磁悬浮电动机柔性转子振动控制与试验研究

针对磁悬浮电动机柔性转子穿越一阶弯曲临界转速所面临的问题,提出综合多种控制器于一体的振动控制方法。为保证控制器设计的准确度,采用在线扫频技术验证磁轴承系统各环节建模的正确性。基于不完全微分PID控制器,设计固定中心频率的陷波器抑制转子二阶弯曲模态。根据等效控制系统的阻尼特性,设计相位补偿器增加转子在一阶弯曲模态共振点附近的正阻尼,抑制转子一阶弯曲模态。考虑到转子存在较大的二阶柔性不平衡质量,根据最小电流控制准则,在转子穿越一阶弯曲临界转速之后启用同频陷波器,消除功放同频电流,避免磁轴承控制量过大造成功放电压饱和。试验结果表明,所设计的综合控制器有效抑制了转子的一阶和二阶弯曲模态,且转子在一阶弯曲模态处的最大位移振幅仅为轴承单边保护间隙的5%;最终转子成功穿越一阶弯曲临界转速,并稳定运行在转速34 000 r/min。     

主被动磁悬浮高速转子系统的自动平衡控制

针对主被动磁悬浮转子高速旋转时质量不平衡和被动磁轴承磁中心的偏移导致的同频振动力问题,提出了一种基于位移陷波加前馈补偿的自动平衡控制方法。首先,在转子为零位移控制状态下提取控制电流的同频成分,计算获得与被动磁轴承磁中心偏移相关的参变量;然后,在额定转速下设计通用陷波器以消除同频电流,前馈补偿主动磁轴承、被动磁轴承位移负刚度力和被动磁轴承磁中心偏移力,使主被动磁轴承的同频输出力为零,实现了转子绕惯性中心旋转。对提出的方法进行了仿真和实验验证并与仅补偿质量不平衡的算法进行了对比。仿真结果显示:提出的方法的同频磁轴承力减小到了只进行质量不平衡补偿算法的6%;实验结果显示:同频振动加速度减小到只进行质量不平衡补偿算法的23.3%。仿真和实验验证了该方法的有效性,表明该方法对同频振动抑制效果显著,实现了转子的自动平衡控制。     

主被动磁悬浮转子的不平衡振动自适应控制

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺转子高速旋转时产生的不平衡振动,提出了基于滑模观测器和陷波器的主被动磁悬浮转子不平衡振动自适应控制方法。该方法采用滑模观测器使同频振动的控制不受磁轴承的刚度参数摄动和磁力耦合的影响,将滑模观测器与陷波器结合,无需区分电流刚度力和位移刚度力,无需设计算法补偿功率放大器的影响,可自适应消除不平衡振动。对该方法进行了仿真和实验验证。仿真结果显示该方法可使同频轴承力大幅减小;实验结果显示,虽然主被动磁悬浮转子的被动轴承不可控,同频振动仍由0.053g减小为0.012g,减小了77%。得到的结果表明,该方法不仅适用于主被动磁悬浮转子,也适用于全主动磁悬浮转子。     

基于扰动观测器的反推控制在磁轴承中的应用

针对磁轴承转子系统在运行时因转子质量不平衡导致的同频扰动问题,提出了将反推控制算法和扰动观测器相结合形成一个复合控制器的控制策略.对磁轴承转子系统中的同频信号进行观测,并在输入信号中对同频扰动信号进行抑制.建立了转子动力学模型,设计了反推控制器和扰动观测器,通过MATLAB仿真,结果表明:该复合控制器比反推控制器对扰动...     

高速磁悬浮电动机对拖试验中转子不平衡量在线辨识与振动控制

针对高速磁悬浮电动机对拖试验中两台电动机转子轴不对中导致的转子不平衡振动加剧问题,提出一种基于简化广义陷波器的转子不平衡量在线辨识与振动控制方法,通过把联轴器之间的扰动力看作同频扰动,对电动机转子轴建立数学模型,采用简化广义陷波器对转子不平衡同频分量进行辨识作为位移补偿信号,使转子轴绕其惯性轴旋转,并使用广义根轨迹分析加入陷波补偿后磁轴承控制系统的稳定性和算法收敛性。电动机对拖试验结果表明:该方法有效地抑制了电动机转子轴的不平衡振动,保证了磁悬浮转子在对拖试验中高速稳定运行,在转子额定转速36 000 r/min时,转子位移跳动降低80%,控制电流峰峰值降低65%,同频振动减小为原来的28.7%,磁轴承系统的功耗也略有降低。     

磁悬浮高速转子基于位移刚度力超前前馈补偿的高精度自动平衡方法

磁悬浮转子高速旋转时产生与转速同频的不平衡振动,向外界传递振动力,干扰外部动力学环境。为消除同频不平衡振动力(即自动平衡),可采用消除同频电流与补偿位移刚度力相结合的轴承力消除方法,但磁轴承功放环节的低通特性使位移刚度力补偿存在误差,并降低系统稳定性,且上述影响随转速升高而显著增大。为增强自动平衡效果,提出一种基于位移刚度力超前前馈补偿的高精度自动平衡方法,在消除同频电流的同时,采用不平衡量—电流前馈以补偿同频位移刚度力,并引入功放的简化逆模型对前馈量进行超前校正,消除功放低通特性的影响。对该方法进行仿真和试验验证,仿真结果同频轴承力减小到无超前校正时的20%,试验结果同频振动加速度减小到无超前校正时的28%,验证了该方法的有效性。     

基于滑模扰动观测器的磁轴承主动振动控制

由于磁悬浮控制力矩陀螺转子的不平衡振动会造成控制力矩陀螺系统的同频扰动,影响卫星姿态控制精度与卫星载荷精度,本文提出了基于滑模变结构扰动观测器的磁轴承主动振动控制方法.首先,对不平衡扰动力和力矩作用下的磁轴承-转子系统进行建模;接着,设计了滑模变结构扰动观测器观测不平衡扰动力和力矩;然后,利用跟踪微分器估计位移传感器输出信号的微分获取速度信号,降低观测器的阶数;最后,将滑模扰动观测器的输出引入磁轴承控制器,对观测得到的同频不平衡扰动力和力矩进行补偿.仿真和试验结果均表明,设计的滑模变结构观测器实现了对不平衡扰动的观测,通过控制器有效地实现了对不平衡扰动的补偿,减少了72％的同频振动.     

重复控制在磁悬浮高速转子振动抑制中的应用

针对高速磁悬浮电机磁轴承的不平衡振动问题,分析了磁悬浮电机转子不平衡振动的周期性特性,建立了磁轴承不平衡力模型,提出了一种用于抑制高速磁悬浮电机磁轴承不平衡振动的插入式重复控制器,对闭环系统的稳定性、稳态性能和干扰抑制能力进行了分析,并进行了仿真和实验验证。在4kW磁轴承电机上进行的实验结果表明,该重复控制器有效地抑制了转子的不平衡振动,在10kr/min的转速下,转子x,y向位移峰峰值分别减小了33%和37%,转频处转子x,y向位移振动峰值分别减小了42.1%和45.4%,有效提高了磁悬浮轴承的控制精度和稳定性。     

基于最优控制的转子不平衡补偿的研究

磁悬浮转子高速运行过程中,不平衡振动是影响其运行动态品质的主要原因,由于振幅过大、功放饱和等问题,导致系统无法继续提升转速.文中介绍了永磁偏置磁轴承的工作原理和数学模型,在零电流原则基础上,研究了一种基于最优控制的高速磁悬浮转子不平衡振动补偿的方法.仿真结果表明,该方法在转子高速运转时有效地减小了磁轴承功放的控制电流和转子的振动,提高了系统的可靠性和稳定性,为进一步提高磁悬浮转子转速创造了条件.     

一种用于主动磁轴承不平衡补偿的切换控制法

为了改善主动磁轴承转子在质量不平衡影响下的动力学性能,本文提出了一种基于I&I控制法和自适应陷波滤波器不平衡补偿切换控制方法。首先,本文考虑了转子的质量不平衡,建立了三极磁轴承转子系统的动力学模型。然后,本文分别设计了适用于该系统的I&I参数更新律、控制律及自适应陷波滤波器,并设计了合适的切换点,实现了对磁轴承不平衡转子的切换控制。仿真结果表明,该控制方法结合了I&I控制法的高精度和自适应陷波滤波器的低铜损优势,能够在保证转子振幅不超出安全范围的同时获得较低的能量损耗。     

Model validation and controller design for vibration suppression of flexible rotor using AMB

This paper discusses the model validation and vibration suppression of an AMB flexible rotor via additional LQG controller. The main difficulty in the vibration suppression of the flexible rotor using AMB is to realize a controller that can minimize resonance without injuring the stabilized rigid modes. In order to solve this problem, simple scheme for system modeling and controller design are developed. Firstly, the AMB flexible rotor is stabilized with a PID controller, which leads to a new stable rotor-bearing system. Then, authors propose the model validation procedure using measured open-loop frequency responses to obtain an accurate model of the AMB flexible rotor system. After that, LQG controller with modal weighting is designed to suppress resonances of the stable rotor-bearing system. Due to the poor controllability and observability of flexible modes compared to rigid ones, balancing of two Gramians is prerequisite for the fair LQG controller design. Simulation with step disturbance and experimental results of unbalance response up to 10,000 rpm verified the effectiveness of the proposed scheme.     

基于平均功率平衡控制的磁悬浮分子泵电力失效补偿方法

高速磁悬浮涡轮分子泵（Turbo Molecular Pump, TMP）因其高能量密度、微振动、无需润滑等优点被广泛应用于工业领域,但外部电源失效时,高速转子跌落后与保护轴承产生剧烈撞击和摩擦,将给系统带来致命损害。针对以上问题,提出一种基于平均功率平衡法的电力失效补偿控制（Power Failure Compensation Control, PFCC）方法。首先,设计电机能量回馈电路;其次,对Buck-Boost变换器进行数学建模,设计一种双环非线性控制器,其中电流内环使用滑模控制,电压外环使用平均功率平衡控制（Average Power Balance Control, APBC）,并利用Lyapunov函数推导出系统的稳定性条件;最后,通过搭建磁悬浮分子泵PFCC实验平台,对所提出的方法进行实验验证。结果表明：本文所提出的方法具有快速响应和输出鲁棒性,磁悬浮转子由额定转速21000 r/min降至3900 r/min时跌落,电机能量转化效率为96.6%,提高了磁轴承系统的安全性。     

Unbalance vibratory displacement compensation for active magnetic bearings

As the dynamic stiffness of radial magnetic bearings is not big enough,when the rotor spins at high speed,unbalance displacement vibration phenomenon will be produced.The most effective way for reducing the displacement vibration is to enhance the radial magnetic bearing stiffness through increasing the control currents,but the suitable control currents are not easy to be provided,especially,to be provided in real time.To implement real time unbalance displacement vibration compensation,through analyzing active magnetic bearings(AMB) mathematical model,the existence of radial displacement runout is demonstrated.To restrain the runout,a new control scheme-adaptive iterative learning control(AILC) is proposed in view of rotor frequency periodic uncertainties during the startup process.The previous error signal is added into AILC learning law to enhance the convergence speed,and an impacting factor influenced by the rotor rotating frequency is introduced as learning output coefficient to improve the rotor control effects.As a feed-forward compensation controller,AILC can provide one unknown and perfect compensatory signal to make the rotor rotate around its geometric axis through power amplifier and radial magnetic bearings.To improve AMB closed-loop control system robust stability,one kind of incomplete differential PID feedback controller is adopted.The correctness of the AILC algorithm is validated by the simulation of AMB mathematical model adding AILC compensation algorithm through MATLAB soft.And the compensation for fixed rotational frequency is implemented in the actual AMB system.The simulation and experiment results show that the compensation scheme based on AILC algorithm as feed-forward compensation and PID algorithm as close-loop control can realize AMB system displacement minimum compensation at one fixed frequency,and improve the stability of the control system.The proposed research provides a new adaptive iterative learning control algorithm and control strategy for AMB displacement minimum compensation,and provides some references for time-varied displacement minimum compensation.     

电磁轴承功率放大器参数设计

由于功率放大器处于电磁轴承系统的执行环节,其动态性能将直接影响系统的性能。为了提高电磁轴承系统的性能,针对电流响应速度、力的响应速度、同频允许的最大振幅和不平衡量控制等指标,以采用最小脉宽开关功率放大器的电磁轴承系统为例,从系统的频响角度出发,分析了满足实际工况下功率放大器参数设计要求。从而在保证系统运行性的同时,通过合理设计功率放大器的主要个数,节省设备制造成本。在经过理论分析和仿真试验之后,给出一些设计的实例,从而对实际电磁轴承功率放大器的设计提供了指导依据。     

基于滑模观测器的永磁同步电机模型预测电流控制研究

针对永磁同步电机无位置传感器高动态性能控制问题,对传统矢量控制存在电流内环PI控制器对系统性能的影响以及传统滑模观测器中动态转子位置角估计不准、稳态转速估计不精确等观测器性能进行了改进,提出了一种基于改进滑模观测器的永磁同步电机模型预测电流控制方法。根据永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型,选择了电机d、q电流作为状态变量,利用前向欧拉法推导出永磁同步电机d、q轴电流的预测模型。通过实时评估价值函数选出使得下一时刻电流跟踪效果最好的电压矢量,将其对应的开关状态作用于逆变器。同时,推导表贴式永磁同步电机的滑模观测器模型并对其观测出的转子位置角和转速进行补偿,得到较为精确的估算值。最后将算法在Matlab/Simulink进行了仿真试验。研究结果表明:所提出的控制方法动态性能好、稳态精度高。     

基于复数相移陷波的磁悬浮转子系统自平衡控制

为抑制磁悬浮转子系统的不平衡振动力,提出了一种基于复数相移陷波器和前馈控制的自平衡控制算法。介绍了磁悬浮转子系统的结构和工作原理,给出了含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学模型,分析了不平衡振动力的电气特性。推导了不平衡振动力的抑制条件,指出功率放大器引起的幅值和相位误差是影响不平衡振动抑制效果的主要因素。将磁悬浮转子两自由度平动方程转换为单自由度复数方程,设计了复数相移陷波器,建立数学方程并讨论了中心频率的幅值和相位特性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台,对提出的控制算法进行了实验验证。结果表明:采用该算法后不平衡振动力减小了94.1%,验证了该算法的有效性。此外本算法还具有动态过程平滑、计算量少等优点。     

基于双频Bode图的磁悬浮控制力矩陀螺转子弹性自激振动抑制用陷波器设计

由于强陀螺效应和控制系统的高频滞后,磁悬浮控制力矩陀螺转子存在高频弹性自激振动,需要采用陷波器（Notch Filter－NF）进行相位校正和抑制,但是目前仍然缺乏有效的NF参数设计方法。本文提出一种基于双频Bode图的NF参数设计方法,采用双频Bode图分析转子弹性模态稳定性,得出不同转子转速下对NF相位校正角的要求,然后在保证转子章动稳定性的前提下优化设计NF参数。采用该方法设计的NF有效抑制了转子的弹性自激振动,使所研制的磁悬浮控制力矩陀螺稳定升速到20000r/min,验证了该方法的实用性和有效性。     

电磁轴承及其系统设计方法

电磁轴承是磁悬浮原理在机械领域中的一个应用实例,其工作机理是依靠电磁力使转子非接触地“支承”于轴承体内,有运动阻力小、无接触摩擦和磨损、功耗低以及寿命长等优点。国外在这方面已有成熟的产品应用于生产实际。介绍了电磁轴承及其系统设计的特点、系统控制器的设计方法、刚性转子系统的设计方法和柔性转子系统的动力学设计方法,并提供了几个实际设计的数据和部分试验结果。