[发明专利]检控转子固连式磁悬浮旋转关节在线动平衡系统及方法

权利要求书

1.一种检控转子固连式磁悬浮旋转关节在线动平衡系统，其特征在于，包括：转子系统单元、磁悬浮控制单元、整周期旋转控制单元、恒值电流提取单元和校正质量解算单元；

其中，磁悬浮控制单元控制转子系统单元中的转子悬浮并获取转子的绕组电流，整周期旋转控制单元控制转子系统单元中转子绕其几何轴稳定旋转；恒值电流提取单元在整周期旋转控制单元的控制下，从磁悬浮控制单元所获取的绕组电流中提取恒值电流成分，校正质量解算单元根据恒值电流成分解算平衡转子所需校正质量；

所述磁悬浮控制单元包含：位移传感器、磁轴承控制器以及功放；磁轴承控制器接收整周期旋转控制单元发送的起浮指令后开始工作，位移传感器检测磁悬浮转子的位置信号与参考位置做差，得到控制误差，送入磁轴承控制器中，磁轴承控制器计算得到的控制量送入功放进行功率放大，给转子系统单元中的磁轴承Au绕组、Av绕组、Bu绕组、Bv绕组提供电流；

转子系统单元的磁轴承A和磁轴承B产生电磁力施加于转子，使转子悬浮到参考位置；功放采集磁轴承Au绕组电流i_au、Av绕组电流i_av、Bu绕组电流i_bu、Bv绕组电流i_bv传送给恒值电流提取单元；

检控转子固连式磁悬浮旋转关节的位移传感器和磁轴承均在转子上，检测到的不平衡扰动是直流量，磁轴承施加的不平衡控制力也是直流量；

磁轴承控制器计算得到控制量，具体通过如下步骤实现：

(1)首先对控制误差进行积分处理得到积分控制量，用以消除静差；

(2)然后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；

(3)最后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；

(4)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控制器计算得到的控制量；

所述整周期旋转控制单元，首先给磁悬浮控制单元发送起浮指令；然后控制转子系统单元中转子以转速ω稳速旋转；待转速稳定后，给恒值电流提取单元发送动平衡计算起始指令，并在旋转t秒后发送动平衡计算结束指令；其中，t为转子旋转M圈整周期所需时间,t＝2πM/ω；

所述转子系统单元，包括转子、平衡盘A、磁轴承A、磁轴承B、平衡盘B，磁轴承A包括Au磁极、Au绕组、Av磁极以及Av绕组，磁轴承B包含Bu磁极、Bu绕组、Bv磁极以及Bv绕组；

其中，平衡盘A、磁轴承A、磁轴承B、平衡盘B之间的距离满足：

L＝L₁+L₂+L₃，其中，L为平衡盘A到平衡盘B之间的距离，L₁为平衡盘A到磁轴承A之间的距离，L₂为磁轴承A到磁轴承B之间的距离，L₃为磁轴承B到平衡盘B之间的距离；

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：转子几何中心轴为O，从O到Au磁极中心为转子固连坐标系Ou方向，从O到Av磁极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°；旋转转子使其达到特征角位置，即角位置传感器输出0角度值，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；

所述恒值电流提取单元，接收整周期旋转控制单元发送的动平衡计算起始指令，对功放采集的磁轴承Au绕组电流i_au、Av绕组电流i_av、Bu绕组电流i_bu、Bv绕组电流i_bv进行积分运算，积分计数器n从零开始累加；

接收整周期旋转控制单元发送的动平衡计算结束指令，积分计数器n计数到N，N＝t/T为积分时长，T为伺服周期时间，t为转子旋转M圈整周期时间，则绕组恒值电流在转子固连坐标系Ou、Ov方向上的分量，为：

所述校正质量解算单元，包括校正质量成分计算模块、校正质量计算模块和校正相角计算模块；校正质量成分计算模块根据恒值电流提取单元所得结果解算校正质量在转子固连坐标系Ou、Ov方向上的分量，结果为：

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；

校正质量计算模块根据校正质量成分计算模块所得的结果计算平衡盘A所需校正质量m_a,平衡盘B所需校正质量m_b为：

校正相角计算模块根据校正质量成分计算模块所得的结果解算平衡盘A所需校正质量的角位置平衡盘B所需校正质量的角位置为：

2.一种检控转子固连式磁悬浮旋转关节在线动平衡方法，其特征在于步骤如下：

磁悬浮控制单元控制转子悬浮；

整周期旋转控制单元控制转子绕其几何轴稳定旋转；

获取转子的绕组电流；

恒值电流提取单元从绕组电流中提取恒值电流成分；

根据恒值电流成分解算平衡转子所需校正质量；

所述磁悬浮控制单元包含：位移传感器、磁轴承控制器以及功放；磁轴承控制器接收整周期旋转控制单元发送的起浮指令后开始工作，位移传感器检测磁悬浮转子的位置信号与参考位置做差，得到控制误差，送入磁轴承控制器中，磁轴承控制器计算得到的控制量送入功放进行功率放大，给磁轴承Au绕组、Av绕组、Bu绕组、Bv绕组提供电流；

磁轴承A和磁轴承B产生电磁力施加于转子，使转子悬浮到参考位置；功放采集磁轴承Au绕组电流i_au、Av绕组电流i_av、Bu绕组电流i_bu、Bv绕组电流i_bv传送给恒值电流提取单元；

磁轴承控制器计算得到控制量，具体通过如下步骤实现：

(1)首先对控制误差进行积分处理得到积分控制量，用以消除静差；

(2)然后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；

(3)最后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；

(4)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控制器计算得到的控制量；

所述整周期旋转控制单元，首先给磁悬浮控制单元发送起浮指令；然后控制转子以转速ω稳速旋转；待转速稳定后，给恒值电流提取单元发送动平衡计算起始指令，并在旋转t秒后发送动平衡计算结束指令；其中，t为转子旋转M圈整周期所需时间,t＝2πM/ω；

转子系统单元，包括转子、平衡盘A、磁轴承A、磁轴承B、平衡盘B，磁轴承A包括Au磁极、Au绕组、Av磁极以及Av绕组，磁轴承B包含Bu磁极、Bu绕组、Bv磁极以及Bv绕组；

其中，平衡盘A、磁轴承A、磁轴承B、平衡盘B之间的距离满足：

L＝L₁+L₂+L₃，其中，L为平衡盘A到平衡盘B之间的距离，L₁为平衡盘A到磁轴承A之间的距离，L₂为磁轴承A到磁轴承B之间的距离，L₃为磁轴承B到平衡盘B之间的距离；

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：转子几何中心轴为O，从O到Au磁极中心为转子固连坐标系Ou方向，从O到Av磁极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°；旋转转子使其达到特征角位置，即角位置传感器输出0角度值，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；

所述恒值电流提取单元，接收整周期旋转控制单元发送的动平衡计算起始指令，对功放采集的磁轴承Au绕组电流i_au、Av绕组电流i_av、Bu绕组电流i_bu、Bv绕组电流i_bv进行积分运算，积分计数器n从零开始累加；

接收整周期旋转控制单元发送的动平衡计算结束指令，积分计数器n计数到N，N＝t/T为积分时长，T为伺服周期时间，t为转子旋转M圈整周期时间，则绕组恒值电流在转子固连坐标系Ou、Ov方向上的分量，为：

根据恒值电流成分解算平衡转子所需校正质量，具体为：

校正质量在转子固连坐标系Ou、Ov方向上的分量，结果为：

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；

平衡盘A所需校正质量m_a,平衡盘B所需校正质量m_b为：

平衡盘A所需校正质量的角位置平衡盘B所需校正质量的角位置为：