技术领域
[0001] 本发明属于五自由度磁悬浮系统控制技术领域，具体涉及一种五自由度悬浮系统的轴向力主动控制策略。
相关背景技术
[0002] 随着时代的发展，电机已经广泛应用于工业应用、航空航天、家用电器等各领域。但是，随着日益增长的能源需求，电机的输出功率也逐渐增加，传统机械轴承将出现发热严重，机械磨损大等缺陷，无法应用在高速以及大功率场合。基于此，可将磁轴承技术与传统电机相结合，通过在电机转轴上增加两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，使得电机在原有旋转功能的基础上实现五自由度悬浮。
[0003] 然而，在进行五自由度悬浮控制时，转子的轴向运动将引起电机与径向磁轴承的定转子不再对齐，使得电机与径向磁轴承定转子间产生轴向被动磁拉力，影响轴向磁轴承的轴向控制，易造成转子的轴向振动。在此基础上，需要对电机与径向磁轴承的轴向被动磁拉力进行分析，并克服其轴向被动磁拉力，从而实现轴向力的独立控制，并消除转子的轴向振动。
具体实施方式
[0038] 为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039] 图1为本发明五自由度悬浮系统的结构示意图，包括电机1、第一径向磁轴承2、第二径向磁轴承3和轴向磁轴承4。其中，电机1放置在系统的中间，提供负载所需要的转矩，所述电机包括永磁同步电机、直流电机、感应电机、普通同步电机、磁阻电机等。第一径向磁轴承2和第二径向磁轴承3分别设置在电机1的左右两侧，用于提供转轴悬浮所需的径向力。轴向磁轴承4设置在第二径向磁轴承3的右侧，用于提供转轴轴向运动的轴向力。
[0040] 图2为本发明五自由度悬浮系统转轴发生轴向位移时的漏磁通路径。当转轴发生轴向运动时，电机1、第一径向磁轴承2和第二径向磁轴承3的转子铁芯与其定子发生轴向偏移，从而产生如图2所示的漏磁通ψl1、ψm1、ψl2，由于该漏磁通存在轴向分量，因而将产生部分轴向被动磁拉力。
[0041] 图3(a)为电机转子轴向运动时的轴向位移与轴向被动磁拉力的分布特性。图3(b)为径向磁轴承转子轴向运动时的轴向位移与轴向被动磁拉力的分布特性。当系统转子发生轴向偏移时，由于定子铁芯与永磁体轴向边缘的漏磁，导致所述电机和所述径向磁轴承将产生少量轴向被动磁拉力，而该部分轴向被动磁拉力的方向始终与转子运动方向相反。因此，若要实现转子的轴向主动控制，必须要将该部分被动磁拉力考虑在内。
[0042] 图4为本发明一种五自由度悬浮系统的轴向力主动控制策略的框图，首先，根据轴*向位移传感器实时采集的实际轴向位移z，并与给定位移z作差，作为轴向位移控制环的输*
入信号，输出为初始轴向力给定Fz；同时，根据转子的实际轴向位移z以及电机绕组电流iA、iB、iC，获得电机轴向被动磁拉力Fzm；根据转子的实际轴向位移z以及第一径向磁轴承绕组电流ix1、iy1，获得第一径向磁轴承轴向被动磁拉力Fz1；根据转子的实际轴向位移z以及第二径向磁轴承绕组电流ix2、iy2，获得第二径向磁轴承轴向被动磁拉力Fz2。接着，将电机轴向被动磁拉力Fzm、第一径向磁轴承轴向被动磁拉力Fz1与第二径向磁轴承轴向被动磁拉力Fz2进*
行求和，并与初始轴向力给定Fz作差，得到实际轴向控制力Fz。然后，将所述实际轴向控制*
力Fz转换为轴向磁轴承绕组给定控制电流iz ，与轴向磁轴承连线SZ中的实际电流iz作差后输入到电流控制环，输出为开关功放的占空比Dz，控制轴向磁轴承。
[0043] 更具体地，第一径向磁轴承轴向被动磁拉力Fz1及第二径向磁轴承轴向被动磁拉力Fz2的表达式分别为：
[0044]
[0045]
[0046] 其中，bA为径向磁轴承的定子弧长，NA为径向磁轴承绕组匝数，δ0为径向磁轴承定转子间平均气隙长度，If1为径向磁轴承永磁体等效电流，ix1、iy1分别为第一径向磁轴承的x方向绕组控制电流、y方向绕组控制电流，ix2、iy2分别为第二径向磁轴承的x方向绕组控制电流、y方向绕组控制电流，μ0为真空磁导率。
[0047] 更具体地，电机绕组电流iA、iB、iC表达式分别为：
[0048] iA＝Iscos(ωt)，
[0049]
[0050]
[0051] 其中，Is为三相电流幅值，ω为电流角频率。
[0052] 当转子发生轴向位移z时，电机轴向被动磁拉力Fzm表达式为：
[0053]
[0054] 其中，bs为电机的定子弧长，Ns为电机定子绕组匝数，δs为电机定转子间平均气隙长度，If2为电机永磁体等效电流，n为电机定子齿数。
[0055] 更具体地，实际轴向控制力Fz与轴向磁轴承绕组给定控制电流iz*之间的关系式为：
[0056]
[0057] 其中，A为轴向磁轴承磁极面积，Nz为轴向磁轴承绕组匝数，δz为轴向磁轴承定子与推力盘间的平均气隙长度，Ifz为轴向磁轴承永磁体等效电流。
[0058] 在一具体实施例中，轴向位移控制环采用PID控制。
[0059] 在一具体实施例中，电流控制环采用PI控制。
[0060] 虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
