基于四因子变极性控制的磁悬浮高速电机刚性转子同频振动抑制

变极性切换控制(polarity switching control,PSC)可有效降低主动电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)高速电机刚性转子系统在刚体平动模态前后的同频不平衡振动,而且通过引入干扰观测器可降低极性切换瞬间对系统产生的冲击。然而,当刚体锥动模态也存在时,简单PSC已不能保证AMB刚性转子系统在包括刚体平动模态和刚体锥动模态在内的全转速范围的同频不平衡振动抑制,而且系统的稳定性也会发生变化。为了抑制AMB刚性转子系统在全转速范围内的不平衡同频振动,提出一种基于四因子变极性控制(4-factor polarity switching control,4-FPSC)的同频不平衡振动抑制方法。4-FPSC需要调节4个极性因子,采用2次PSC,分别抑制2个刚体模态各自前后的同频不平衡振动,而且切换瞬间不会对系统产生冲击,避免干扰观测器的设计。仿真和实验结果证明基于4-FPSC的同频振动抑制方法能有效地抑制AMB刚性转子系统在包括2个刚体模态在内的全转速范围的同频不平衡振动。     

基于变角度搜索算法的磁悬浮高速电机刚性转子系统的不平衡补偿方法

为降低主动磁轴承(active magnetic bearing,AMB)刚性转子系统的同频不平衡振动,通常采用基于陷波器的不平衡补偿方法,若要实现全转速范围内的振动抑制,需要对传统陷波器结构进行改进,但改进后的滤波器会对系统的稳定性产生影响。为避免此问题,该文提出基于定角度搜索和变角度搜索算法的AMB刚性转子系统不平衡振动抑制方法,直接根据转子实时振动大小产生控制信号的方法来实现不平衡补偿。定角度搜索算法设计简单,但是搜索角度单一,搜索规则固定,往往不能快速地搜索到目标值。进而对定角度搜索算法的搜索角度进行改进,使其可以根据转子实时振动在线调整,即进一步设计了变角度搜索算法。由于变角度搜索比定角度搜索算法的搜索过程更加灵活,因此AMB刚性转子系统的不平衡振动可以快速得到抑制。这种算法既不需要对陷波器结构进行改进,也不需要在转子临界转速前后对陷波器极性进行切换。     

主动电磁轴承–刚性转子系统PID控制器设计方法

PID控制策略简单、物理含义明确且适用性强,在主动电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)系统中得到广泛应用。但是如何设计和调整控制器参数是一个实际问题。该文首先基于四自由度AMB-刚性转子系统的等效平面转子模型,给出一种简单可行的PID参数整定及设计方案。然后,在PID控制下定义AMB的等效刚度和等效阻尼,并在PD控制下分析偏置电流对AMB等效刚度和等效阻尼以及转子系统临界转速的影响,通过设置"自然"刚度和"自然"阻尼并结合P与D参数对系统临界转速以及鲁棒性的影响,完成PD参数的整定及设计,并对I参数的选择做简要分析。在一个AMB转子系统上进行数值仿真和实验,结果表明按照该文提出的PID参数整定及设计原则设计的PID控制器不仅能够使转子系统实现稳定悬浮,而且还能够使转子以较小的振动通过其刚体临界转速,实现转子在0～14000r/min转速范围内的稳定运行。     

基于刚性转子模型辅助线性自抗扰的电磁轴承-柔性转子系统过二阶弯曲临界转速振动控制EI北大核心CSCD

为了使支承在电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)上的柔性转子系统以较小的振动跨越其2阶弯曲临界转速,首先建立柔性转子的状态空间模型和刚性转子的传递函数模型,得到所需刚性转子模型的参数;然后设计刚性转子模型辅助的线性自抗扰控制器;其次从增益、带宽和内置模型信息等方面分析自抗扰控制器的性能和模型辅助信息的有效性,用特征值轨迹的方法研究多输入多输出(multi-input and multi-output,MIMO)闭环柔性转子系统的稳定性;最后在一个AMB–多盘柔性转子试验台上进行试验研究。结果表明,所设计的刚性转子模型辅助线性自抗扰控制器能有效抑制柔性转子跨越2阶弯曲临界转速区的振动,改善传统自抗扰控制器的低频性能,降低噪声灵敏度。     

基于极性切换自适应陷波器的磁悬浮高速电机刚性转子自动平衡

针对磁悬浮高速电机刚性转子的不平衡振动,提出一种基于极性切换自适应陷波器的自动平衡方法。首先结合磁悬浮高速电机刚性转子系统径向动力学模型,分析自适应陷波器的原理和自动平衡策略;其次根据磁悬浮高速电机刚性转子径向振动系统的广义根轨迹得到极性切换规律,构造陷波器的反馈控制和前馈控制,实现转子系统在整个转速范围内稳定运行和自动平衡;最后,在搭建的仿真和实验平台上验证了不同工况下基于极性切换自适应陷波器的自动平衡控制策略能够有效地抑制转子系统的不平衡同步振动及对基础的传递力。     

基于不平衡系数辨识的电磁轴承-刚性飞轮转子系统不平衡补偿控制

针对电磁轴承-刚性飞轮转子系统不平衡振动的抑制问题,提出一种基于不平衡系数辨识的自适应不平衡补偿控制算法。基于电磁轴承-刚性飞轮转子系统的动力学模型,设计了状态反馈PID电流控制器,提出不平衡系数辨识方程及不平衡补偿算法。分析了带有补偿环节的电磁轴承-刚性飞轮转子系统的稳定性及补偿算法中各参数的选择原则。对不平衡补偿算法的有效性进行了仿真和实验研究。结果表明:文中提出的基于不平衡系数辨识的不平衡补偿算法不仅能够正确地辨识出转子的不平衡,而且在整个转速区间内具有良好的稳定性以及对不平衡振动的抑制能力。     

无轴承开关磁阻电动机转子偏心补偿控制

分析了无轴承开关磁阻电动机不平衡振动的特点,提出采用自适应LMS滤波器用于无轴承开关磁阻电动机转子偏心补偿控制的方法.针对固定步长自适应LMS滤波器存在收敛速度和稳态误差之间矛盾的问题,采用了基于Sigmoid函数、基于箕舌线和基于抽样函数的三种改进的变步长自适应LMS滤波器对悬浮转子进行补偿控制.仿真结果表明:自适应LMS滤波器可以有效抑制转子的不平衡振动;变步长自适应LMS滤波器不仅具有较快的收敛速度和跟踪速度,稳态误差也能控制在比较小的范围内;基于抽样函数的变步长LMS算法具有更小的稳态误差.     

电磁轴承高速电机转子多频振动的电流补偿控制

在主动电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)支承的高速电机系统中,转子的不平衡、电磁激励力及传感器的干扰等因素都会导致转子系统出现多频振动,严重地影响着电机的运行精度。为了抑制AMB-高速电机转子系统中的多频振动,该文提出一种通过电流补偿来对转子系统的多频振动进行控制的方法。首先建立四自由度AMB-高速电机刚性转子系统的动力学模型,分析多频电流形式,定义多频电流系数。然后,提出一种通过电流补偿来抑制AMB-转子多频振动的方法。接着,采用变步长三角形迭代搜索算法以加速多频电流系数的识别。最后,在某AMB-高速电机平台上进行仿真和试验研究。结果表明,提出的多频振动电流补偿算法可实现对多频电流系数的准确识别,能够对AMB-转子系统的多频振动进行有效地控制。     

基于扩展Kalman滤波器的PMSM高性能控制系统

扩展Kalman滤波器考虑了系统噪声和测量噪声的影响,是一种基于最优控制理论的非线性估计方法.本文提出一种新型的用于永磁同步电机(PMSM)的基于扩展Kalman滤波器(EKF)的状态观测器,可以把有限精度的光电码盘信号的量化误差考虑为测量噪声,从而可以精确观测转子位置和转子转速.电机不需要知道转子初始位置就可以起动.该状态观测器还可以观测负载转矩,利用观测的负载转矩形成对给定转矩的前馈补偿,可以大大改善负载转矩波动过程中的转速控制性能.在轻负载时永磁同步电机定子电流较小,因此电流测量过程中的噪声和干扰对系统性能的影响就非常明显.Kalman滤波器可以有效消除电流测量值中的干扰和测量噪声,提高系统在轻载时的性能.仿真和实验结果验证了该系统的性能.     

交流伺服控制系统的刚性自适应补偿技术

为解决交流伺服控制系统在数控加工中由机床振动导致的定位精度不高的问题,提出一种基于特征建模、系统辨识和线性二次型调节器(LQR)的交流伺服控制系统刚性自适应补偿方法.该方法在线辨识得到机床的特征模型,利用状态观测器和LQR设计全状态反馈控制律,从而可有效抑制机床弱刚性对位置闭环控制的干扰.在系统辨识方面,提出一种基于特征值分析的扩展变步长最小均方误差算法(EVLMS),并与归一化最小均方误差算法(NLMS)和带遗忘因子递推最小二乘算法(RLS)进行了比较.分析和实验表明,与传统的比例积分微分(PID)位置闭环控制相比,此处提出的自适应补偿技术能有效抑制假性振动对位置闭环控制的干扰,可以提高交流伺服控制系统的动态性能和稳态精度.     

基于自适应变步长最小均方算法的磁悬浮高速电机不平衡补偿

该文针对磁悬浮高速电机的不平衡振动,提出一种基于自适应变步长最小均方误差(LMS)算法的不平衡补偿方法。首先,通过分析步长和频率对LMS算法特性的影响,给出合适的步长计算公式。之后,利用基于变步长LMS算法的自适应滤波器,在线识别转子位移信号中与转速同频的振动分量,并通过反馈对转子的同频振动进行不平衡补偿,以实现最小位移控制。然后,利用广义根轨迹法分析了引入不平衡补偿后转子系统的闭环稳定性。通过切换步长符号,实现转子系统在全转速范围内的闭环稳定运行。最后,分别在频率匹配、频率失配、存在噪声和恒加速四个条件下,将该方法应用于四自由度转子的仿真模型中,并且在磁悬浮高速电机实验平台上进行了相关实验。仿真和实验结果均表明,该方法能够有效地抑制转子的不平衡振动。     

基于鲁棒H∞观测器的永磁同步电机转速估计方法

提出了一种基于鲁棒H∞观测器的永磁同步电机(PMSM)转速估计方法,建立了PMSM调速系统的非线性数学模型,以交轴电流ia作为输入信号,设计了状态反馈控制器,通过求解Riccati方程得到观测器的反馈控制律,确保鲁棒H∞观测器保持对目标实际状态的良好跟踪.将该算法在PMSM无速度传感器矢量控制系统中进行验证,仿真及实验结果表明,所提方法能够实现估计转速在全转速范围内良好地跟踪实际转速,在系统状态突变或负载扰动时,扰动抑制效果良好,并且对电机参数的变化具有较强的鲁棒性.     

基于变增益控制理论的感应电机转子磁链观测

针对交流感应电动机转子磁链观测问题,提出一种新的方法,基于变增益控制理论设计感应电机转子磁链观测器。首先把感应电动机模型作为LPV线性变参数系统,将感应电动机的磁通观测器看作线性变参数系统的一个控制器,而把转速与转子电阻作为系统的变参数,然后利用变增益控制理论,通过解一组线性矩阵不等式,设计满足H∞鲁棒稳定性能和动态特性磁链观测器,跟踪实际的磁链。仿真验证了此观测器的有效性和先进性。     

基于特征结构配置的电磁轴承高速电机刚性转子系统鲁棒输出反馈控制器的设计

特征结构配置法直接建立反馈控制器参数与闭环系统特征结构之间的联系,物理意义明确且适用性强,在飞行器、振动主动控制等对象的控制器设计中得到广泛的应用。针对电磁轴承(activemagneticbearing,AMB)高速电机刚性转子系统,提出一种基于特征结构配置的鲁棒输出反馈控制器的设计方法。首先,引入交叉微分反馈,建立两自由度简化转子模型。然后,给出特征结构配置的具体步骤,并从稳定性和动态性能、偏置电流变化对系统性能的影响、不平衡振动响应以及控制能量这4个角度选择优化目标以设计鲁棒比例微分控制器。最后,进行数值仿真和实验,发现鲁棒输出反馈控制下的AMB转子系统不仅能够在不同偏置电流条件下0.1s内快速起浮,而且在全转速范围内最大振幅不超过0.04mm,远小于转子与保护轴承之间的径向间隙,验证该控制器的有效性。     

考虑扭振稳定性后汽轮发电机的鲁棒控制

将轴系未建模扭振模态视为刚体转子模型的摄动,基于广义观测器提出一种汽轮发电机轴系转速的鲁棒H∞滤波方法。将刚体转速广义观测器应用于汽轮发电机控制系统,证明了尽管实际柔性轴系与用于控制器设计的刚体转子模型之间存在模型不确定性,控制系统极点和刚体转速广义观测器极点仍具有分离特性,二者可以分别独立设计,分别保证控制性能和扭振稳定性,从而形成一种实用的汽轮发电机鲁棒控制的设计方法。     

基于改进自抗扰的风力发电系统最大功率控制

针对永磁同步风力发电系统(PMWS)存在的非线性、参数摄动、不确定性、多干扰等问题,采用一种基于最佳叶尖速比的最大功率跟踪控制方法,将最大功率捕获问题转换为最佳速度跟踪问题,分别针对速度环和电流环进行自抗扰控制器的设计;考虑到大干扰环境中,系统受内、外扰动的影响,转速跟踪精度有所下降,为提高控制精度和鲁棒性,针对速度环设计了一种基于扰动观测的降阶自抗扰控制器。通过扰动观测器对系统的总干扰进行在线观测,然后利用自抗扰控制器进行干扰补偿,从而提高转速的跟踪能力。仿真结果验证了所设计的复合控制器能有效地抑制系统扰动对转速的影响,提高了系统的鲁棒性和抗干扰性能。     

大功率高速永磁电机柔性转子系统模态分析

高速电机的转速高、转子细长,与常速电机相比接近临界转速的可能性大大增加,当电机额定转速接近临界转速时,电机会发生剧烈的振动,甚至使转子损坏。大功率高速电机的转子长度远远大于转子直径,很难设计为刚性转子,需要穿越1阶临界转速,工作在1阶临界转速和2阶临界转速中间的安全区域,而这个安全区域的范围却很小,这对大功率高速电机转子系统的动力学设计带来了极大的困难。基于一台1.12MW、18 000r/min的高速永磁电机,对转子系统的动力学特性进行理论分析,对有叶轮和无叶轮状态下的转子模态和临界转速进行计算,分析轴承支承刚度、陀螺效应以及转子主要尺寸对临界转速的影响,并通过样机进行了实验验证,总结了相应的规律,为大功率高速电机挠性转子的设计提供了参考。     

双PWM永磁同步风力发电控制器设计

传统风力发电系统通常采用光电编码器检测电机转子位置,系统成本较高、可靠性较差。考虑到滑模变结构对环境变化具有很强的适应性,结合最大功率跟踪法,设计了基于滑模观测器的双PWM永磁直驱小型风力发电系统,针对机侧控制器进行理论分析与实验研究。结果表明,滑模观测器对负载扰动及参数误差具有很强的鲁棒性,在较高频率范围内准确估计转子位置。而控制器通过调整风机转速能达到最大风能捕获,适用于小型风力发电。     

基于自适应观测器的IPMSM无位置传感器控制

在内置式永磁同步电机(IPMSM)的无位置传感器控制系统中,状态观测器的收敛性能与转子位置信息提取环节对驱动系统性能起了决定性的作用。为了提升电机在不同转速运行时估算转子位置信息的精度,提出了一种静止坐标系下的自适应全阶Luenberger观测器用于电机扩展反电动势估算与转速信息提取。通过对全阶Luenberger观测器与自适应转速估算环节的控制参数分级式设计,确保了电机运行于不同转速时估算转子速度的准确性并且抑制了噪声信号对估算转子转速信息的干扰。实验结果验证了所提方法的有效性。     

基于负载转矩观测器的PMSM前馈变补偿策略

为提高永磁同步电机(PMSM)的抗扰能力,改善其无位置传感器控制系统中因参数变化导致转速估算精度降低的问题,这里提出一种基于负载转矩观测器的PMSM前馈变补偿控制策略.基于卡尔曼滤波器设计负载转矩观测器与参数辨识器,对负载转矩、交轴电感和转子磁链进行在线辨识,并将辨识参数用于更新负载转矩观测器和前馈补偿系数中的参数变化,以消除因参数变化导致的估算误差.仿真和实验结果表明所提方法可提高系统的鲁棒性和转速估算精度,变补偿系数也使得系统拥有自适应前馈补偿能力,证明了所提策略的有效性.