一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法技术

一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，属于电磁轴承控制领域，尤其涉及一种针对大型立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法。本发明专利技术针对现有的缺陷，提出了一种能够保证立式电磁轴承系统安全、转子不易跌落、抗干扰能力强的转子跌落恢复控制方法。本发明专利技术中，传感器实时将信号传输给控制器；控制器将信号进行处理，并与上位机实时进行数据信息交流传输；控制器通过控制算法生成不同的控制信号并输出；不同的控制信号分别经过功率放大器生成电磁轴承中线圈所需的控制电流传输至电磁轴承，进而控制转子五个方向的自由度，电磁轴承根据不同的控制电流输出相对应的电磁力，进而控制转子位置。本发明专利技术主要用于立式电磁轴承转子跌落恢复。

A Control Method for Rotor Drop Recovery of Vertical Electromagnetic Bearing

The invention relates to a control method suitable for the drop recovery of a vertical electromagnetic bearing rotor, belonging to the field of the control of an electromagnetic bearing, in particular to a control method for the drop recovery of a large vertical electromagnetic bearing rotor. In view of the existing defects, the present invention proposes a rotor drop recovery control method which can ensure the safety of the vertical electromagnetic bearing system, the rotor is not easy to fall, and the anti-interference ability is strong. In the invention, the sensor transmits the signal to the controller in real time; the controller processes the signal and communicates the data information with the host computer in real time; the controller generates different control signals and outputs them through the control algorithm; different control signals are respectively transmitted to the magnetic bearing by the control current needed by the coil in the magnetic bearing generated by the power amplifier, and then control the rotation. The magnetic bearings output corresponding electromagnetic force according to different control currents, and then control the position of the rotor. The invention is mainly used for restoring the drop of the rotor of a vertical electromagnetic bearing.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法
本专利技术属于电磁轴承控制领域，尤其涉及一种针对大型立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法。
技术介绍
电磁轴承具有无需润滑、无机械接触、免维护与更换及主动控制等优点，已成为高速转子的理想轴承，其在储能飞轮、航空航天、核工业、高速机床、透平机械等国防和基础工业部门具有广泛的应用前景。但当电磁轴承控制器正常工作时，转子有可能由于外界扰动而具有跌落趋势。由碰撞所引起的转子同步振动幅值与相位的改变可削弱电磁轴承控制器对于转子位移的控制能力。目前，应用电磁轴承控制系统时很少考虑转子跌落碰撞所带来的冲击影响。对于大型高速转子跌落，冲击载荷过大且过于集中，易发生局部失效，使系统功能丧失。高速转子跌落与辅助轴承碰撞过程高度非线性，跌落转子动力学分析十分复杂，控制器的设计难度加大。对电磁轴承转子跌落的理论研究尚不全面，限制了电磁轴承系统的实际应用。只有设计合理的控制策略，才可确保电磁轴承转子系统的稳定。因此，需要一种能够保证立式电磁轴承系统安全、转子不易跌落、抗干扰能力强的转子跌落恢复控制方法。
技术实现思路
本专利技术针对现有的立式电磁轴承系统不安全、转子易跌落、抗干扰能力差的缺陷，提出了一种能够保证立式电磁轴承系统安全、转子不易跌落、抗干扰能力强的转子跌落恢复控制方法。本专利技术所涉及的一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法的技术方案如下：本专利技术所涉及的一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，它包括以下步骤：步骤一、传感器实时将信号传输给控制器；步骤二、控制器将信号进行处理，并与上位机实时进行数据信息交流传输；步骤三、控制器通过控制算法生成不同的控制信号并输出；步骤四、所述不同的控制信号分别经过功率放大器生成电磁轴承中线圈所需的控制电流，所述控制电流传输至电磁轴承；所述电磁轴承包括轴向电磁轴承、上径向电磁轴承和下径向电磁轴承；所述电磁轴承控制转子五个方向的自由度；所述轴向电磁轴承控制转子轴向自由度，即Z方向的位移，转子轴向旋转由电机控制；所述X、Y、Z上径向电磁轴承和下径向电磁轴承控制转子径向自由度，即X、Y方向平移与旋转；步骤五、所述电磁轴承根据不同的控制电流输出相对应的电磁力，进而控制转子位置。进一步地：在步骤一中，所述传感器包括电流传感器和转子位移传感器，且电流传感器和转子位移传感器实时将电磁轴承的线圈电流信号和转子的位移信号传输给控制器12。进一步地：在步骤三中，所述控制器根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子位移信号求解悬浮力，计算电磁轴承的线圈电流指令，并比较电磁轴承的线圈电流指令与反馈线圈电流，通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量。进一步地：所述控制算法为PID控制算法，所述PID控制算法中，转子采用刚体模型，电磁轴承为线性模型fm＝Ki*ic+ks*s，其中，fm为输入电流函数，Ki为电流刚度，ic为控制电流，ks为某一方向位移刚度，s为某一方向的位移。进一步地：所述PID控制算法包括电磁力计算模块、转子动力学分析计算模块和跌落碰摩计算模块，所述电磁力计算模块、跌落碰摩计算模块和转子动力学分析计算模块的计算方式分别为：1)电磁力计算模块基于公式：其中，Ks为位移刚度，Ki为电流刚度；xa、ya、xb、yb、z为位移传感器X、Y、Z方向的转子径向与轴向位移信号，分别表示转子上、下两传感器界面的转子位移与转子轴向位移，通过坐标变换矩阵，最终可表示为转子五个方向的自由度；ixa、iya、ixb、iyb、iz分别表示对应转子五个自由度的五路电磁轴承线圈控制电流信号，Fxa、Fya、Fxb、Fyb、Fz分别表示相对应的电磁力；2)转子动力学分析计算模块在竖直转子动力学计算模块中加入碰撞力计算模块：其中，x、y、z分别表示转子质心X、Y、Z方向位移，θx与θy表示转子质心绕X与Y方向旋转角度；与表示转子质心绕X与Y方向旋转角速度，与表示转子质心绕X与Y方向旋转角加速度；mg为转子重力，IT为转子极转动惯量，Fm表示电磁力，Fc表示碰撞力，f表示转子所受离心力，下标x、y、z分别表示X、Y、Z方向，下标a与b分别表示转子上、下两端，sa、sb分别表示上、下电磁轴承与转子质心的距离，la、lb分别表示上、下辅助轴承与质心的距离；3)跌落碰撞计算模块对于立式电磁轴承：转子与辅助轴承的径向碰撞属于线撞类型，轴向碰撞属于面碰撞类型，滚动摩擦发生于转子与辅助轴承内圈的切向速度在数值上完全相等之时；基于赫兹接触公式：其中，F为碰撞力，δ为碰撞嵌入深度，为δ为对时间的一次微分量，K为接触刚度，C为碰撞阻尼，e为碰撞接触系数，其数值依据碰撞类型进行选取，对于点接触碰撞，e＝3/2；对于线接触碰撞，e＝10/9；对于面接触碰撞，e＝1；根据以上计算得到各类型碰撞力；轴向摩擦力矩：其中，Tz为轴向摩擦力矩，μz为轴向碰撞面摩擦系数，Fc,z为轴向碰撞力，Rb1、Rb2分别表示辅助轴承内外圈半径。一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法的控制系统，它包括立式电磁轴承和控制系统，所述立式电磁轴承包括转子、上辅助轴承、下辅助轴承、电磁轴承、电机、变频器和转子位移传感器，所述电磁轴承包括轴向电磁轴承、上径向电磁轴承和下径向电磁轴承，所述转子位移传感器包括上位移传感器和下位移传感器，所述上辅助轴承、轴向电磁轴承、上径向电磁轴承、电机、下径向电磁轴承和下辅助轴承依次从上而下设于转子侧面，所述上辅助轴承用于承受转子轴向与径向的冲击，所述下辅助轴承用于承受转子径向冲击，所述变频器的输出端连接电机的输入端，所述电机的输出端与转子连接，所述电机用于控制转子的轴向旋转，所述上位移传感器设于上辅助轴承和转子之间，所述下辅助轴承设于下辅助轴承和转子之间；所述控制系统包括上位机、控制器、功率放大器、传感器，所述上位机与控制器双向连接，所述轴向电磁轴承、上径向电磁轴承和下径向电磁轴承分别通过功率放大器与控制器的输出端连接，所述上位移传感器和下位移传感器均与控制器的输入端连接，所述控制器中集成控制算法。本专利技术所涉及的一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法的有益效果是：本专利技术涉及的一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，保证转子受强扰动而跌落碰撞时电磁轴承系统可自动调整并控制转子恢复悬浮位置。在电磁轴承转子控制系统中引入转子跌落灾变时转子位置恢复控制，确保转子受到强扰动位移过大而与辅助轴承碰撞时，减缓转子跌落事故的影响，极大确保电磁轴承转子系统的安全。能够保证立式电磁轴承系统安全、转子不易跌落、抗干扰能力强的转子跌落恢复控制方法。附图说明图1为电磁轴承跌落转子恢复控制方法流程图；图2为立式电磁轴承转子结构示意图；图3为电磁轴承转子控制系统结构图；图4为PID控制算法时序图；图5为电磁力计算模块原理图；图6为转子跌落碰撞模块原理图。图中：1为转子、2为轴向电磁轴承、3为上径向电磁轴承、4为下径向电磁轴承、5为上辅助轴承、6为下辅助轴承、7为电机、8为变频器、9为上位移传感器、10为下位移传感器、11为功率放大器、12为控制器。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤一、传感器实时将信号传输给控制器(12)；步骤二、控制器(12)将信号进行处理，并与上位机实时进行数据信息交流传输；步骤三、控制器(12)通过控制算法生成不同的控制信号并输出；步骤四、所述不同的控制信号分别经过功率放大器(11)生成电磁轴承中线圈所需的控制电流，所述控制电流传输至电磁轴承；所述电磁轴承包括轴向电磁轴承(2)、上径向电磁轴承(3)和下径向电磁轴承(4)；所述电磁轴承控制转子(1)五个方向的自由度；所述轴向电磁轴承(2)控制转子(1)轴向自由度，即Z方向的位移，转子(1)轴向旋转由电机(7)控制；所述X、Y、Z上径向电磁轴承(3)和下径向电磁轴承(4)控制转子(1)径向自由度，即X、Y方向平移与旋转；步骤五、所述电磁轴承根据不同的控制电流输出相对应的电磁力，进而控制转子(1)位置。

【技术特征摘要】
1.一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤一、传感器实时将信号传输给控制器(12)；步骤二、控制器(12)将信号进行处理，并与上位机实时进行数据信息交流传输；步骤三、控制器(12)通过控制算法生成不同的控制信号并输出；步骤四、所述不同的控制信号分别经过功率放大器(11)生成电磁轴承中线圈所需的控制电流，所述控制电流传输至电磁轴承；所述电磁轴承包括轴向电磁轴承(2)、上径向电磁轴承(3)和下径向电磁轴承(4)；所述电磁轴承控制转子(1)五个方向的自由度；所述轴向电磁轴承(2)控制转子(1)轴向自由度，即Z方向的位移，转子(1)轴向旋转由电机(7)控制；所述X、Y、Z上径向电磁轴承(3)和下径向电磁轴承(4)控制转子(1)径向自由度，即X、Y方向平移与旋转；步骤五、所述电磁轴承根据不同的控制电流输出相对应的电磁力，进而控制转子(1)位置。2.根据权利要求1所述的一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，在步骤一中，所述传感器包括电流传感器和转子位移传感器，且电流传感器和转子位移传感器实时将电磁轴承的线圈电流信号和转子(1)的位移信号传输给控制器(12)。3.根据权利要求2所述的一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，在步骤三中，所述控制器(12)根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子(1)位移信号求解悬浮力，计算电磁轴承的线圈电流指令，并比较电磁轴承的线圈电流指令与反馈线圈电流，通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量。4.根据权利要求3所述的一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，所述控制算法为PID控制算法，所述PID控制算法中，转子(1)采用刚体模型，电磁轴承为线性模型fm＝Ki*ic+ks*s，其中，fm为输入电流函数，Ki为电流刚度，ic为控制电流，ks为某一方向位移刚度，s为某一方向的位移。5.根据权利要求4所述的一种适用于立式电磁轴承转子跌落恢复的控制方法，其特征在于，所述PID控制算法包括电磁力计算模块、转子动力学分析计算模块和跌落碰摩计算模块，所述电磁力计算模块、跌落碰摩计算模块和转子动力学分析计算模块的计算方式分别为：1)电磁力计算模块基于公式：其中，Ks为位移刚度，Ki为电流刚度；xa、ya、xb、yb、z为位移传感器X、Y、Z方向的转子(1)径向与轴向位移信号，分别表示转子(1)上、下两传感器界面的转子(1)位移与转子(1)轴向位移，通过坐标变换矩阵，最终可表示为转子(1)五个方向的自由度；ixa、iya、ixb、iyb、iz分别表示对应转子(1)五个自由度的五路电磁轴承线圈控制电流信号，Fxa、Fya、Fxb、Fyb、Fz分别表示相对应的电磁力；2)转子动力学分析计算模块在竖直转子动力学计算模块中加入碰撞力...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇兰，车东光，杨其国，石玉文，董爱华，
申请(专利权)人：哈尔滨电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23