用于主動磁軸承的數(shù)字非線性校正器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在具有主動磁軸承(active magnetic bearing)的伺服電路中實(shí)現(xiàn)的校正器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)上，具備至少一個電磁線圈的主動磁軸承的控制回路(PMA)包括轉(zhuǎn)子組件的位置的檢測器、校正網(wǎng)絡(luò)和用于向電磁線圈供應(yīng)功率的功率放大器。校正網(wǎng)絡(luò)的輸出信號驅(qū)動電磁線圈，所需的電流由各個被與PMA中的氣隙磁通量的變化成比例的電流循環(huán)的功率放大器供應(yīng)。
[0003]PMA使用具有成比例、積分和微分(PID)轉(zhuǎn)移函數(shù)(transfer funct1n)的校正網(wǎng)絡(luò)。定義該功能以獲得接近伺服電路的自然(本征)頻率的最佳操作，也就是說，具有高增益、高剛度(stiffness)和低響應(yīng)時(shí)間。
[0004]因此，定義該網(wǎng)絡(luò)使得首先其在自然頻率處出現(xiàn)確定的超前(lead)相位以使系統(tǒng)減幅(damp)，并且其次校正網(wǎng)絡(luò)的積分作用(integral act1n)的截止頻率盡可能地接近自然頻率以獲得高剛度。
[0005]這種校正是令人滿意的，只要可以由在伺服電路的自然頻率處可移動塊(movablemass)的振蕩的最大幅度定義的PMA中的振蕩的幅度維持在線性范圍中。
[0006]伺服電路的自然頻率和剛度越高，該線性范圍越減少。該限制首先是由于取決于PMA的軸承表面和電磁材料的飽和電磁感應(yīng)的電磁鐵的最大力，以及其次是由于基于電源電壓和最大電流輸出的功率放大器的最大功率。
[0007]在線性范圍之外，例如在存在由大于磁軸承的負(fù)載能力的干擾力引起的大幅度振蕩時(shí)，電磁鐵的力或放大器的功率的飽和使得伺服電路的增益和自然頻率減小，以及具有減少或消除由校正網(wǎng)絡(luò)的微分作用提供的相位提前的效應(yīng)的相位滯后。這導(dǎo)致不穩(wěn)定性，其結(jié)果對PMA是尤其有害的(該效應(yīng)被稱為“手提鉆(jackhammer)”)。
[0008]用于彌補(bǔ)該不穩(wěn)定性的已知解決方案被FR2706549公開，并且包括提供僅在其線性范圍之外的操作期間調(diào)整作為振蕩的幅度的函數(shù)的成比例的增益并且提供互補(bǔ)相位提前的校正網(wǎng)絡(luò)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述缺點(diǎn)并且提出一種減少伺服電路的剛度和自然頻率并且放大相位提前的數(shù)字非線性校正器。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，提供一種主動磁軸承的數(shù)字非線性校正器，其接收輸入信號x(t)并且輸出用于控制所述主動磁軸承的位置的輸出控制信號u (t)，輸入信號由ADC電路數(shù)字化并且提供給加法器，其特征在于，該數(shù)字非線性校正器包括閉環(huán)控制回路(closed controlloop)，該閉環(huán)控制回路傳遞中間數(shù)字序列y [kT]并且具有包括第一成比例增益電路的直接支路以及包括低通濾波器和死區(qū)電路的串聯(lián)連接的反饋支路，使得當(dāng)達(dá)到所述輸出控制信號的確定的上限值和下限值時(shí)，激活(activate)所述低通濾波器，當(dāng)沒有達(dá)到這些確定的上限值和下限值時(shí)，輸出控制信號再現(xiàn)輸入信號。
[0011]利用該配置，在線性范圍內(nèi)，輸出等于輸入，并且在線性范圍外，閉環(huán)回路轉(zhuǎn)移函數(shù)對應(yīng)于相位超前轉(zhuǎn)移函數(shù)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述加法器的輸出提供從其傳遞控制所述主動磁軸承的位置的所述輸出控制信號的最終數(shù)字序列u[kT]。
[0013]優(yōu)選地，所述低通濾波器具有確定的截止頻率，以創(chuàng)建足夠的相位超前，從而避免主動磁軸承的不穩(wěn)定性。
[0014]有利地，所述死區(qū)電路的輸入i [kT]和輸出ο [kT]序列驗(yàn)證下列條件:
[0015]對于module (i [kT])〈 Δ/2 = >o [kT] = O
[0016]對于i[kT]彡 Δ/2 = >o[kT] = i[kT]-A/2
[0017]對于i [kT]彡-Δ /2 = >o [kT] = i [kT] + Δ /2
[0018]其中Λ是與所述主動磁軸承的氣隙的百分比(通常在30到50%的范圍內(nèi))對應(yīng)的確定的閾值。
【附圖說明】
[0019]參考示出本發(fā)明的實(shí)施例的附圖，將更好地理解本發(fā)明，并且在下列描述中本發(fā)明的進(jìn)一步細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，并且其中:
[0020]-圖1示出根據(jù)本發(fā)明的主動磁軸承的數(shù)字非線性校正器的實(shí)施例，以及
[0021]-圖2示出圖1的數(shù)字非線性校正器的重要信號。
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)經(jīng)受大幅度振蕩時(shí)用于向PMA提供吸收動作的數(shù)字非線性校正器的優(yōu)選實(shí)施例。
[0023]該數(shù)字非線性校正器被引入位置控制回路(未示出)中。PMA的測量的位置(圖2的曲線30)x(t)在由時(shí)段T的同步時(shí)鐘14定義的采樣時(shí)刻k(已知采樣頻率根據(jù)PMA的帶寬選擇)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC 12)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式X [kT]。由ADC12傳遞的第一數(shù)字序列在加法器16中與由接收死區(qū)電路20的輸出的低通濾波器18在校正器的反饋支路中傳遞的第二數(shù)字序列相加，死區(qū)電路20的輸入由加法器16通過校正器的直接支路中的增益因數(shù)K的第一成比例增益電路22提供的中間數(shù)字序列y[kT]供應(yīng)。加法器16的輸出生成具有有利的成比例、積分和微分(PID)轉(zhuǎn)移函數(shù)并且生成用于PMA的位置的控制的信號u(t)的控制器24的最終數(shù)字序列u[kT](圖2的曲線32) ο
[0024]低通濾波器18具有確定的截止頻率，以便創(chuàng)建足夠的相位超前以避免PMA的不穩(wěn)定性。
[0025]死區(qū)電路20的輸入i [kT]和輸出ο [kT]序列必須驗(yàn)證下列條件:
[0026]對于module (i [kT])〈 Δ/2 = >o [kT] = O
[0027]對于i[kT]彡 Δ/2 = >o[kT] = i[kT]-A/2
[0028]對于i [kT]彡-Δ /2 = >o [kT] = i [kT] + Δ /2
[0029]其中Λ是與氣隙的百分比(通常在轉(zhuǎn)子的最大位置的30到50%的范圍內(nèi))對應(yīng)的確定的閾值。
[0030]數(shù)字非線性校正器例如運(yùn)行在由美國公司德州儀器(US Company TexasInstruments)供應(yīng)的型號F2812的數(shù)字信號處理器(DSP)上。
[0031]磁軸承壓縮器中根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字非線性校正器的實(shí)現(xiàn)方式可以更好地評定這種校正器的實(shí)際利益。考慮下列數(shù)值:
[0032]對于給定的K和低通濾波器的給定的固定時(shí)間，由可以通過閉環(huán)回路轉(zhuǎn)移函數(shù)容易地計(jì)算的所描述的非線性閉環(huán)回路控制引入的相位超前通過下列等式給出:
[0033]U (P) /Y (P) = (K/ (1+K)) X (l+aTlP) / (l+TlP)
[0034]其中A = l+Κ 并且 T1= (1/(1+K)) XT
[0035]然后死區(qū)函數(shù)的上限和下限被固定為最大氣隙的百分比(通常30到50%中)乘以系數(shù)K。
[0036]Δ/2 = 0.5XK
[0037]-Δ/2 = -0.5XK
[0038]假設(shè)磁軸承的間隙比線性范圍的程度大得多，比該間隙高的任何振蕩幅度導(dǎo)致放大器過載，并且由于伺服電路的增益和自然頻率兩者的減小對應(yīng)地造成PMA的不穩(wěn)定性。通過校正器的反饋支路中的低通濾波器和死區(qū)電路的串聯(lián)連接的本發(fā)明的簡單的解決方案引入伺服電路的穩(wěn)定性所需的相位超前。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種主動磁軸承的數(shù)字非線性校正器(10)，其接收輸入信號x(t)并且輸出用于控制所述主動磁軸承的位置的輸出控制信號u(t)，輸入信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路(12)數(shù)字化并且提供給加法器(16)，其特征在于，該數(shù)字非線性校正器包括閉環(huán)控制回路，該閉環(huán)控制回路傳遞中間數(shù)字序列y[kT]并且具有包括第一成比例增益電路(22)的直接支路以及包括低通濾波器(18)和死區(qū)電路(20)的串聯(lián)連接的反饋支路，使得當(dāng)達(dá)到所述輸出控制信號的確定的上限值和下限值時(shí)，激活所述低通濾波器，當(dāng)沒有達(dá)到這些確定的上限值和下限值時(shí)，輸出控制信號再現(xiàn)輸入信號。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字非線性校正器，其特征在于，所述加法器的輸出提供從其傳遞控制所述主動磁軸承的位置的所述輸出控制信號的最終數(shù)字序列u[kT]。
3.如權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字非線性校正器，其特征在于，所述低通濾波器具有確定的截止頻率，以創(chuàng)建足夠的相位超前，從而避免主動磁軸承的不穩(wěn)定性。
4.如權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字非線性校正器，其特征在于，所述死區(qū)電路的輸入i[kT]和輸出o[kT]序列驗(yàn)證下列條件:對于 module (i [kT])〈 Δ /2 = >o [kT] = 0 對于 i[kT]彡 Δ/2 = >o[kT] = i[kT]-A/2 對于 i[kT]彡- Δ/2 = >o[kT] = i[kT] + A/2 其中△是與所述主動磁軸承的氣隙的百分比對應(yīng)的確定的閾值。
5.如權(quán)利要求4所述的數(shù)字非線性校正器，其特征在于，所述氣隙的百分比在30到50%的范圍內(nèi)。
【專利摘要】一種主動磁軸承的數(shù)字非線性校正器(10)，其接收輸入信號x(t)并且輸出用于控制所述主動磁軸承的位置的輸出控制信號u(t)，輸入信號由ADC電路(12)數(shù)字化并且提供給加法器(16)，該數(shù)字非線性校正器包括閉環(huán)控制回路，該閉環(huán)控制回路傳遞中間數(shù)字序列y[kT]并且具有包括第一成比例增益電路(22)的直接支路以及包括低通濾波器(18)和死區(qū)電路(20)的串聯(lián)連接的反饋支路，使得當(dāng)達(dá)到所述輸出控制信號的確定的上限值和下限值時(shí)，激活所述低通濾波器，當(dāng)沒有達(dá)到這些確定的上限值和下限值時(shí)，輸出控制信號再現(xiàn)輸入信號。
【IPC分類】F16C32-04
【公開號】CN104712654
【申請?zhí)枴緾N201410787942
【發(fā)明人】L.薩迪-哈達(dá)德, J.達(dá)西爾瓦, O.勒馬錢德
【申請人】Skf磁性機(jī)械技術(shù)公司
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2014年12月17日
【公告號】CA2874292A1, EP2886889A1, US20150167733