一种抑制磁力轴承系统低频振荡的控制方法及系统技术领域
本发明涉及轴承系统的控制技术领域，尤其涉及一种抑制磁力轴
承系统低频振荡的控制方法及系统。
背景技术
磁力轴承系统是一种无摩擦、不需润滑的轴承系统，适用于某些
具有特殊需求的旋转机械，目前磁力轴承的应用已日益广泛。磁力轴
承系统工作时，转子受电磁力作用而保持在悬浮状态，与定子组件无
接触。磁力轴承本身是不稳定的，因此需要实时地根据转子的位置调
节电磁力，才能保证转子稳定地悬浮在工作位置。磁力轴承的电磁力
的调节是通过调节轴承电流实现的。
控制理论指出，将一定频率的正弦信号输入到一个线性系统中，
输出仍是正弦信号，频率与输入信号相同，但幅度与相位与输入信号
不同。输出信号幅度与输入信号幅度之比称为系统的放大倍数，输出
信号相位与输入信号相位之差称为系统相移。系统的放大倍数和相移
与输入信号频率有关。一个负反馈控制系统中的从输入量到反馈量的
所有环节组成的系统称为开环系统。如果对于某特定频率的信号，开
环系统的输出信号相位比输入信号延迟180°，且放大倍数大于1，则
系统对于该频率的信号实质上是正反馈的，系统将不稳定，并以与该
频率接近的频率振荡发散。当系统存在非线性环节时，则可能以与该
频率接近的频率持续振荡。
磁力轴承控制器通过传感器检测到的转子位移，实时地调节磁力
轴承的电磁力，以实现转子的稳定悬浮。受到结构限制，位移传感器
通常无法与磁力轴承布置在同一位置，二者沿转子轴向有一定的距离。
在这种情况下，转子的某个弯曲模态的节点有可能正好位于传感器与
轴承之间，也就是说，在这个弯曲模态下，传感器测量到的位移与轴
承处的实际位移方向相反。此时，整个磁力轴承系统在该固有频率附
近形成了正反馈，可能出现与该模态固有频率接近的振荡。此外，大
型磁力轴承系统的传感器引出线和磁力轴承动力线通常较长，当电磁
兼容设计不合理时可能馈入某些特定频率的干扰信号，也可能引发系
统振荡。上述振荡源一般难以从根源上进行抑制，因此需要在控制算
法中需要对这些振荡源引发的振荡加以抑制。
发明内容
（一）技术问题
本发明解决了现有技术中磁力轴承系统中由系统相移、传感器噪声、
转子弯曲模态、系统非线性等引起的低频振动。
（二）技术方案
本发明提供一种磁力轴承控制系统，其包括有转子，还包括：
转子位置监测单元，用于记录转子位置振荡波形，并根据所述振荡
波形计算振荡频率fO；
参数计算单元，用于设定采样周期TS，相位补偿频带半频宽fB，根
据系统振荡频率fO、采样周期TS以及相位补偿频带半频宽fB计算低频
振荡抑制单元参数；
位移传感器单元，用于采集转子的位移值；
低频振荡抑制单元，用于根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数
计算经过低频抑制后的信号；
转子位置控制单元，用于根据所述经过低频抑制后的信号计算磁力
轴承所需的电流值；
转子悬浮单元，用于根据所述电流值悬浮所述转子。
可选的，该系统还包括振荡判断单元，用于判断磁力轴承是否发生
振荡。
可选的，在发生振荡的情况下，启动所述转子位置检测单元和低频
振荡抑制单元。
本发明还提供一种磁力轴承控制方法，其包括如下步骤：
S1.记录转子位置振荡波形，并根据所述振荡波形计算振荡频率
fO；
S2.设定采样周期TS，相位补偿频带半频宽fB，根据系统振荡频率
fO、采样周期TS以及相位补偿频带半频宽fB计算低频振荡抑制单元参
数；
S3.采集转子的位移值；
S4.根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数计算经过低频抑制后
的信号；
S5.根据所述经过低频抑制后的信号计算磁力轴承所需的电流值；
S6.根据所述电流值悬浮所述转子。
可选的，在步骤S6之后还包括步骤：
S7.判断磁力轴承是否发生低频振荡，如果是，则返回步骤S2，如
此循环，直至系统不发生低频振荡为止。
可选的，在所述步骤S2中，低频振荡抑制单元参数包括a0，a2，a3，
b1，b2，b3，其中，
a 0 = 4 + 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 2 2 , ]]> a 2 = ( - 8 + 2 T S 2 f O 2 + 8 π 2 T S 2 f 2 2 ) / a 0 , ]]>
a 3 = ( 4 - 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 2 2 ) / a 0 , ]]> b 1 = ( 4 + 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]>
b 2 = ( - 8 + 2 T S 2 f O 2 + 8 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]> b 3 = ( 4 - 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]>
f1＝fO-fB，f2＝fO+fB。
可选的，所述步骤S4进一步包括：
S41.初始化迭代步数k=0，信号缓存xB(1)＝xB(2)=0，输出缓存
uB(1)=uB(2)=0；
S42.令k=k+1；
S43.采集转子位移x(k)；
S44.计算经过低频抑制后的信号：
xR(k)=b1x(k)+b2uB(1)+b3uB(2)-a2xB(1)-a3xB(2)
可选的，所述步骤S7包括：
S71.按照下式进行缓存移位：
uB(2)=uB(1),uB(1)=x(k)
xB(2)=xB(1),xB(1)=xR(k)
S72.返回步骤（2）。
可选的，在步骤S1之前还包括：
S0.判断磁力轴承是否发生振荡，在发生振荡的情况下执行所述步
骤S1。
（三）技术效果
本发明通过对控制器进行相位补偿，消除了磁力轴承中的可能存
在的低频振荡。本发明的技术方案实现简单，效果良好，尤其适合于
解决难以从根源上消除的低频振荡问题。
附图说明
图1表示本发明所述磁力轴承控制方法的流程图；
图2表示本发明所述磁力轴承控制系统的结构图。
具体实施方式
对于系统中存在的振荡，可以从两方面抑制：其一为减小放大倍数，
其二为减小系统相移。前者比较直接，实现简单。但对于低频振荡，
由于振荡频率出现在系统正常工作频段内，则可能对系统性能带来很
大影响，甚至使系统不能工作。因此本发明采用减小系统相移的方法
抑制低频振荡，其基本原理是在控制算法中加入相位补偿，减小对特
定频率的信号的相移，从而抑制系统特定频率的振荡。本发明通过控
制算法抑制磁力轴承系统中的低频振荡，所述低频振荡指频率小于磁
力轴承系统最大工作转速所对应频率的系统振荡现象。
实施例1：
本发明还提供一种磁力轴承系统，其包括机架、转子、原动机及其
驱动器、磁力轴承、转子位移传感器、功率放大器、监测计算机、控
制计算机，转子位移传感器设置在所述机架上，转子位移传感器的输
出端电连接所述到控制计算机上，同时也连接到监测计算机上，控制
计算机的指令输出电连接到功率放大器上，磁力轴承设置在所述机架
上，磁力轴承的输入端电连接到功率放大器上，转子与原动机固联或
通过联轴器机械连接，除与原动机连接外，在工作状态下转子与系统
内其他部件无机械接触，保持一定间隙，控制计算机内预设置有一转
子位置控制单元和一低频振荡抑制单元，监测计算机内预设置有一转
子位置监测软件，执行下述流程：
1.悬浮转子，若磁力轴承系统不发生低频振荡，则无需启动低频振荡
抑制单元；若发生振荡，通过位置监测软件记录转子位置振荡波形，
据此计算振荡频率fO；
2.设定采样周期TS（单位s），相位补偿频带半频宽fB（单位Hz）
根据系统振荡频率fO计算低频振荡抑制单元参数，计算
f1=fO-fB，f2=fO+fB，
a 0 = 4 + 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 2 2 , ]]> a 2 = ( - 8 + 2 T S 2 f O 2 + 8 π 2 T S 2 f 2 2 ) / a 0 , ]]>
a 3 = ( 4 - 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 2 2 ) / a 0 , ]]> b 1 = ( 4 + 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]>
b 2 = ( - 8 + 2 T S 2 f O 2 + 8 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]> b 3 = ( 4 - 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]>
3.启动低频振荡抑制单元，启动转子悬浮程序，悬浮转子，若磁力轴
承系统不发生低频振荡，则采用当前低频振荡抑制单元；若仍发生
低频振荡，则返回第2步，调整低频振荡抑制单元，直至系统不发
生低频振荡为止。
所述步骤4中的低频振荡抑制单元与转子位置控制单元以固定的采样
周期循环进行。每个循环周期内所述位移传感器组件采集的转子位移
值首先进入低频振荡抑制单元，由其计算经过低频抑制后的信号，随
后将其输出到转子位置控制单元，用所述的转子位置控制单元计算磁
力轴承组件所需的电流值，并将其输出至所述功率放大器，实现对转
子的控制。以上所述步骤中用到了所述步骤4中计算得到的参数，所
述步骤4计算经过低频抑制后的信号的步骤如下：
（1）初始化迭代步数k=0，信号缓存xB(1)＝xB(2)=0，输出缓存
uB(1)=uB(2)=0；
（2）令k=k+1；
（3）通过所述的转子位移传感器采集转子位移x(k)；
（4）计算经过低频抑制后的信号：
xR(k)=b1x(k)+b2uB(1)+b3uB(2)-a2xB(1)-a3xB(2)
将此信号输出值转子位移控制单元，实现对转子的控制。
（5）如果仍存在低频振荡，则按照下式进行缓存移位：
uB(2)=uB(1),uB(1)=x(k)
xB(2)=xB(1),xB(1)=xR(k)
返回步骤（2）。
实施例2：
本发明提供一种磁力轴承控制系统，其包括有转子，还包括：
转子位置监测单元(100)，用于记录转子位置振荡波形，并根据所述
振荡波形计算振荡频率fO；
参数计算单元(200)，用于设定采样周期TS，相位补偿频带半频宽fB，
根据系统振荡频率fO、采样周期TS以及相位补偿频带半频宽fB计算低
频振荡抑制单元参数；
位移传感器单元(300)，用于采集转子的位移值；
低频振荡抑制单元(400)，用于根据所述位移值和低频振荡抑制单元
参数计算经过低频抑制后的信号；
转子位置控制单元(500)，用于根据所述经过低频抑制后的信号计算
磁力轴承所需的电流值；
转子悬浮单元(600)，用于根据所述电流值悬浮所述转子。
可选的，该系统还包括振荡判断单元，用于判断磁力轴承是否发生
振荡。
可选的，在发生振荡的情况下，启动所述转子位置检测单元和低频
振荡抑制单元。
实施例3：
本发明还提供一种磁力轴承控制方法，其包括如下步骤：
S1.记录转子位置振荡波形，并根据所述振荡波形计算振荡频率
fO；
S2.设定采样周期TS，相位补偿频带半频宽fB，根据系统振荡频率
fO、采样周期TS以及相位补偿频带半频宽fB计算低频振荡抑制单元参
数；
S3.采集转子的位移值；
S4.根据所述位移值和低频振荡抑制单元参数计算经过低频抑制后
的信号；
S5.根据所述经过低频抑制后的信号计算磁力轴承所需的电流值；
S6.根据所述电流值悬浮所述转子。
可选的，在步骤S6之后还包括步骤：
S7.判断磁力轴承是否发生低频振荡，如果是，则返回步骤S2，如
此循环，直至系统不发生低频振荡为止。
可选的，在所述步骤S2中，低频振荡抑制单元参数包括a0，a2，a3，
b1，b2，b3，其中，
a 0 = 4 + 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 2 2 , ]]> a 2 = ( - 8 + 2 T S 2 f O 2 + 8 π 2 T S 2 f 2 2 ) / a 0 , ]]>
a 3 = ( 4 - 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 2 2 ) / a 0 , ]]> b 1 = ( 4 + 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]>
b 2 = ( - 8 + 2 T S 2 f O 2 + 8 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]> b 3 = ( 4 - 4 T S f O + T S 2 f O 2 + 4 π 2 T S 2 f 1 2 ) / a 0 , ]]>
f1=fO-fB，f2=fO+fB。
可选的，所述步骤S4进一步包括：
S41.初始化迭代步数k=0，信号缓存xB(1)＝xB(2)=0，输出缓存
uB(1)=uB(2)=0；
S42.令k=k+1；
S43.采集转子位移x(k)；
S44.计算经过低频抑制后的信号：
xR(k)=b1x(k)+b2uB(1)+b3uB(2)-a2xB(1)-a3xB(2)
可选的，所述步骤S7包括：
S71.按照下式进行缓存移位：
uB(2)=uB(1),uB(1)=x(k)
xB(2)=xB(1),xB(1)=xR(k)
S72.返回步骤（2）。
可选的，在步骤S1之前还包括：
S0.判断磁力轴承是否发生振荡，在发生振荡的情况下执行所述步
骤S1。
本发明通过对控制器进行相位补偿，消除了磁力轴承中的可能存在
的低频振荡。本发明的技术方案实现简单，效果良好，尤其适合于解
决难以从根源上消除的低频振荡问题。本发明通过对磁力轴承系统控
制器的相位进行补偿实现抑制低频振动的目的，对控制器的放大倍数
影响很小，对补偿频带以外的相位影响也很小，也就是说，本发明基
本不影响控制器的性能，也不影响整个磁力轴承系统的工作性能。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关
技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，
还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明
的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。