[發明專利]電磁軸承主動控制的變相位自適應LMS陷波器的設計方法

有效

• 申請號: 202110102615.5
• 申請日: 2021-01-26
• 公開（公告）號: CN112886946B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 祝長生;王曉波
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H03H21/00
• 分類號: H03H21/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種電磁軸承柔性轉子系統過臨界及多頻激勵主動控制方法，該方法包括以下步驟：首先，將相位偏移角引入標準LMS算法，通過數學推導得到基于相位偏移的LMS算法；其次，根據相位偏移LMS算法，設計了基于相位偏移LMS算法的陷波器，并應用于電磁軸承柔性轉子系統過臨界及多頻激勵主動控制；然后分析了引入相位偏移LMS陷波器后系統在全轉速范圍內的穩定性，在過臨界控制方面提出了在不同轉速段切換相位偏移角的方法，在多頻激勵主動控制方面提出了并聯多個頻率段陷波器以補償多頻激勵的方法。本文所發明的相位偏移LMS陷波器可以快速辨識系統所受不平衡激勵及多頻激勵，可以通過改變相位偏移角的方法使得系統在全轉速范圍內保持穩定。

技術領域

本發明涉及電磁軸承主動控制領域，尤其涉及一種電磁軸承主動控制的變相位自適應LMS陷波器的設計方法，在電磁軸承-柔性轉子系統過臨界及多頻激勵主動控制中實現了對轉子徑向振動的穩定控制。

背景技術

電磁軸承(Active magnetic bearing,簡寫為AMB)相比傳統軸承不僅具有無接觸、高轉速、損耗小、使用壽命長、維護成本低的優勢，而且還可以對轉子系統的振動進行主動控制，目前已經在許多高速旋轉機械上得到了廣泛應用。隨著高速旋轉機械向大功率、小型化、高能量密度的方向發展，轉子的轉速越來越高，軸向長度更長，這將導致轉子系統地工作轉速處在系統的一階或更高階彎曲臨界轉速之上。當轉子的工作轉速高于一階彎曲臨界轉速時，轉子就會發生明顯的彎曲變形。特別是在過臨界轉速區，如果AMB對轉子施加的阻尼不夠，就會導致轉子振動位移急劇增加。此外，高速旋轉機械在實際工作過程中受到流體、電磁等的影響，轉子受到的激勵是一個包括了與轉速同頻、與轉速成整數倍頻及與轉速成分數倍頻的多頻激勵。多頻激勵對轉子系統的振動產生顯著影響，因此在AMB柔性轉子系統中必須要對多頻激勵振動進行有效控制。

目前對于多頻激勵下AMB轉子振動主動控制的研究主要集中在剛性轉子上，采用的措施主要為零電流、零位移、零傳遞力三種補償控制方法，其核心思想均是通過陷波器、狀態觀測器或者其它參數辨識的方法得到各個頻率激勵力的參數，再經過系統反饋產生一個與各頻率所對應的激勵力大小相等、方向相反的補償控制力，抵消多頻激勵力對轉子運動所產生的影響。零位移、零電流、零傳遞力補償控制常用的方法有自適應陷波器、最小均方算法(Least Mean Square，LMS)、滑膜觀測器、不平衡系數/多頻激勵系數識別、魯棒控制、重復控制、迭代學習控制等。在這些控制方法中，不平衡系數/多頻激勵系數識別和自適應陷波器是最常用的方法。不平衡系數辨識/多頻激勵系數辨識法的精確度依賴于轉子精確的數學模型，但是實際上通常很難得到柔性轉子的準確數學模型，并且其補償算法的迭代搜索速度過度依賴于系數辨識算法本身，對轉子實時加速運動過程中的研究并不多?；趥鹘y三角函數陷波器而衍生出來的各類陷波器因其迭代收斂速度不滿足加速響應過程的實時性需求，其應用也僅限于恒定轉速下的振動控制，在轉子加速運動條件下很難獲得理想陷波濾波的效果。

基于以上原因，采用LMS算法的自適應陷波濾波器在AMB轉子系統不平衡振動補償控制方面得到了廣泛的研究與應用。目前對采用LMS算法的陷波器的研究主要集中在傳統標準LMS算法、變極性LMS算法和變步長LMS算法。采用標準LMS算法的陷波器一般適用于恒定轉速下的振動主動控制，但是只局限于低轉速運轉條件，電磁軸承-轉子系統在高轉速下會失穩，因此標準LMS算法無法滿足轉子高轉速運轉及加速過臨界的情況；采用變極性LMS算法的陷波器通過在臨界轉速附近切換算法步長正負極性，使得轉子安全穿越剛體臨界轉速，實現了系統在全轉速范圍內保持穩定，但沒有討論柔性轉子穿越一階彎曲臨界轉速的情況；采用變步長LMS算法的陷波器通過隨轉速頻率和迭代誤差的變化而改變算法的迭代步長，加速了LMS算法應用于磁軸承控制的迭代速度，但是依然采用變極性LMS算法來實現系統在全轉速范圍內保持穩定。

因此需要提出一種更具備普遍意義的且能滿足柔性轉子過臨界及多頻激勵控制的LMS算法，既能滿足系統在高轉速下保持穩定，又要滿足轉子平穩通過一階彎曲臨界轉速區。

發明內容