CN111641367A - 一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***及其控制方法。所述***包括磁悬浮轴承控制器、驱动模块、磁悬浮轴承、电机、电流监测设备和比例放大模块。本发明通过监测电机输入电流判断电机转子位置的作为磁悬浮轴承控制器反馈输入的方式，以达到实现针对于电机的无位置传感器磁悬浮轴承，达到对于针对于电机的无位置传感器的磁悬浮轴承的控制。解决了传统有位置传感器的磁悬浮轴承的缺陷，以解决现有技术中磁悬浮轴承需配有位移传感器来检测位移信号，从而增加了磁轴承的尺寸，对于磁悬浮轴承的成本要求大大提高的问题。同时可以判断电机转子的径向力，提前施加反方向电磁力，这样可以大大提高磁悬浮轴承的抗干扰能力和稳定性。

Description

一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机运行监测技术领域，是一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***及其控制方法。
背景技术
磁悬浮电机的高速转子采用磁轴承支撑，具有高转速、无摩擦、不需要润滑和维护、寿命长、可靠性高等优点，在尖端科学仪器、高技术产业工艺装备、国防领域等具有非常广阔的应用前景。而现在无传感器的自检测磁悬浮轴承和自轴承电机是国内外研究的主流趋势。
目前，传统磁轴承***采用电磁轴承，需配有位移传感器来检测位移信号，从而增加了磁轴承的尺寸，对于磁悬浮轴承的成本要求大大提高。而自轴承电机有巨大的局限性，对于每一种电机需要设计一个新的无轴承电机，这样大大增加了资源浪费同时加大了局限性。
由于磁悬浮轴承存在需配有位移传感器来检测位移信号，从而增加了磁轴承的尺寸，对于磁悬浮轴承的成本要求大大提高的问题。近年来针对无位置传感器的磁悬浮轴承的研究一直是磁悬浮轴承的研究热点，但是一直没有巨大的突破。
传统的磁悬浮轴承控制方法是如图1所示，以搭载电机的磁悬浮轴承控制***为例。通过首先设置电机转子给定期望的位置，对比此刻电机转子实际位置产生一个偏差值，输入进入控制器，通过控制器改变输出的控制电流，进入磁悬浮轴承。磁悬浮轴承改变对于电机转子的电磁力，通过位置传感器去测量电机转子新的位置状态。将位置传感器测量出的新的转子位置状态再反馈于给电机转子给定期望的位置进行比较。通过这种方式来实现对于磁悬浮轴承***的控制。
发明内容
本发明为解决传统有位置传感器的磁悬浮轴承的缺陷，本发明提供了一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***及其控制方法，本发明提供了以下技术方案：
一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，所述***包括磁悬浮轴承控制器、驱动模块、磁悬浮轴承、电机、电流监测设备和比例放大模块；
磁悬浮轴承控制器控制信号输出端连接驱动模块控制信号输入端，所述驱动模块控制信号输出端连接磁悬浮轴承控制信号输入端，所述磁悬浮轴承控制信号输出端连接电机控制信号输入端，所述电机数据信号输出端连接电流监测设备数据信号输入端，电流监测设备数据信号输出端连接比例放大模块数据信号输入端，所述比例放大模块数据信号输出端连接磁悬浮轴承控制器数据信号输入端。
优选地，所述磁悬浮轴承采用三自由度磁悬浮轴承。
优选地，所述电机内置一恒定380V的交流电压源。
一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制方法，包括以下步骤：
步骤1：设置电机转子给定期望的位置参考量，将所述参考量与当前时刻电机转子状态对比，得到位置的偏差值；
步骤2：通过控制器采集位置的偏差值，并通过控制器改变输出的控制电流，输出对于磁悬浮轴承的控制电流进入磁悬浮轴承中产生电磁力；
步骤3：电机受到磁悬浮轴承中产生电磁力和外界干扰影响，电机内电流改变，通过电流监测设备监测电机内的电流改变；
步骤4：根据电机输入电流和电机转子位置关系以及电机三项输入电流的变化,得到此刻电机转子的位置状态。
优选地，当电机转速不变，转子位置发生改变是，电机气隙发生改变，从而改变电机的输入电流，通过检测电机输入电流和电机内转子位置的关系，判断当前时刻电机内转子的实际位置。
优选地，通过对电机本体的磁路进行分析确定后电机气隙的变化将改变电机气隙磁密变为不均衡，导致输入电机的三项电流发生相位和幅值的变化，确定电机输入电流和电机转子位置的关系。
优选地，电机在稳定运行的过程中通过分析电机输入电流和电机本身参数构造提前预判出电机转子受到的径向力，将径向力输入到控制器中，输出一个与电机转子所受径向力方向相反，大小相等的一个电磁力，保证电机正常运行。
优选地，所述控制器采用PID控制算法处理采集到的位置的偏差值，得到改变的输出的控制电流。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过监测电机输入电流判断电机转子位置的作为磁悬浮轴承控制器反馈输入的方式，以达到实现针对于电机的无位置传感器磁悬浮轴承，达到对于针对于电机的无位置传感器的磁悬浮轴承的控制。解决了传统有位置传感器的磁悬浮轴承的缺陷，以解决现有技术中磁悬浮轴承需配有位移传感器来检测位移信号，从而增加了磁轴承的尺寸，对于磁悬浮轴承的成本要求大大提高的问题。同时可以判断电机转子的径向力，提前施加反方向电磁力，这样可以大大提高磁悬浮轴承的抗干扰能力和稳定性。
相比于现有技术中自轴承电机有巨大的局限性，对于每一种电机需要设计一个新的无轴承电机，这样大大增加了资源浪费同时加大了局限性。本发明给出的一种针对于电机的无位置传感器的磁悬浮轴承控制***，针对于每一个新搭载的电机仅需要分析其输入电流和转子位移的关系仅可，不需要改变电机的结构
附图说明
图1为传统的磁悬浮轴承控制；
图2为基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***结构；
图3为基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图2所示，本发明提供一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，所述***包括磁悬浮轴承控制器、驱动模块、磁悬浮轴承、电机、电流监测设备和比例放大模块；
磁悬浮轴承控制器控制信号输出端连接驱动模块控制信号输入端，所述驱动模块控制信号输出端连接磁悬浮轴承控制信号输入端，所述磁悬浮轴承控制信号输出端连接电机控制信号输入端，所述电机数据信号输出端连接电流监测设备数据信号输入端，电流监测设备数据信号输出端连接比例放大模块数据信号输入端，所述比例放大模块数据信号输出端连接磁悬浮轴承控制器数据信号输入端。所述磁悬浮轴承采用三自由度磁悬浮轴承。所述电机内置一恒定380V的交流电压源。
由于电机转子的位置状态改变时，会改变电机内的气隙面积分布，令气隙分布不均匀。根据图3所示，本发明提供一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制方法，包括以下步骤：
步骤1：设置电机转子给定期望的位置参考量，将所述参考量与当前时刻电机转子状态对比，得到位置的偏差值；
步骤2：通过控制器采集位置的偏差值，并通过控制器改变输出的控制电流，输出对于磁悬浮轴承的控制电流进入磁悬浮轴承中产生电磁力；所述控制器采用PID控制算法处理采集到的位置的偏差值，得到改变的输出的控制电流。
步骤3：电机受到磁悬浮轴承中产生电磁力和外界干扰影响，电机内电流改变，通过电流监测设备监测电机内的电流改变；
步骤4：根据电机输入电流和电机转子位置关系以及电机三项输入电流的变化,得到此刻电机转子的位置状态。
当电机转速不变，转子位置发生改变是，电机气隙发生改变，从而改变电机的输入电流，通过检测电机输入电流和电机内转子位置的关系，判断当前时刻电机内转子的实际位置。
通过对电机本体的磁路进行分析确定后电机气隙的变化将改变电机气隙磁密变为不均衡，导致输入电机的三项电流发生相位和幅值的变化，确定电机输入电流和电机转子位置的关系。
电机在稳定运行的过程中通过分析电机输入电流和电机本身参数构造提前预判出电机转子受到的径向力，将径向力输入到控制器中，输出一个与电机转子所受径向力方向相反，大小相等的一个电磁力，保证电机正常运行。
气隙分布不均匀会引起电机内的气隙磁密发生改变，在输入电源为恒定380V电压源的情况下，会影响电机的输入电流，导致三相电流相位和幅值发生变化。所以通过电机内电磁的分析可以计算出转子位置和电机三项电流之间的关系。换言之可以通过监测电机的输入电流判断出此时刻电机转子的位置状态变化的情况以替代位置传感器。
本发明通过首先设置电机转子给定期望的位置，对比此刻电机转子实际位置产生一个偏差值，输入进入控制器，通过控制器改变输出的控制电流，进入磁悬浮轴承。
磁悬浮轴承由于控制电流的改变会改变对于电机转子的电磁力。由于磁悬浮轴承施加的电磁力和电机转子此刻所受电磁力的合力，会来改变电机转子的位置状态，从而改变电机内部气隙。
所以可以通过监测电机输入电流，判断出当前时刻电机转子的位置状态，再与设置的电机转子给定期望的位置进行比较。通过监测电机输入电流判断电机转子位置的作为磁悬浮轴承控制器反馈输入的方式，以达到实现针对于电机的无位置传感器磁悬浮轴承，达到对于针对于电机的无位置传感器的磁悬浮轴承的控制。解决了传统有位置传感器的磁悬浮轴承的缺陷，以解决现有技术中磁悬浮轴承需配有位移传感器来检测位移信号，从而增加了磁轴承的尺寸，对于磁悬浮轴承的成本要求大大提高的问题。同时可以判断电机转子的径向力，提前施加反方向电磁力，这样可以大大提高磁悬浮轴承的抗干扰能力和稳定性。
通过分析电机的在稳定运行时的转子位置状态和电机输入电流的关系，通过监测电机输入电流大小判断当前时刻电机转子的位置状态，以替代磁悬浮轴承中的位置传感器的作用。因为省略了位置传感器，这使得相比于传统使用位置传感器的磁悬浮轴承***的成本、结构复杂度和控制复杂度都大大降低；由于磁悬浮轴承不需要改变电机的内部构造，所以相比于自轴承电机，有更大的适用范围，大大减少了资源浪费。
以上所述仅是一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***及其控制方法的优选实施方式，一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***及其控制方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，其特征是：所述***包括磁悬浮轴承控制器、驱动模块、磁悬浮轴承、电机、电流监测设备和比例放大模块；
磁悬浮轴承控制器控制信号输出端连接驱动模块控制信号输入端，所述驱动模块控制信号输出端连接磁悬浮轴承控制信号输入端，所述磁悬浮轴承控制信号输出端连接电机控制信号输入端，所述电机数据信号输出端连接电流监测设备数据信号输入端，电流监测设备数据信号输出端连接比例放大模块数据信号输入端，所述比例放大模块数据信号输出端连接磁悬浮轴承控制器数据信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，其特征是：所述磁悬浮轴承采用三自由度磁悬浮轴承。
3.根据权利要求1所述的一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，其特征是：所述电机内置一恒定380V的交流电压源。
4.一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制方法，所述方法基于如权利要求1所述的一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：设置电机转子给定期望的位置参考量，将所述参考量与当前时刻电机转子状态对比，得到位置的偏差值；
步骤2：通过控制器采集位置的偏差值，并通过控制器改变输出的控制电流，输出对于磁悬浮轴承的控制电流进入磁悬浮轴承中产生电磁力；
步骤3：电机受到磁悬浮轴承中产生电磁力和外界干扰影响，电机内电流改变，通过电流监测设备监测电机内的电流改变；
步骤4：根据电机输入电流和电机转子位置关系以及电机三项输入电流的变化,得到此刻电机转子的位置状态。
5.根据权利要求4所述的一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，其特征是：当电机转速不变，转子位置发生改变是，电机气隙发生改变，从而改变电机的输入电流，通过检测电机输入电流和电机内转子位置的关系，判断当前时刻电机内转子的实际位置。
6.根据权利要求5所述的一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，其特征是：通过对电机本体的磁路进行分析确定后电机气隙的变化将改变电机气隙磁密变为不均衡，导致输入电机的三项电流发生相位和幅值的变化，确定电机输入电流和电机转子位置的关系。
7.根据权利要求4所述的一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，其特征是：电机在稳定运行的过程中通过分析电机输入电流和电机本身参数构造提前预判出电机转子受到的径向力，将径向力输入到控制器中，输出一个与电机转子所受径向力方向相反，大小相等的一个电磁力，保证电机正常运行。
8.根据权利要求4所述的一种基于电机运行状态的磁悬浮轴承控制***，其特征是：所述控制器采用PID控制算法处理采集到的位置的偏差值，得到改变的输出的控制电流。
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