
[0089][0090]
接收整圈旋转控制单元发送的静平衡计算结束指令，计数器n计数到n(n＝t/t为累加时长，t为伺服周期时间，t为转子旋转m圈整周期时间)，计算绕组电流在转子固连坐标系ou、ov方向上的分量，为：
[0091][0092]
6、静平衡配重解算单元
[0093]
如图6所示，为本发明所述的静平衡配重解算单元4的结构框图，静平衡配重解算单元，包括静平衡配重成分计算模块41、静平衡配重质量计算模块42和静平衡配重角位置计算模块43。
[0094]
静平衡配重成分计算模块41根据特征电流提取单元3所得结果解算静平衡配重在转子固连坐标系ou、ov方向上的分量，结果为：
[0095][0096]
其中，ma为平衡盘a所需校正质量,mb为平衡盘b所需校正质量，m
au
为ma在转子固连坐标系ou方向上的分量，m
av
为ma在转子固连坐标系ov方向上的分量，m
bu
为mb在转子固连坐标系ou方向上的分量，m
bv
为mb在转子固连坐标系ov方向上的分量；ra、rb为平衡盘a、b上的校正质量到转轴的距离，k
ia
、k
ib
分别为磁轴承a和磁轴承b的电流刚度。l
mta
、l
mtb
分别为ma和mb到不平衡转子质心的轴向距离，l为平衡盘a到平衡盘b的轴向距离，l2磁轴承a到磁轴承b的轴向距离，g为重力加速度常数。
[0097]
静平衡配重质量计算模块42根据静平衡配重成分计算模块41所得的结果计算平衡盘a所需配重质量ma、平衡盘b所需配重质量mb，分别为：
[0098][0099]
静平衡配重角位置计算模块43根据静平衡配重成分计算模块41所得的结果解算
平衡盘a所需配重质量的角位置平衡盘b所需配重质量的角位置分别为：
[0100][0101]
整圈旋转控制单元，首先给磁悬浮转子系统单元发送起浮指令；然后控制磁悬浮转子系统单元中不平衡转子以转速ω稳速旋转；待转速稳定后，给特征电流提取单元发送静平衡计算起始指令，并在旋转t秒后发送静平衡计算结束指令；其中，t为不平衡转子旋转m圈整周期所需时间,t＝2πm/ω。
[0102]
基于与图1相同的发明构思，本发明还提供一种根据所述的基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统实现的磁悬浮转子静平衡方法，包括：
[0103]
控制不平衡转子悬浮；
[0104]
控制不平衡转子绕其几何轴稳定旋转；
[0105]
获取不平衡转子的绕组电流；
[0106]
从绕组电流中提取特征电流成分；
[0107]
根据特征电流成分解算不平衡转子所需配重质量。
[0108]
本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
[0109]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0110]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0111]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0112]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0113]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精
神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。
[0114]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。