磁悬浮分子泵转子振动抑制研究

磁悬浮分子泵具有工作转速高、转子极转动惯量大等特点,针对磁悬浮分子泵转子在升速过程中出现的弯曲模态振动以及涡动模态振动,提出了一种基于滤波交叉反馈与陷波器的大转动惯量磁悬浮转子控制方法。建立磁悬浮轴承-大转动惯量刚性转子系统数学模型,求解得出转子涡动模态频率,根据该模型分析了滤波交叉反馈控制器对涡动模态振动的抑制效果,并且设计了陷波器用于抑制不同转速下的转子弯曲模态振动。试验结果表明,磁悬浮分子泵稳定升速至工作转速18 000 r/min,转子振动位移为35μm,弯曲模态振动以及涡动模态振动得到了有效抑制。     

非对称大惯量刚性磁悬浮高速转子陀螺效应自适应抑制方法研究

针对磁悬浮分子泵中非对称大惯量刚性磁悬浮转子高速运行时出现的涡动模态失稳的问题,建立了非对称刚性转子的动力学模型,并提出了一种针对非对称转子的转速自适应的多通道单边滤波PIDC控制方法,在不同的转速段内自动切换反馈通道,通过优化预调参数对转子远离质心一端出现的涡动模态失稳的现象进行相位补偿,仿真结果表明,这种PIDC控制算法简单易用,可以有效解决高速下陀螺效应导致的转子一端进动和章动模态失稳的问题。通过实验验证了该方法的可靠性,分子泵样机平稳升速到21 000 r/min,样机达到了设计真空性能指标。     

搭接-叠片式箔片气体动压轴承转子动力学特性实验研究

本文研制了由搭接式径向轴承和叠片式推力轴承组成的一套搭接-叠片式箔片气体动压轴承,同时设计并搭建了相应的箔片气体动压轴承转子实验台,通过多组转子降速对比实验研究了所提出箔片气体动压轴承的起飞特性,分析了转子不平衡量和外部载荷对该轴承-转子系统的转子动力学影响。起飞实验结果表明,本文所研制的搭接式径向箔片气体动压轴承的起飞转速约为7500 r/min,最大起飞转矩约为220 N·mm。转子降速实验研究结果表明,随着转子不平衡量的增加,转子系统1X频振动幅值逐渐增大、二阶临界转速逐渐降低、次频振动发生频率逐渐提前;随着转子转速的增加,转子系统1X频振动呈现先增大后减小的趋势、次频振动幅值整体逐渐增大;在减小顶箔结构的圆心距后,转子系统稳定性增加。不平衡量与外部载荷加载耦合实验结果表明,不平衡量与外部载荷都会激起系统的次频振动,次频振动幅值随转速升高而增大;并且在激起次频振动方面,不平衡量与外部载荷之间存在着相互放大作用。     

超导磁悬浮微飞轮系统设计与功耗分析

针对飞轮系统在高转速时功耗大的问题,设计了基于超导磁悬浮轴承的微飞轮系统样机,研究了超导磁悬浮轴承对飞轮系统功耗的影响.微飞轮系统采用超导磁悬浮轴承作为支撑机构,以平面直流无刷电机作为驱动装置,在保证超导轴承场冷高度和电机间隙的条件下设计真空系统,通过搭建飞轮能耗实验平台,对超导磁悬浮飞轮系统的功耗进行分析,并通过测试不同场冷高度下的飞轮系统降速曲线,研究场冷高度对超导磁悬浮轴承的摩擦损耗影响.实验结果表明,在同样功耗下飞轮转子的最高转速可达到33 000 r/min,在15 000 r/min时超导磁悬浮轴承的功耗仅为机械飞轮系统功耗的1/7,并可以通过增加场冷高度进一步减少系统功耗.超导磁悬浮技术可以满足飞轮系统高转速、低功耗的要求．     

超高转速氦气压缩机转子的模态分析

以100 000 r/min超高转速氦气压缩机转子为研究对象,描述了基于ANSYS对转子进行了模态分析的步骤和结果,得到转子的各阶弯曲临界转速和振型图。采用多点激振单点拾振的测试方法对转子模态进行实验验证对比,模态分析与实验结果相对误差为1.95%,ANSYS模态分析计算基本准确,可以有效地指导转子特征尺度的设计。实验测试表明,最高工作转速相对于临界转速的安全裕度为18%,转子处于相对安全的工作范围,可有效避免弯曲共振的发生。并进一步分析了轴承支承刚度和工作轮端轴伸长度对临界转速的影响。在一定范围内,适当增大轴承的支承刚度,可较大程度提高转子临界转速;适当减小轴伸长度,可略微增加转子临界转速。     

新型多自由度圆环形驻波超声电机

提出了一款新型多自由度圆环形驻波超声电机,该电机由一个球形转子和圆环形定子构成,利用二阶面内振动模态工作,可以实现三个方向的旋转运动。文中详细分析了该电机的运动机理,并根据有限元设计结果,研制了一台原理型样机。样机定子的外形尺寸为25.7mm×25.6mm×5mm,驱动频率为26.76kHz,绕三个方向的转速分别为：12r/min、10 r/min、12r/min。该款电机具有体积小、结构简单紧凑、无需考虑复合模态多自由度电机不同工作模态频率一致性的问题等特点,有望用于小型机器人、机器人眼球、机器手、机构姿态调节等驱动上。     

自动平衡头对电主轴动态特性影响的试验研究

为实现电主轴的不平衡在线控制,开发了平衡头和电主轴一体化原理样机.完成了非工作状态平衡头对电主轴壳体振动、转轴刚性和关键位置温升的影响试验及工作状态平衡头运动对电主轴壳体振动和轴振动的影响试验.结果表明,在平衡头不工作情况下,带平衡头电主轴在9 000 r/min振动速度小于0.5 mm/s;一阶模态转速为38 520 r/min;前轴承温升为4.3℃;3 000 r/min下平衡头转动的振动响应规律与平衡量变化规律基本一致;3 000 r/min下平衡头对电主轴抑振能力为加速度单峰值0.013 g和位移峰峰值22μm.电主轴一阶模态频率、平衡头不工作与工作状态下振动、关键部位温升均处于正常范围,平衡头对电主轴动态特性的影响在工程可接受范围内,其研究为一体化自平衡智能电主轴应用奠定了基础.     

模态分析的一个算例及讨论

本文对一个可倾瓦轴承试验转子的有限元模型计算了实模态及复模态参数;计算了用实模态及复模态理论建立的传递函数以及用不平衡响应解复线性方程组得的传递函数。通过这一算例,对当前模态分析方面的某些观点进行了讨论,分析了油膜阻尼对转子不同振型的影响并提出了一种计算转子阻尼自然频率的方法。     

全动压气体轴承低温透平膨胀机的开发

设计了一台小型全动压气体轴承低温透平膨胀机，径向轴承采用新型弹性支承箔片径向气体轴承，止推轴承采用螺旋槽止推气体轴承。针对该透平膨胀机的机械性能做了大量试验，试验获得最大转速为220 000r/min，试验表明，该全动压气体轴承低温透平膨胀机运转稳定，对开发我国自己的全动压气体轴承低温透平膨胀机具有重要的意义。     

磁悬浮分子泵的振动抑制

2000L磁悬浮分子泵研制中,遇到复杂振动问题:转子弯曲模态共振;陀螺效应造成动力学失稳;叶轮叶片导致转子颤振;成因复杂的机电耦合模态振动.它们同时出现,严重影响转子稳定性,给振动抑制带来困难,需进行精细的控制器设计.控制器中,对不同振动采用不同方法抑制:陀螺效应依靠交叉反馈控制;弯曲共振、分子泵叶轮叶片颤振及机电耦合模态振动,依靠各种不同的控制器传递函数相位整形方法.试验验证了方法的有效性,分子泵平稳升速到24000 r/min,样机达到了设计真空性能指标.     

考虑温升梯度影响的表贴式高速永磁电机转子强度分析

针对非导磁金属护套表贴式高速永磁电机的转子强度分析问题,基于弹性力学的平面应力模型,采用极坐标下的位移法,推导了考虑静态过盈量、转速以及转子温升梯度影响的转子强度解析解,并通过有限元仿真和试验验证了解析解的有效性.在转子强度解析解的基础上,进一步研究了护套厚度、静态过盈量、转速及转子温度等参数对转子应力的影响.仿真及试...     

基于电流解耦的表贴式永磁同步电机无源控制研究

为了提高表贴式永磁同步电机的电流环频率响应能力和转速响应性能,针对其无源控制器设计过程中因d轴、q轴电流存在耦合而造成期望互联矩阵未知参数过多的问题,结合电压前馈解耦控制,提出了一种基于电流解耦的无源控制器新型设计方法。首先,根据能量平衡原理和电压前馈解耦控制,构建基于电流解耦的表贴式永磁同步电机端口受控耗散哈密顿系统（port control Hamilton system with dissipation, PCHD）模型。然后,通过互联和阻尼配置的无源控制（interconnection and damping assignment passivity-based control, IDA-PBC）方法,完成表贴式永磁同步电机无源控制器的设计,并在设计过程中引入了电压前馈解耦控制,消除了d轴、q轴电流的耦合关系,使期望互联矩阵的未知参数由3个减少为1个。最后,搭建表贴式永磁同步电机测试平台进行实验验证。实验结果表明,当表贴式永磁同步电机的电流环采用基于电流解耦的无源控制器时,q轴电流响应频率由小于250 Hz增大为大于333 Hz;额定转速下的转速响应时间由0.16 s减小为0.11 s,超调量由2.0%减小为0.6%,稳态误差由5.98 r/min减小为1.15 r/min。研究结果可为永磁同步电机的无源控制器设计提供新思路。     

Sensorless interior permanent magnet synchronous motor drive system with a wide adjustable speed range

The authors propose a novel extended flux estimating method for an interior permanent magnet synchronous motor. By using the proposed method, an extended flux can be systematically derived. Then, the shaft position and speed of the motor can be obtained. Starting from a standstill and at a low-speed range control, a current-slope estimating method is used to replace the extended flux method because the estimating extended flux decreases as the motor speed is reduced. By combining the extended flux and the current-slope estimating methods, the interior permanent magnet synchronous motor drive system can be controlled in a wide range with satisfactory performance. The adjustable speed range is from 1 to 2000 r/min. In addition, the system performs fast transient responses and good load-disturbance responses. Moreover, a sensorless position control system has been well developed based on the speed control drive system. A TMS 320LF2407 digital signal processor is used to execute the rotor position estimation, rotor speed estimation, current-loop control, speed-loop control and position-loop control algorithms. The hardware circuit therefore is very simple. Several experimental results are provided to validate the theoretical analysis.     

基于超螺旋滑模扰动观测器的永磁同步电机无传感器抗干扰控制策略研究

目的 提高包装行业中自动化设备的工作精准度,优化传统永磁同步电机无传感器控制系统的稳定性,提高电机遭遇内外扰动后的系统鲁棒性和抗扰动性能。方法 引入超螺旋滑模算法,设计一种超螺旋滑模MRAS观测器来提高系统的稳定性,同时利用滑模扰动观测器对电机良好的动态进行性能追踪,利用超螺旋滑模算法对其进行性能优化,提出超螺旋滑模MRAS观测器和超螺旋滑模扰动观测器对永磁同步电机复合控制的策略。结果 该方案有效降低了电机遭遇扰动时转速估计误差,误差在0.8r/min附近波动,明显提高了电机控制系统遭遇干扰后的响应速度。结论 在MATLAB/SIMULINK中进行实验仿真,结果表明所提控制策略提高了系统的鲁棒性和追踪精度,加强了系统的抗干扰能力。     

定子永磁型高速电机凸极转子强度分析

定子永磁型电机具有转子上既无永磁体也无绕组、功率密度高、效率高等优点,因此非常适合在高速下工作。然而由于凸极转子复杂的几何形状,对其强度进行分析只能采用有限元法等数值方法。基于弹性力学理论,建立了凸极转子强度的解析分析模型。分析了凸极转子的载荷分布,在此基础上,基于平面应力模型和应力函数法,推导了定子永磁型电机凸极转子的应力及变形的解析解;用有限元法对解析解的有效性进行了验证;分析了凸极转子的凸极高度及形状对转子强度的影响。结果表明,建立的凸极转子强度解析解在转子应力最大区域内的计算结果与有限元法的计算结果完全吻合,能够对定子永磁型高速电机凸极转子的最大应力进行精确分析,可为定子永磁型高速电机的转子设计提供支持。     

弹道修正装置关键部件的仿真设计及模拟实验

依据弹道修正基本原理,对修正装置的总体结构布局进行设计.通过研究永磁电机转子轴,对其进行模态分析得出,其一阶临界转速大约超出实际转速50%,在实际工作中不会产生共振现象.在发射过程中,修正装置电机轴需要承受很大的冲击载荷.据此进行缓冲碟簧的设计,并进行了模拟过载实验.研究结果表明,修正装置的设计满足了弹道修正要求,可为后续弹道修正装置的优化提供参考.     

基于新型趋近律的永磁同步电机动态性能优化

目的 提高永磁同步电机作业时的响应精度和速度,优化其动态反馈性能,解决传统滑模控制中趋近时间与系统抖振相矛盾的问题。方法 采用三闭环控制结构,位置环与电流环采用模糊PID控制方法,速度环采用基于新型趋近律的改进滑模控制方法,添加扰动观测器并给予系统扰动补偿。结果 仿真与在环硬件测试结果表明,文中提出的控制方法与传统三闭环滑模控制相比,相同时间内电机转子位置响应速度提前了0.123 s且无超调,同时明显降低了电磁转矩波动幅度。结论 文中设计的新型趋近律有效改善了传统滑模控制存在的问题,建立的控制系统有效提高了永磁同步电机的响应精度和速度,削弱了永磁同步电机作业时的抖振程度,具有良好的鲁棒性。     

电机无速度传感器控制技术在包装生产线中的应用

目的 为提高自动化包装生产线的产品效率和质量,简化传动系统结构,改善永磁同步电机控制系统性能。方法 提出一种基于滑模观测器的无速度传感器控制技术,建立永磁同步电机数学模型。在此基础上,设计一种滑模自适应观测器,可用于观测定子电流和转子磁链,同时给出一种I/F启动策略。通过仿真和实验对系统性能进行验证。结果 仿真和实验结果表明,所述控制方法不仅可以解决电机启动问题,而且采用滑模观测器能够较好地实现转速跟踪,进而确保转子位置准确性。在实际应用中,可将横封横切机构的切点偏差控制在0.4mm以内,平均偏差只有0.2mm。结论 无速度传感器控制系统具有响应速度快、调速性能好、鲁棒性强等特点,可以确保电机速度、位置控制精度,进而降低整个控制系统的冗余性、不稳定性,适合包装、仿真、印刷等场合使用。     

基于DSP的永磁同步电机调速系统设计

本文进行了24V／70W的永磁同步电机调速系统的硬件控制器设计和软件程序编写及相关实验。首先对DSP及其与电机控制相关的功能和结构进行介绍;然后说明永磁同步电机控制系统的硬件电路构成及设计方法,并给出系统的软件实现方法;最后对电机进行控制实验并给出实验结果,为实现永磁同步电机的各种控制策略奠定了实验基础。     

气隙偏心下永磁电机转子系统的振动特性分析

研究气隙偏心对永磁同步电机转子系统振动特性的影响。建立了气隙偏心下转子的动力学模型,结合永磁同步电机在带负载工作下转子永磁体及电枢电流共同形成的气隙磁场分布情况,利用Maxwell应力张量法计算了气隙偏心造成的不平衡磁拉力,并代入转子系统运动方程;通过实例分析,详细讨论了不同偏心以及负载类型对转子系统振动特性的影响。结果表明：质量偏心在增大转子振动的同时会削弱不平衡磁拉力的影响,使振动趋于规则;初始静偏心的大小和方向都将影响转子振动特性,当其方向和重力方向相反,振动强度将有所减弱;当外部负载转矩发生变化,其相应谐波频率的振动将被激发出来。