CN111288082A - 一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，属于控制技术领域，包括电磁PD控制器与功率放大器、位移检测模块连接，上位移传感器，下位移传感器分别设置在单自由度磁液双悬浮轴承本体的上下两个支承腔中以测量上、下支承腔的位移；上、下位移传感器经过位移检测模块与设定的参考位置进行比较，得到电位移值，再经过电磁PD控制器的调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大器输出电磁铁线圈承受范围内的驱动电流，驱动单自由度磁液双悬浮轴承的控制线圈，实现闭环控制。本发明提供的一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统通过采用位移传感器提高了轴承系统转子位移的测量精度，测量方便，简单实用。
Description
技术领域
本发明属于控制技术领域，具体涉及一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统。
背景技术
单自由度磁液双悬浮轴承采用电磁力和静压支承力的双重支承，是一种新型的非机械接触的轴承，具有无摩擦、无磨损、承载能力强、运动精度高、使用寿命长等诸多优点；不仅如此，静压轴承的存在还克服了纯电磁轴承的刚度低的缺点以及作为电磁轴承的辅助轴承。但是由于PID控制器的积分I的作用，使得轴承转子在达到平衡状态时总是归于中心位置，从而导致轴承到达平衡时所需的时间较长，同时电磁轴承部分上下腔的电磁力总是相等的，进而导致电磁轴承无法承担外力，致使静压轴承只能采取恒压的供油方式。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，通过采用位移传感器提高了轴承系统转子位移的测量精度，测量方便，简单实用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，包括电磁PD控制器、功率放大器、位移检测模块，位移差转换模块、单自由度磁液双悬浮轴承本体，液压泵以及流量控制阀。
液压泵、流量控制阀、及单自由度磁液双悬浮轴承依次连接构成静压控制系统。
电磁PD控制器与功率放大器、单自由度磁液双悬浮轴承本体、位移检测模块、位移差转换模块依次连接构成闭环控制系统；
电磁PD控制器与功率放大器、位移检测模块连接，上位移传感器，下位移传感器分别设置在单自由度磁液双悬浮轴承本体的上下两个支承腔中以测量上、下支承腔的位移；上、下位移传感器经过位移检测模块与设定的参考位置进行比较，得到电位移值，再经过电磁PD控制器的调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大器输出电磁铁线圈承受范围内的驱动电流，驱动单自由度磁液双悬浮轴承的控制线圈，实现闭环控制。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述静压控制系统采用恒流量的供油方式，不设置外部控制器。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述单自由度磁液双悬浮轴承由电磁支撑轴承和静压轴承两部分构成。通过调整电磁PD控制器的参数，使得电磁轴承部分与静压轴承部分的刚度相等，即施加相同的外负载时，单独接入静压轴承和单独接入电磁轴承时，轴承转子所产生的位移是相等的。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述的PD控制器为电磁PD控制器，轴承转子在平衡时不会回归零位，而是静止在某一位置，轴承转子所产生的位移通过位移传感器来检测并反馈。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明提供的液体静压轴承和电磁轴承相结合的新型磁液双悬浮轴承，具有双重支承的效果，液体静压支承可以弥补电磁支承承载刚度小的缺点，而电磁支承可以弥补静压支承难以控制以及响应速度慢的问题。
本发明提供的针对轴承系统转子位移的变化，采用了位移式传感器来测量轴承转子发生位移时上下腔间隙的变化量，并输出模拟量反馈电压U1，在经过与初始点位值比较，电磁PD控制器以及功率放大器之后得到驱动电流。本技术方案可以提高单自由度磁液双悬浮轴承转子位移的测量精度，测量方便，简单易行。
本发明提供的采用PD控制方案，使得轴承不能通过控制调节回到初始位置，当轴承达到平衡位置时，电磁轴承上下腔的支承力不相等，电磁轴承承担一部分外力，从而使得静压系统可以使用更加简便的恒流量供油方式。
附图说明
图1是本发明提供的一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统结构示意图；
图2是本发明提供的一种单自由度磁液双悬浮轴承的simulink仿真框图；
图3是本发明提供的当外负载为300N时且单独作用静压力时，磁液双悬浮轴承系统的位移图像；
图4是本发明提供的单独作用电磁力时，磁液双悬浮轴承系统的位移图像；
图5是本发明提供的当电磁力与静压力同时接入系统中时，外力作用为 300N时，磁液双悬浮轴承系统的位移图像。
其中，1、PD控制器，2、功率放大器3、位移检测模块，4、位移差转换模块，5、单自由度磁液双悬浮轴承，6、液压泵，7、流量控制阀，8、上位移传感器，9、下位移传感器，10、电源。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，包括电磁PD控制器1、功率放大器2、位移检测模块3，位移差转换模块4、单自由度磁液双悬浮轴承本体5，液压泵6以及流量控制阀7。
液压泵6、流量控制阀7、及单自由度磁液双悬浮轴承4依次连接构成静压控制系统。
电磁PD控制器1与功率放大器2、单自由度磁液双悬浮轴承本体5、位移检测模块3、位移差转换模块4依次连接构成闭环控制系统；
电磁PD控制器1与功率放大器、位移检测模块3连接，上位移传感器8，下位移传感器9分别设置在单自由度磁液双悬浮轴承本体5的上下两个支承腔中以测量上、下支承腔的位移；上、下位移传感器8、9经过位移检测模块3 与设定的参考位置进行比较，得到电位移值，再经过电磁PD控制器1的调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大器2输出电磁铁线圈承受范围内的驱动电流，驱动单自由度磁液双悬浮轴承5的控制线圈，实现闭环控制。
在本发明提供的实施例中，所述静压控制系统采用恒流量的供油方式，不设置外部控制器。
根据静压支承力的计算公式F静压＝2qRAecosθ其中液阻
其中由于采用的是恒流量的供油方式，所以对公式进行线性化处理时仅剩余X一项变量，即：
F静压＝KxX
电磁力的计算公式为
对电磁力公式在i0＝0，x0＝0处进行泰勒展开，并忽略高阶无穷小量，得到电磁力的线性化表示方程
F电磁＝KxX+KiI
所以，磁液双悬浮轴承系统的动力学平衡方程为：
Ki——电磁支承力的电流系数
Kx电磁——电磁支承力的位移系数
其中
Kx静压——静压支承力的位移系数
f——外负载力
进一步地，所述单自由度磁液双悬浮轴承由电磁支撑轴承和静压轴承两部分构成。通过调整电磁PD控制器1的参数，使得电磁轴承部分与静压轴承部分的刚度相等，即施加相同的外负载时，单独接入静压轴承和单独接入电磁轴承时，轴承转子所产生的位移是相等的。
进一步地，所述的PD控制器为电磁PD控制器1，轴承转子在平衡时不会回归零位，而是静止在某一位置，轴承转子所产生的位移通过位移传感器8、9 来检测并反馈。
具体的，在本发明提供的实施例中，本发明公开的一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，提供了一个由电磁PD控制器1与功率放大器2、单自由度磁液双悬浮轴承5本体、位移差转换模块4组成，电磁PD控制器1与功率放大器2、单自由度磁液双悬浮轴承5本体、位移差转换模块4依次连接构成闭环控制系统；功率放大器2设有上部功率放大模块、下部功率放大模块，电磁PD 控制器1与功率放大器2、位移差转换模块4电连接，位移差转换模块4与位移检测模块3电连接，位移检测模块3由上位移检测模块、下位移检测模块组成，上位移检测模块与下位移检测模块分别设置在单自由度磁液双悬浮轴承5 本体的上、下两个支承腔中以测量轴承转子在外力作用下所产生的位移；位移检测模块3输出轴承转子的偏移值，经过位移差转换模块4，输出模拟量反馈电压与参考位置设定的电压进行比较，得到电位移值，再经过电磁PD控制器1 调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大器2输出电磁线圈承载范围内的驱动电流，驱动单自由度磁液双悬浮轴承5的控制线圈，实现闭环控制。系统中的静压轴承部分采用恒流量供油的方式，不单独做控制调节，静压部分仅仅提供阻尼项。
基于等刚度电磁PD控制器的单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统通过调整电磁支承部分的电磁PD控制器的比例参数P和微分参数D，使得当系统单独接入电磁支承部分与单独接入静压支承部分时的刚度相一致，即当磁液双悬浮轴承受到相同外力作用时，单独接入电磁与单独接入静压所产生的位移是一致的。
系统中磁液双悬浮轴承本体的转子的偏移量通过位移传感器进行测量，通过将位移传感器检测到的转子的位移与起始位置时转子的位置作比较，得到一个位移差，最后经过电磁PD控制器与功率放大器得到控制电流控制磁液双悬浮轴承中电磁铁线圈的驱动电流。
基于等刚度电磁PD控制器1的单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统的控制方法，包含以下步骤：
(1)初始状态下，无外力干扰作用下，此时可以认为上下两个支承腔的液膜间隙相等，单自由度磁液双悬浮轴承5的转子处于中间位置，此时位移检测模块3输出的模拟量反馈电压U1与参考位置设定的电压U相同，因此电磁PD 控制器1的输出控制电压UC为0V，经过功率放大器2输入到轴承转子电磁线圈的驱动电流IC为0A，线圈中的电流等于初始电流I0。
(2)当系统不接入位移检测模块3，并且线圈的初始电流I0为0A时，即系统中只接入静压支承部分，在单自由度磁液双悬浮轴承5转子上施加一外力，记录转子的位移。
(3)当接入位移检测模块3，并且线圈的初始电流I0≠0，静压系统不供油时，即系统中只有电磁部分工作时，在单自由度磁液双悬浮轴承5的转子上施加与之前相同的一外力，通过调整电磁PD控制器1的比例参数P和微分参数 D与功率放大器2的参数，使得在该外力作用下轴承转子的位移与之前只接入静压时所产生的位移相等。
(4)当单自由度磁液双悬浮轴承5的转子同时接入电磁支承和静压支承时，外负载作用在轴承转子上时，转子偏离基准位置，上下两个支承腔的间隙发生变化，即X1≠X2。此时，因为支承腔的液膜间隙发生变化，位移检测模块3输出模拟量反馈电压U1与参考位置设定的电压U之间存在偏差，得到电位移值△ U，经过电磁PD控制器1的调节，输出控制电压Uc。最后，经过功率放大器2 输出电磁线圈承受范围内的驱动电流，使得上下两个线圈中的电流I1，I2发生改变，上下磁极的电磁悬浮支承力分别为F电1、F电2，电磁合力为F电合＝F电1-F电2；由于轴承转子的偏移会导致油膜厚度发生改变，伴随着上下静压支承腔液阻与压力发生变化，上下静压支承腔支承力发生变化分别为F液1、 F液2，静压支承合力F液合＝F液2-F液1，从而使得产生电磁合力与静压支承合力共同平衡外负载F，通过电磁PD控制器1输出相应的控制电压Uc，通过功率放大器2转化为改变电磁力所需的驱动电流，使上下腔的电磁支承力发生变化，进而使转子达到新的平衡位置。
经过simulink的仿真，验证该实施例可行。图2为依据该思路进行的仿真框图。
当外负载为300N时且单独作用静压力时，磁液双悬浮轴承系统的位移图像如图3所示，通过计算可以得出，在磁液双悬浮轴承系统中只加入电磁时，系统的刚度为
通过调定PID控制器的参数，调整电磁系统的刚度，使得当外负载为300N 时位移与单独作用静压力时相同。单独作用电磁力时，磁液双悬浮轴承系统的位移图像如图4所示，通过计算，可以得出磁液双悬浮轴承系统中只加入静压力时，系统的刚度是
调定完成之后，不再变动系统的参数，当电磁力与静压力同时接入系统中时，外力作用为300N时，系统的位移如图5所示，此时，系统的刚度为：
由于采用了上述方法，本发明取得的技术进步是：
1、本发明采用液体静压轴承和电磁轴承相结合的新型单自由度磁液双悬浮轴承5，具有双重支承的效果，液体静压支承可以弥补电磁支承承载力小的缺点，而电磁支承可以弥补静压支承难以控制的问题，不仅如此，静压轴承还可以作为电磁轴承的辅助轴承，液压油的存在有利于轴承转子的润滑和电磁线圈的散热。
2、本发明针对支承腔的压力变化，采用了位移传感器8、9来测量轴承转子与上下两个支撑腔的距离的变化ΔX，并输出模拟量反馈电压U1，可以提高单自由度磁液双悬浮轴承5转子位移的检测精度，测量方便，简单易行。
3、采用PD控制方案，使得轴承不能通过控制调节回到初始位置，当轴承达到平衡位置时，电磁轴承上下腔的支承力不相等，电磁轴承承担一部分外力，从而使得静压系统可以使用更加简便的恒流量供油方式。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，其特征在于：包括电磁PD控制器（1）、功率放大器（2）、位移检测模块（3），位移差转换模块（4）、单自由度磁液双悬浮轴承本体（5），液压泵（6）以及流量控制阀（7）；
液压泵（6）、流量控制阀（7）、及单自由度磁液双悬浮轴承（4）依次连接构成静压控制系统；
电磁PD控制器（1）与功率放大器（2）、单自由度磁液双悬浮轴承本体（5）、位移检测模块（3）、位移差转换模块（4）依次连接构成闭环控制系统；
电磁PD控制器（1）与功率放大器（2）、位移检测模块（3）连接，上位移传感器（8），下位移传感器（9）分别设置在单自由度磁液双悬浮轴承本体（5）的上下两个支承腔中以测量上、下支承腔的位移；上位移传感器（8）和下位移传感器（9）经过位移检测模块（3）与设定的参考位置进行比较，得到电位移值，再经过电磁PD控制器（1）的调节，输出控制电压，最后，控制电压经过功率放大器（2）输出电磁铁线圈承受范围内的驱动电流，驱动单自由度磁液双悬浮轴承（5）的控制线圈，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，其特征在于：所述静压控制系统采用恒流量的供油方式，不设置外部控制器。
3.根据权利要求1所述的一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，其特征在于：所述单自由度磁液双悬浮轴承由电磁支撑轴承和静压轴承两部分构成；通过调整电磁PD控制器（1）的参数，使得电磁轴承部分与静压轴承部分的刚度相等，即施加相同的外负载时，单独接入静压轴承和单独接入电磁轴承时，轴承转子所产生的位移是相等的。
4.根据权利要求3所述的一种单自由度磁液双悬浮轴承的控制系统，其特征在于：所述的PD控制器为电磁PD控制器（1），轴承转子在平衡时不会回归零位，而是静止在某一位置，轴承转子所产生的位移通过上位移传感器（8）上和、下位移传感器（8、9）来检测并反馈。
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