[發明專利]基于轉速的磁懸浮軸承柔性轉子系統變參數控制方法

無效

• 申請號: 200910185433.8
• 申請日: 2009-11-09
• 公開（公告）號: CN101699752A
• 公開（公告）日: 2010-04-28
• 發明（設計）人: 謝振宇;牟偉興;莊華強
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N15/00
• 分類號: H02N15/00;F16C32/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐小紅

技術領域

基于轉速的磁懸浮軸承柔性轉子系統變參數控制方法，屬于磁懸浮技術領域。

背景技術

和傳統軸承相比，磁懸浮軸承與轉子無接觸，支承功耗小，使用壽命長；不需要潤滑和密封，可長期用于高低溫等特殊環境中；維護費用低、便于主動控制等等，因而被認為是支承技術的一次革命，是目前唯一投入實用的主動支承裝置。磁懸浮軸承主要用于剛性轉子系統，由于旋轉機械高速、重載、細長發展的要求，現正逐步擴展到柔性轉子系統。

但是，國內外相關研究結果表明，將磁懸浮軸承運用于柔性轉子系統存在著較大的困難。主要原因是磁懸浮軸承的等效剛度和阻尼受整個轉速范圍內控制參數穩定區域的限制，一般比動壓滑動軸承小2～3個數量級。在系統接近或越過彎曲臨界轉速時，因阻尼過小，轉子振幅過大，容易導致系統破壞。因此，針對柔性轉子系統的研究一直是該技術領域的熱點和難點。

為了減小磁懸浮軸承柔性轉子系統的振動，國內外許多文獻從兩方面進行了研究。一是采取同步振動抑制技術，二是運用現代控制理論或魯棒控制理論設計控制方案以提高支承阻尼。

但是同步振動抑制技術難以解決柔性轉子系統的不平衡振動問題。這是由于轉速接近彎曲臨界轉速時，轉子將產生明顯的彎曲變形，不平衡質量所引起的振動與轉子彎曲變形狀態有關，遠比剛性轉子系統復雜，因此目前同步振動抑制技術主要針對剛性轉子系統。

運用現代控制理論或魯棒控制理論設計合適的控制方案可以改善系統的動態性能，但目前尚不能做到大幅度提高系統在亞臨界及超臨界運行時的支承阻尼，而且算法過于復雜，可實現性較差。2000年軸承制造著名企業日本“光洋株式會社”研發中心研究人員Hirochika?Ueyama在瑞士舉辦的第7屆磁懸浮軸承國際會議上發文認為，“盡管一些公開文獻表明，采用現代控制理論(LQG、H_∞、μ理論等)能夠解決這個問題，但這仍然是一個具有挑戰性問題。為了避免這個問題，相關實際應用項目采用剛性轉子結構”(Hirochika?Ueyama，Helium?Cold?Compressor?with?ActiveMagnetic?Bearings，Proc.of?the?7^th?Int.Symp.on?Magnetic?Bearings，Zurich，Switzerland，August?2000，1～6)。

發明內容

本發明的目的，在于將磁懸浮軸承運用于柔性轉子系統，即提供一種算法簡單并滿足柔性轉子系統所需低頻及高頻特性的磁懸浮軸承控制方法。

磁懸浮軸承柔性轉子系統包括轉子、徑向磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承、內置高頻電機、磁懸浮軸承數字控制器、電機驅動系統和轉速測量裝置。其特征在于：將轉速信號引入磁懸浮軸承數字控制器；在不同轉速區段，磁懸浮軸承數字控制器選擇不同的PID控制參數。

由于被控對象復雜，單一的PID控制參數難以同時滿足磁懸浮軸承柔性轉子系統所需的低頻及高頻特性，使得磁懸浮軸承支承剛度及阻尼較小，系統不易越過彎曲臨界轉速。而采用同步振動抑制技術或基于現代控制理論的控制方案尚不能大幅度提高系統在亞臨界及超臨界運行時的支承阻尼，并且算法復雜，可實現性較差。為了簡化算法并適應柔性轉子系統的控制要求，本發明將轉速信號引入磁懸浮軸承數字控制器，在不同轉速區段選擇不同的PID參數控制徑向磁懸浮軸承，目的是使得柔性轉子系統能夠在不同的轉速下，特別是越過彎曲臨界轉速時，都能具有較合適的支承剛度和阻尼，保證系統安全穩定越過第一階彎曲臨界轉速。

同時，本發明與其他現有研究的不同主要在于“引入轉速信號，在不同轉速區段，數字控制器選擇不同的控制參數”，至于在什么轉速時應該改變參數、參數是增加或減小、參數的變化范圍均和具體系統有關，可由理論分析獲得，屬于現有知識。

附圖說明

圖1為磁懸浮軸承柔性轉子系統的機械結構圖。

圖1中標號名稱：1為軸向傳感器組件(兩端)，2、7為徑向磁懸浮軸承組件，3為基座，4為軸向磁懸浮軸承組件，5為高頻電機組件，6為轉子組件。圖2為系統的前4階模態振型。圖3和圖4分別為不同控制參數下，第71結點處轉子不平衡響應的計算結果。圖5和圖6分別為不同控制參數下，第71結點處轉子同頻振動的測量結果。

具體實施方式

首先，根據理論分析和試驗模態分析的結果預先在數字控制器中設置不同轉速區段對應的合適PID控制參數。