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技术方案

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，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。其中，磁悬浮转子系统单元悬浮不平衡转子，整圈旋转控制单元控制不平衡转子绕其几何轴稳定旋转。特征电流提取单元从磁悬浮转子系统单元所获取的绕组电流中提取特征电流。静平衡配重解算单元根据特征电流提取单元所得特性电流解算不平衡转子静平衡所需配重质量和配重角位置。质量和配重角位置。质量和配重角位置。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题是：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。
[0007]本专利技术的技术解决方案是：一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统，包括：
[0008]磁悬浮转子系统单元，用于悬浮不平衡转子；以及
[0009]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
[0010]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
[0011]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。
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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m
a
，所述平衡盘B放置配重质量m
b
，用以实现不平衡转子的静平衡配重。
[0016]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。
[0017]进一步地，磁轴承驱动控制器计算控制量，包括：
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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，m
a
为平衡盘A所需校正质量,m
b
为平衡盘B所需校正质量，m
au
为m
a
在转子固连坐标系Ou方向上的分量，m
av
为m
a
在转子固连坐标系Ov方向上的分量，m
bu
为m
b
在转子固连坐标系Ou方向上的分量，m
bv
为m
b
在转子固连坐标系Ov方向上的分量；r
a
、r
b
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m
a
到不平衡转子质心的轴向距离，L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁轴承磁力推算的磁悬浮转子静平衡系统，其特征在于，包括：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。2.根据权利要求1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，其特征在于，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；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m
a
，所述平衡盘B放置配重质量m
b
，用以实现不平衡转子的静平衡配重。3.根据权利要求2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，其特征在于，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。4.根据权利要求2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，其特征在于，磁轴承驱动控制器计算控制量，包括：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；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；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；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。5.根据权利要求2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，其特征在于，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。6.根据权利要求2所述的一种基于磁轴承磁力推...

【专利技术属性】
技术研发人员：王英广，张鹏波，樊亚洪，张激扬，武登云，张强，卿涛，冯洪伟，齐明，罗睿智，姚锐，胡跃伟，赵维珩，宿诺，梁柱林，赵志新，肖晓，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：