CN113346817A - 用于控制装备旋转机械的主动磁性轴承的***和相应方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制装备包括转子(1)和定子的旋转机械的至少一个主动磁性轴承的***，控制***设置有：至少一个装置(3a、3b)，用于根据来自至少两个位置传感器(2a、2b)的信号来测量转子相对于定子的径向位置；以及根据转子的径向位置的主动磁性轴承的至少两个控制回路(7a、7b)，磁性轴承的每个控制回路设置有根据转子旋转速度的至少一个同步滤波器(6a、6b)，以及用于确定转子相对于定子的旋转速度的装置(10)，该装置从测量装置(3a、3b)接收转子的径向位置的测量作为输入，并且根据转子的径向位置的测量在转子的旋转速度为零的同时在预定时间内执行。

Description

用于控制装备旋转机械的主动磁性轴承的***和相应方法
技术领域
本发明的技术领域是旋转机械的控制，更具体地是对设置有磁性轴承的这种机械的控制。
背景技术
使用主动磁性轴承AMB的大多数工业应用都需要转子的旋转速度来激活同步滤波***，比如主动平衡***ABS(“自动平衡***”的缩写)、自适应减振***AVR(“自适应减振”的缩写)以及最佳阻尼控制***ODC(“最佳阻尼控制”的缩写)。
这些滤波器是控制磁性轴承MBC(“磁性轴承控制器”的缩写)的必要部分。
通过涉及其他装置来确定旋转速度，比如速度传感器、电机功率信号测量图或基于感应的测量***等。
然而，这些估计装置具有以下缺点：额外的成本、构成故障源以及对于某些应用的准确性不足。
仅仅基于AMB的内部信号来获得由AMB引导的转子的旋转速度而没有任何附加装置的问题是存在的。
出于过程控制和安全原因，此信息对于用户是必需的。
该信息对于AMB的控制回路也是必需的，以便能够执行如上所述的同步滤波(ABS、AVR和ODC)。
发明内容
本发明的主题是一种用于控制装备包括转子和定子的旋转机械的至少一个主动磁性轴承的***，控制***设置有：至少一个装置，用于根据来自至少两个位置传感器的信号来测量转子相对于定子的径向位置；以及用于根据转子的径向位置来控制主动磁性轴承的至少两个回路，磁性轴承的每个控制回路设置有根据转子的旋转速度的至少一个同步滤波器。该***包括用于确定转子相对于定子的旋转速度的装置，该装置从测量装置接收转子的径向位置的测量作为输入，并且根据在转子的旋转速度为零的同时在预定时间内执行的转子的径向位置的测量。
用于确定旋转速度的装置可以包括扩展的卡尔曼滤波器。
状态矢量可以取决于转子的角位置、转子的旋转速度、偏移值以及由位置传感器描述的轨道的半径。
扩展的卡尔曼滤波器可以通过根据在零旋转速度时转子的径向位置的平均偏差的状态矢量并且通过根据在预定测量时间内在零旋转速度时转子的径向位置的标准偏差的协方差矩阵初始化。
在旋转机械设置有第二主动磁性轴承的情况下，用于确定转子的旋转速度的装置可以从第二主动磁性轴承的测量装置接收转子的径向位置的测量作为输入，并且在转子的旋转速度为零的同时在预定时间内执行转子的径向位置的测量，用于确定转子的旋转速度的装置配置为根据从两个主动磁性轴承的测量装置接收的测量来确定转子的旋转速度。
在该实施例中，用于确定旋转速度的装置可以包括扩展的卡尔曼滤波器。
扩展卡尔曼滤波器可以通过根据在零旋转速度时转子的径向位置的平均偏差的状态矢量并且通过根据在由每个测量装置确定的预定测量时间内在零旋转速度时转子的径向位置的标准偏差的协方差矩阵初始化。
状态矢量可以取决于转子的角位置、转子的旋转速度、偏移值和由位置传感器描述的轨道的半径、第一主动磁性轴承的测量装置，以及转子的角位置、转子的旋转速度、偏移值和从第二主动磁性轴承的测量装置接收的由位置传感器描述的轨道的半径以及两个主动磁性轴承之间的角相移的值，以便考虑转子的可能运动。
测量装置可以配置为以MBC控制回路的采样频率来确定转子的径向位置值，用于确定旋转速度的装置执行扩展的卡尔曼滤波器预测并以与磁性轴承的控制回路的采样频率相同的频率更新操作。
本发明的另一主题是一种用于控制装备包括转子和定子的旋转机械的至少一个主动磁性轴承的方法，控制方法包括根据来自至少两个位置传感器的信号来测量转子相对于定子的径向位置的至少一个步骤，以及根据转子的径向位置来控制主动磁性轴承的至少一个步骤，控制磁性轴承的步骤包括根据转子的旋转速度进行同步滤波的至少一个步骤，该方法还包括以下步骤：根据在测量步骤期间执行的测量，确定转子相对于定子的旋转速度，确定在转子的旋转速度为零的同时在预定时间内执行的转子的径向位置和转子的径向角位置。
根据本发明的控制***和方法具有以下优点：通过消除传统上用于确定旋转速度的装置，可以降低旋转机械的控制成本。
根据本发明的控制***和方法具有如下优点：除了常规使用的用于确定旋转速度的装置之外，在使用时还提供第二测量信号。
附图说明
通过阅读以下纯粹作为非限制性示例给出的描述并参考附图，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见，其中：
-图1示出了在固定的正交参考系中旋转的点的径向位置，以及
-图2示出了根据本发明的控制***。
具体实施方式
根据本发明的控制***处理源自转子相对于定子的径向位置的传感器的信号，以便确定旋转速度。这样的位置传感器固有且必然地形成磁性轴承AMB的一部分。控制回路使用这些信号来控制轴承AMB。
根据本发明的控制***采用关于转子的径向位置信号的统计数据，结合扩展的卡尔曼滤波器来确定转子的旋转速度。
磁性轴承使得可以修改包含在垂直于轴的平面中的两个方向中的每个方向上的轴的位置。对于每个方向，确定所需的位移，然后将其转换为传递到两个致动器(电磁体)的命令。每个致动器都会在轴上产生吸引磁力，使其被吸引。然后基于两个致动器之间的吸引力差获得位移。
对于磁性轴承，则有必要确定一个方向上的位移和另一个方向上的位移，通常是正交的。这些位移被转换为用于四个致动器的命令，每个方向两个致动器。
对于其余的描述，径向位置定义为在固定的正交参考系中旋转的点的坐标(v，w)。
值α，β，a，
Figure BDA0002957876080000031
v，w在图1中示出。
图2示出了转子1，其根据图1所示的参考系(x，y)的第一方向的角位置由测量装置3a根据来自径向位置传感器2a的信号来确定。通过由第一减法器5a接收的设定点来控制支撑转子1的磁性轴承在参考系(x，y)的第一方向上的位移。第一减法器5a根据设定点与由测量装置3a确定的位置测量之间的差而发出误差信号。然后，误差信号在被传送到两个控制回路70a、71a之前被至少一个同步滤波器6a滤波。控制回路70a、71a每个根据旨在分别用于磁性轴承的致动器8a、9a的参考系(x，y)的第一方向确定位置命令。
还可以看出，转子1的根据图1所示的参考系(x，y)的第二方向的角位置由测量装置3b根据来自径向位置传感器2b的信号来确定。通过由第二减法器5b接收的设定点来控制支撑转子1的磁性轴承在参考系(x，y)的第二方向上的位移。第二减法器5b根据设定值与由测量装置3b确定的位置测量之间的差来发出误差信号。然后，误差信号在被传送到两个控制回路70b、71b之前被至少一个同步滤波器6b滤波。控制回路70b、71b根据旨在分别用于磁性轴承的致动器8b、9b的第二方向确定位置命令。
确定装置10使得可以根据由测量装置3a、3b确定的径向位置来确定旨在用于同步滤波器6a、6b的转子旋转速度信号。
还可以看到根据本发明的控制***，其中扩展的卡尔曼滤波器EKF类型的确定装置10接收从测量装置3a、3b接收的根据连接到定子的参考系的轴x的转子的估计径向位置和根据连接到定子的参考系的轴y的转子的估计位置作为输入。应当注意，正交参考系z(x，y，z)的轴z与转子的旋转轴重合。
扩展的卡尔曼滤波器然后确定估计的旋转速度，其被传输到主动磁性轴承的控制回路的每个同步滤波器。
在第一方法中，为了减少EKF的处理时间，建议选择简化为最简单表达的状态矢量x：
Figure BDA0002957876080000041
其中：
Figure BDA0002957876080000042
绕轴z的旋转角度
Figure BDA0002957876080000043
旋转速度
α：根据轴X的偏移
β：根据轴y的偏移
a：径向位置传感器描述的轨道半径
EKF的状态模型是简单且线性的。其可以表示为：
Figure BDA0002957876080000051
其中：
Figure BDA0002957876080000052
ABS、AVR和ODC AMB控制模式使用的选择性滤波器所期望的值采用以下形式：
Figure BDA0002957876080000053
而EKF的观测器模型为：
Figure BDA0002957876080000054
不必假定关于Ω，α，β和a的动态行为的假设，而是当转子处于静止状态(悬浮而不旋转)时，可以确定它们的初始值和影响其中一些的噪声的特性。
然后建议在静止状态下测量信号v和w一段时间T，以初始化状态矢量。
然后定义以下矩阵x0和P0：
x0＝[0 0 v w 0]T
Figure BDA0002957876080000055
其中：
μv：信号v的平均偏差
μw：信号w的平均偏差
σv：信号v的标准偏差
σw：信号w的标准偏差
平均偏差和标准偏差是在MBC控制回路的采样频率下确定的。
提出以与MBC控制回路的采样频率相同的频率执行滤波器预测和更新操作。
在另一实施例中，使用EKF滤波器接收如在第一实施例中那样根据连接到定子的参考系的轴x的转子的估计角位置和根据连接到第一AMB测量装置的定子的参考系的轴y的转子的估计位置以及根据连接到定子的参考系的轴x的转子的估计角位置和根据连接到第二测量装置(其连接到第二AMB)的定子的参考系的轴y的转子的估计位置作为输入。实际上，通常，使用两个AMB来引导旋转机械转子。因此，两个可用的测量装置被建议冗余地用于供给EKF滤波器。
对于所有其余的描述，分别通过第一AMB的测量装置和第二AMB的测量装置来定义标识相对值的索引1和2。
在这样的实施例中，状态矢量变为：
Figure BDA0002957876080000061
由于通常在两个AMB测量装置之间存在相移，因此将相移变量
Figure BDA0002957876080000062
引入状态矢量中。
状态模型则如下：
Figure BDA0002957876080000063
其中：
Figure BDA0002957876080000064
观测模型则如下：
Figure BDA0002957876080000071
对于第一实施例，状态矢量和协方差矩阵必须通过静止状态下源自位置测量的数据以及确定其静态特性(均值和标准偏差)的数据进行初始化。
然后获得以下初始状态矢量x0和协方差矩阵P0：
x0＝[0 0 v1 w1 0 v2 v2 0 0]T
Figure BDA0002957876080000072
其中：
μv1：来自第一AMB测量装置的信号v1的平均偏差
μw1：来自第一AMB测量装置的信号w1的平均偏差
σv1：来自第一AMB测量装置的信号v1的标准偏差
σw1：来自第一AMB测量装置的信号w1的标准偏差
μv2：来自第二AMB测量装置的信号v2的平均偏差
μw2：来自第二AMB测量装置的信号w2的平均偏差
σv2：来自第二AMB测量装置的信号v2的标准偏差
σw2：来自第二AMB测量装置的信号w2的标准偏差
平均值和标准偏差是在MBC控制回路的采样频率下确定的。
滤波器预测和更新操作以与MBC控制回路路的采样频率相同的频率执行。

Claims (10)

1.一种用于控制装备包括转子(1)和定子的旋转机械的至少一个主动磁性轴承的***，
控制***设置有：至少一个装置(3a、3b)，用于根据来自至少两个位置传感器(2a、2b)的信号来测量转子相对于定子的径向位置；以及根据转子的径向位置的主动磁性轴承的至少两个控制回路(7a、7b)，磁性轴承的每个控制回路设置有根据转子旋转速度的至少一个同步滤波器(6a、6b)，
其特征在于，它包括用于确定转子相对于定子的旋转速度的装置(10)，该装置从测量装置(3a、3b)接收转子的径向位置的测量作为输入，并且根据在转子的旋转速度为零的同时在预定时间内执行的转子的径向位置的测量。
2.根据权利要求1所述的控制***，其中，所述用于确定旋转速度的装置包括扩展的卡尔曼滤波器。
3.根据权利要求2所述的控制***，其中，状态矢量取决于所述转子的角位置、所述转子的旋转速度、偏移值和由所述位置传感器描述的轨道的半径。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的控制***，其中，所述扩展的卡尔曼滤波器通过根据在零旋转速度时所述转子的径向位置的平均偏差的状态矢量并且通过根据在预定测量时间内在零旋转速度时所述转子的径向位置的标准偏差的协方差矩阵初始化。
5.根据权利要求1所述的控制***，其中，所述旋转机械设置有第二主动磁性轴承，所述用于确定转子的旋转速度的装置从第二主动磁性轴承的测量装置接收转子的径向位置的测量作为输入，并且在转子的旋转速度为零的同时在预定时间内执行转子的径向位置的测量，
所述用于确定转子的旋转速度的装置配置为根据从两个主动磁性轴承的测量装置接收的测量来确定转子的旋转速度。
6.根据权利要求5所述的控制***，其中，所述用于确定旋转速度的装置包括扩展的卡尔曼滤波器。
7.根据权利要求6所述的控制***，其中，所述扩展的卡尔曼滤波器通过根据在零旋转速度时所述转子的径向位置的平均偏差的状态矢量并且通过根据在由每个测量装置确定的预定测量时间内在零旋转速度时所述转子的径向位置的标准偏差的协方差矩阵初始化。
8.根据权利要求6和7中任一项所述的控制***，其中，所述状态矢量取决于所述转子的角位置、所述转子的旋转速度、偏移值和由所述位置传感器描述的轨道的半径、所述第一主动磁性轴承的测量装置，以及偏移值、所述转子的角位置、所述转子的旋转速度和从所述第二主动磁性轴承的测量装置接收的由所述位置传感器描述的轨道半径以及两个主动磁性轴承之间的角相移的值，以便考虑所述转子的可能运动。
9.根据前述权利要求中任一项所述的控制***，其中，所述测量装置配置为以所述控制回路的采样频率来确定所述转子的径向位置的值，所述用于确定旋转速度的装置执行扩展的卡尔曼滤波器预测并以与磁性轴承的控制回路的采样频率相同的频率更新操作。
10.一种用于控制装备包括转子和定子的旋转机械的至少一个主动磁性轴承的方法，
控制方法包括根据来自至少两个位置传感器的信号来测量转子相对于定子的径向位置的至少一个步骤，以及根据转子的径向位置来控制主动磁性轴承的至少一个步骤，控制磁性轴承的步骤包括根据转子的旋转速度进行同步滤波的至少一个步骤，
该方法还包括以下步骤：根据在测量步骤期间执行的测量，确定转子相对于定子的旋转速度，确定在转子的旋转速度为零的同时在预定时间内执行的转子的径向位置和转子的径向角位置。
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