[发明专利]一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承

说明书

一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，包括转子系统，转子系统由转子系统控制电路控制，转子系统由转子系统控制电路控制，转子系统控制电路接收来自纹波提取电路位移估计的信号，对转子位置进行位移估计；通过控制PWM产生模块，再经过功率放大电路实时控制磁轴承的偏置电流线圈和动态电流线圈的电流，偏置电流线圈和动态电流线圈匝数相等均匀绕线在磁轴承本体上；本发明通过纹波电流斜率检测对转子位置进行直接估计达到自传感的目的，通过差动计算提取纹波信号，采用动态电流和偏置电流分离的双线圈结构形式，提高了纹波电流的信噪比和转子位置估计的精度；时序简单，估算精度高，运算量少，可显著降低系统的成本和复杂度。

技术领域

本发明涉及自传感电磁轴承技术领域，具体涉及一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承。

背景技术

电磁轴承具有无接触、零摩擦、不需润滑、低损耗、可控性强等特点，逐步在真空和洁净环境、空间系统、高速加工主轴、医疗设备、透平机械及超导悬浮等领域得到应用。一般来说，传统电磁轴承系统包含位移传感器，系统通过位移传感器实时检测转子的位置信息，控制器根据位置信息通过控制算法得到相应的控制量，控制信号输出到功率放大电路并驱动轴承线圈，实现了转子的稳定悬浮。由此可见，在传统电磁轴承系统中，为了实现转子各个自由度的稳定控制，必须安装多个独立的位移传感器进行转子各自由度位移的实时测量并进行位移反馈。多个位移传感器不仅增加了系统成本，设计电磁轴承系统时还必须考虑位移传感器的安装空间，既增加了系统复杂度，也在使用中带来了装配、维护、以及可靠性等各方面的问题。

自传感电磁轴承是当前电磁轴承技术领域一个很重要的研究方向，其技术特点是通过轴承本身的线圈结构和驱动方式来实时地辨识转子的位置信息，并不需要安装独立的位移传感器来测量转子位移。这是由于电磁轴承工作时转子与定子之间气隙大小的变化会造成线圈等效电感的改变，因此可以通过对线圈电流、电压的直接或间接测量来计算线圈的等效电感，进而估计转子的位置。实现电磁轴承自传感的方法有多种，主要有状态估计法和信号解调法，这两种方法鲁棒性较差且实现较为困难。应用如上方法，在国际上仅在涡轮分子泵和电梯导轨获得了小规模的商业应用。

随着数字信号处理器技术的发展和计算能力的飞速提高，可以通过纹波电流斜率检测对转子位置进行直接估计。在电磁轴承中，为了提高功率放大电路的效率，一般采用PWM调制的开关功率放大电路。由此类功率放大电路驱动的电磁轴承，虽然施加在线圈两端的电压是不连续的，只有两个或多个电平，但线圈电流是连续的，可以看作是一个连续的控制电流上叠加了一个高频的受PWM调制的纹波电流。由于纹波电流的斜率与线圈的电感有关，而PWM开关频率很高(一般在几千到几十千赫兹)，在一个PWM的开关周期内可以认为转子位移不发生变化，因此，可以通过检测纹波电流的斜率来估计转子的位移。为了保证电磁轴承的工作性能，一般纹波电流的幅值都很小，比控制电流分量至少小一个数量级以上。因此，存在纹波电流信号提取的测量精度低，信噪比差等问题，导致了纹波电流斜率估计的自传感方法实现困难。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，改进了纹波电流的提取方法，提高了位置估计精度，简化了线圈形式，使自传感电磁轴承可以更方便的实施。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种基于线圈纹波电流斜率估计的自传感电磁轴承，包括由转子5和磁轴承4构成的转子系统，转子系统由转子系统控制电路1控制，转子系统控制电路1接收来自纹波提取电路3位移估计的信号，对转子位置进行位移估计；通过控制PWM输出信号占空比，再经过功率放大电路2使其实时控制磁轴承4的偏置电流线圈4-1和动态电流线圈4-2的电流，当偏置电流线圈4-1为串联线圈时，动态电流线圈4-2为并联线圈；当偏置电流线圈4-1为并联线圈时，动态电流线圈4-2为串联线圈，纹波提取电路3接收来自并联线圈的电流信号，进行求差等运算电路提取出纹波电流信号；