[发明专利]一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承控制系统及无位移传感器检测方法

说明书

本发明涉及了一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承控制系统及无位移传感器检测方法，控制系统包括双电平PWM开关功放，X+向磁轴承，X‑向磁轴承，数字控制器DSP，位移自检测电路；位移自检测电路，包括桥式检测电路，信号解调电路和滤波电路；本发明针对永磁偏置的磁轴承系统，去掉传统的物理传感器，通过检测线圈中点电压以及硬件解调来实现位移的检测，简化了磁轴承系统，提高了磁轴承系统的稳定性。

技术领域

本发明是一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，属于主动磁轴承的自传感领域，可以代替传统的物理位移传感器，应用于永磁偏置磁轴承的控制系统中。

背景技术

磁悬浮轴承与传统的机械轴承对比，具有高精度，长寿命，高转速以及高能量密度的优势，广泛应用于飞轮，力矩陀螺，鼓风机，压缩机，以及分子泵等旋转机械领域。磁轴承系统是开环不稳定的，为了实现磁轴承系统的稳定控制，必须建立一个位移检测系统来进行反馈。目前，国内多采用物理的位移传感器，由于物理位移传感器的存在，使磁悬浮轴承的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低、成本较高、可靠性变差，而且最主要是由于传感器不能装在磁轴承的中间，导致惯性转子的几何轴和检测轴不重合，从而影响磁轴承的控制精度。

磁轴承位移自检测方法(Self-sensing Magnetic Bearing)，也称为磁轴承自传感方法(Sensorless Magnetic Bearing)，就是舍弃传统物理位移传感器而通过检测磁轴承线圈两端的电压和电流信号来估测转子位置的方法。该方法能够从根本上解决位移传感器的检测轴与几何轴存在的偏差问题。由于不需要专门的位移传感器，转子轴向尺寸变小，可以提高转子的各阶模态转速，提高系统的动态性能；由于磁轴承线圈就是传感器，消除了传统磁悬浮系统中运动方程中相互耦合的问题，便于设计控制器。

现在国内外针对主动磁轴承位移自检测主要有两大类，一类是状态观测法，不过此类方法鲁棒性差，灵敏度低。另一类方法是信号解调法，此类方法的核心是注入一个含有位移信息的高频信号作为载波信号，这个高频的载波信号频率要远高于转子位移的变化频率，通过软件或者硬件的方法把转子的位移解算出来。针对线性功放，注入的信号一般是幅值较小的高频信号，而对于开关功放，采用线圈的电流纹波作为载波信号，而无需额外加入信号。这种信号解调方法在鲁棒性和灵敏度方面都要优于状态观测法，也是现在主动磁轴承位移自检测的研究热点。

对于航天以及绿色能源领域，能量消耗对于磁轴承系统来说至关重要，永磁偏置磁轴承依靠永磁体提供偏置磁场，所以相比与主动磁轴承在节能方面有着很大优势。而对于功放系统而言，开关功放在节能方面也要优于线性功放，所以在节能方面有着苛刻要求的航天以及绿色能源领域，采用开关功放的被动磁轴承是很好的选择，因此对开关功放的永磁偏置被动磁轴承位移自检测的研究有着重要的意义。

发明内容

本发明针对双电平开关功放的永磁偏置磁轴承，通过硬件电路设计了永磁偏置磁轴承的自传感检测系统，代替传统的物理位移传感器，实现永磁偏置磁轴承系统的无传感器检测。

一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，在一个自由度线圈串联的结构下，对上下线圈包含转子位移信息的中点电压进行硬件电路的解调处理，包括以下步骤：

(1)永磁偏置磁轴承的线圈连接：在同一自由度上，把永磁偏置磁轴承上下线圈进行串联连接，并且引出上下线圈的中点电压。

(2)位移解算核心公式推导：通过对永磁偏置磁轴承的磁路分析以及电磁感应定律推导出上下线圈电压差与转子位移的关系，这样利用一个自由度的中点电压进行解算就可以得到两个自由度的位移，不妨利用X向的中点电压进行解算。

(3)设计桥式检测电路：生成含有位移信息的被解调信号。

(4)解调控制信号生成：通过数字控制器生成两自由度相位正交的PWM，来保证在一个控制周期中X方向上下线圈电压差与转子位移关系式有两种不相关的检测状态。