[發(fā)明專利]一種磁懸浮旋轉(zhuǎn)機械的不平衡量辨識與振動抑制控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310367769.2
• 申請日: 2013-08-21
• 公開（公告）號: CN103425051B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭世強;馮銳;蘇丹;韓邦成
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D19/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一種磁懸浮旋轉(zhuǎn)機械的不平衡量辨識與振動抑制控制系統(tǒng)，可以用于磁懸浮轉(zhuǎn)子的高精度自動平衡，尤其適用于磁懸浮高速電機等細長型的轉(zhuǎn)子。

背景技術(shù)

磁懸浮軸承是一種新型高性能軸承，利用可控電磁場把轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮于給定位置，具有無接觸、無摩擦、無需潤滑、高精度、長壽命和阻尼剛度主動可控等優(yōu)點，是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的理想支撐方式，現(xiàn)已廣泛的應用于工業(yè)、軍事和航空航天等領(lǐng)域。

由于機械加工精度的原因，不可能做到轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布在幾何上絕對均勻，導致其幾何軸和慣性軸不重合。而離心力的大小與轉(zhuǎn)速平方成正比，因此，轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時即使很小的偏差也會產(chǎn)生很大的離心力，進而降低支撐精度、限制轉(zhuǎn)速的提高、引起振動，所以會縮短磁軸承的使用壽命且產(chǎn)生噪聲。故磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動抑制是磁軸承控制技術(shù)中的一項核心技術(shù)。

磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動方法可以大致分為兩類：慣性主軸同頻位移消除方法和同頻軸承力消除方法，簡稱位移消除和力消除。

位移消除法通常也稱在線動平衡法，通常是采用對轉(zhuǎn)子軸加重或去重使其幾何軸與慣性軸重合，該方法實現(xiàn)起來復雜，需要投入大量的人力和物力，且當轉(zhuǎn)子有微小的變化時，前期的工作就失效了，得重新平衡，故該方法不利于大范圍的推廣使用，現(xiàn)只使用在要求轉(zhuǎn)子軸有很高的指向精度或機械軸承支撐的大功率電機等。力消除法是利用磁軸承與轉(zhuǎn)子的支撐間隙，濾除位移信號中的同頻分量，在對其位移剛度力進行補償，使轉(zhuǎn)子軸繞其慣性主軸旋轉(zhuǎn)，進而抑制轉(zhuǎn)子的不平衡振動，其核心技術(shù)就是對不平衡分量的辨識，主要方法包括：廣義陷波器、神經(jīng)網(wǎng)絡自學習算法，LMS算法等。同頻電流極小化法雖然對不平衡振動有很強的抑制能力，但是該方法無法消除磁軸承位移剛度引起的同頻軸承力。為完全消除同頻軸承力，專利ZL200710176720“一種磁懸浮飛輪高精度主動振動控制系統(tǒng)”在同頻電流極小化的基礎(chǔ)上增加一個從位移到電流的補償通路（補償通路的增益為位移剛度與電流剛度之比），從而使轉(zhuǎn)頻處的同頻振動力趨于零，實現(xiàn)磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)。這種方法用于低速轉(zhuǎn)子時可以對不平衡力進行很好的抑制，但對于高速轉(zhuǎn)子，由于磁軸承控制系統(tǒng)功放環(huán)節(jié)的低通特性顯著，使用該方法對位移剛度力補償存在很大的高頻衰減和滯后，補償精度大幅度下降。上述影響隨著轉(zhuǎn)速的升高而顯著增大，降低了不平衡振動的抑制效果，因此，該方法不能滿足對高速磁懸浮電機不平衡振動的有效抑制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有高速磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動抑制方法的缺陷，提供一種基于坐標變換的新型陷波器對位移中的同頻分量在線實時辨識，在前饋補償通道中引入磁軸承功放的簡化逆模型，消除磁軸承功放的低通特性對位移剛度力補償精度的影響，實現(xiàn)高速磁懸浮轉(zhuǎn)子的不平衡振動抑制。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種磁懸浮旋轉(zhuǎn)機械的不平衡量辨識與振動抑制控制系統(tǒng)，包括控制器、功放、電磁鐵轉(zhuǎn)子、位移傳感器、新型陷波器、前饋補償。其中位移傳感器實時檢測電磁鐵轉(zhuǎn)子的位置，將轉(zhuǎn)子位移量轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出；新型陷波器模塊接收位移傳感器的輸出信號，辨識出位移信號中的同頻振動信號，作為電流剛度力和位移剛度力補償?shù)妮斎胄盘枺磺梆佈a償模塊通過引入功放的逆模型，在功放輸入端疊加適當?shù)目刂菩盘枺构Ψ女a(chǎn)生一個電流信號，該電流剛度力正好可以補償位移剛度力；控制器接收參考輸入信號，位移反饋信號和同頻位移補償信號，運行磁軸承穩(wěn)定控制算法，產(chǎn)生不含同頻分量的控制信號；磁軸承功放在控制器產(chǎn)生的非同頻控制信號與前饋補償產(chǎn)生的同頻位移信號的驅(qū)動下，輸出電流信號對電磁鐵轉(zhuǎn)子施加主動控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮并使不平衡振動力近似為零。

所述不平衡量辨識模塊是采用基于坐標變換法的新型陷波器將位移信號中的同頻分量提取出來，同頻位移信號一方面疊加在控制器的輸入端，從而濾除控制器⑴輸出部分的同頻分量，使功放不會產(chǎn)生同頻電流，進而不會產(chǎn)生同頻電流剛度力；另一方面通過在前饋補償中引入功放的簡化逆模型，利用辨識出來的同頻分量產(chǎn)生補償信號，經(jīng)過運算以后產(chǎn)生控制信號，使功放產(chǎn)生同頻補償電流，從而通過電流剛度力補償位移剛度力，使不平衡振動力最小或者趨向于零。

所述的不平衡量辨識模塊是采用基于坐標變換法的新型陷波器實現(xiàn)，其實現(xiàn)原理具體為：首先利用傳感器實時獲取轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，進而產(chǎn)生坐標變換陣T(Ωt)，將在傳感器坐標系下測量得到的轉(zhuǎn)子幾何中心M的位置信號轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子坐標系下(該坐標系的原點在轉(zhuǎn)子的慣性軸上，與轉(zhuǎn)子固連，相對傳感器坐標系以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn))，如下式所示：