[发明专利]基于力控制的磁悬浮系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体涉及一种基于力控制的磁悬浮系统及其控制方法。

背景技术

目前，在磁悬浮控制系统中主要通过控制转子偏离其平衡位置的位移量，实现转子无接触状态下的稳定悬浮，这种控制系统称之为基于位移控制的磁悬浮系统。它的主要原理是通过传感器检测出转子偏离参考点的位移后，控制器将检测到的位移量变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行电磁铁中产生磁力从而驱动转子返回到原来的平衡位置，维持其稳定悬浮位置不变。

目前基于位移控制的磁悬浮系统在各类高速旋转机械中得到越来越广泛的应用。它具有无直接接触摩擦、无需润滑和密封以及可以主动控制等优点，由于没有机械摩擦和磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了轴承的使用寿命；动力损耗小，更适用于高速运转场合；由于不需要润滑系统，所以无污染，可应用于真空超净，腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊工作环境。

然而，随着精密转子朝着高速度、高精度、自动化和智能化的方向发展，传统基于位移控制的磁悬浮系统的性能已经不能满足高速精密转子的需求，基于位移控制的磁悬浮系统本质是不稳定系统，必须采取控制措施保证系统稳定，控制系统设计难度大。同时，基于位移控制的磁悬浮系统还有如下缺点：

第一，基于位移控制的磁悬浮系统在发生掉电时，转子的突然坠落对转子和磁力轴承产生很大的冲击，对转子和磁力轴承造成很大的破坏性，很可能给磁悬浮系统带来致命的伤害。为了避免对磁悬浮系统造成伤害，必须提供附加保护轴承和掉电保护装置。

第二，基于位移控制的磁悬浮系统的位移传感器不能直接安装在磁力轴承位置上，因而不能直接测得磁力轴承处的位移，这不仅导致各传感器信号之间的相互耦合，同时，造成机械结构和控制系统的复杂。

第三，基于位移控制的磁悬浮系统的位移传感器测量精度受制于轴加工表面的精度和轴的挠度。

第四，基于位移控制的磁悬浮系统的磁力轴承的承载能力达不到高速转子所需要求，承载力仅由磁力轴承提供，并且高刚度磁力轴承难于实现。

第五，基于位移控制的磁悬浮系统在磁悬浮转子稳定悬浮之前，物体上下浮动很不稳定，需要较大的悬浮力用来克服重力或者提供起浮力，进而需要给电磁铁通以较大的电流，才能逐渐实现转子的稳定悬浮，同时对控制系统要求较高。

由于基于位移控制的磁悬浮系统具有上述缺点，这在很大程度上限制了高速精密转子的发展，因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

为了克服以上技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供了一种基于力控制的磁悬浮系统及其控制方法，其能够有效解决现有磁悬浮控制系统中的性能与设计上的不足之处。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于力控制的磁悬浮系统，包括机械装置和控制系统，其特征在于：所述机械装置包括转子、电磁力发生装置和测力轴承，所述控制系统包括电压放大器、控制器和功率放大器；所述转子的两端设置有测力轴承，所述电磁力发生装置设置在转子两端的测力轴承之间；所述电压放大器的输入端与测力轴承连接，输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与电磁力发生装置连接；其中，所述测力轴承用于检测转子作用在测力轴承上力的大小和方向，并将将检测到的力信号发送给电压放大器，所述电压放大器将接收到的力信号进行放大变换为电压信号后发送给控制器，所述控制器将电压信号转换成控制信号后发送给功率放大器，所述功率放大器将控制信号转换成控制电流信号并发送给电磁力发生装置，所述电磁力发生装置产生作用在转子上的磁控制力，所述作用在转子上的磁控制力与转子作用在测力轴承上的力方向相反、大小相等。

进一步地，所述电磁力发生装置包括电机和两个径向磁力轴承，所述电机通过联轴器与转子一端连接，所述两个径向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间且分别与之对应。

进一步地，所述电磁力发生装置包括准悬浮电机，所述准悬浮电机设置在转子中部。

进一步地，所述电磁力发生装置包括电机、两个径向磁力轴承和轴向磁力轴承，所述电机通过联轴器与转子一端连接，所述两个径向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间且分别与之对应，所述轴向磁力轴承对应设置在两个径向磁力轴承之间。

进一步地，所述电磁力发生装置包括准悬浮电机和轴向磁力轴承，所述准悬浮电机和轴向磁力轴承设置在转子两端的两个测力轴承之间，且所述轴向磁力轴承位于准悬浮电机的一侧。