主动电磁轴承-刚性转子系统振动主动控制

发布时间：2020-05-13 06:03

【摘要】：主动电磁轴承可以为转子提供一种无接触支承结构,具有无机械摩擦、无需润滑等特点,同时还可以通过控制策略对转子系统的特性进行主动控制。目前,主动电磁轴承已成为如高速电机、高速飞轮储能等高速旋转机械设备中的主要支承单元。本文旨在对主动电磁轴承-刚性转子系统振动的主动控制进行研究。首先,介绍了主动电磁轴承-刚性转子系统的工作原理和系统组成,并对主动电磁轴承径向电磁力进行了线性化建模。然后在对平面二自由度单盘转子(平面转子)模型进行分析的基础上,建立了含有转子不平衡的径向四自由度主动电磁轴承-刚性转子系统的动力学模型,理论上研究了主动电磁轴承-刚性转子系统的稳定性、不平衡振动及多频振动主动控制策略。针对主动电磁轴承-刚性转子系统的稳定性控制,提出了分散PID控制和线性状态反馈反馈解耦控制策略。首先,针对目前主动电磁轴承-刚性转子系统的分散PID控制器参数缺少整定过程和设计依据的问题,基于PID控制器参数对转子运动特性影响的分析,给出一种分散PID控制器的设计方法,为分散PID控制提供参数选取依据。然后,针对转子系统陀螺耦合影响,提出了一种基于线性状态反馈解耦的控制策略。最后,通过仿真对两种稳定性控制策略的有效性进行了验证。针对主动电磁轴承-刚性转子系统的不平衡振动控制,研究了一种基于不平衡系数辨识的不平衡振动位移控制策略,实现了转子振动位移最小化。首先分析了补偿电流的具体形式同时定义了不平衡系数,然后给出了不平衡系数辨识方程并分析了闭环系统的稳定性,建立了磁悬浮飞轮储能仿真模型对该不平衡振动位移控制算法进行了恒转速、恒加速以及抗噪声能力的仿真验证。针对主动电磁轴承-刚性转子系统的多频振动问题,首先给出了多频振动的抑制方法同时定义了多频电流系数,提出了一种基于变步长三角形迭代搜索的多频电流系数辨识算法,然后采用了在多个频率点执行同样的单频振动控制的方法组成多频电流控制器,实现控制电流最小化并有效降低转子的多频振动的方案,最后以磁悬浮高速电机转子系统为模型,分别在恒转速、恒加速以及抗噪声能力方面证明了其有效性;最后,在以dSPACE为核心的磁悬浮高速电机和磁悬浮飞轮储能实验平台上,分别完成主动电磁轴承-刚性转子系统的稳定性、不平衡振动以及多频振动控制的实验验证。
【图文】：

刚性转子系统,电磁轴承,组成框图,控制器

主动电磁轴承－刚性转子系统是涵盖机械、电气以及计算机等领域的复杂机电一体化系逡逑统，其结构包含了：由定、转子构成的机械部分，以及由控制器、功率放大器、位移传感逡逑器传感器（和速度传感器）以及电磁轴承等构成的电气部分。图２－１为典型的径向四自由度主逡逑动电磁轴承－刚性转子系统。在该系统中，永磁轴承承担对转子轴向运动的约束，其转动由逡逑变频器驱动，因此想要使该系统稳定悬浮，必须对剩余的四个径向自由度进行有效控制。逡逑当转子的实时位置与目标位置存在偏差时，控制器会接收由位移传感器传回的转子实时位逡逑置信号，并按照设定算法发出控制信号，经由功率放大器放大后驱动电磁轴承，调节电磁逡逑力的大小，从而对转子位置进行实时修正，使其可以在理想位置处稳定的悬浮。逡逑推力盘逡逑径向电磁轴承逦轴向永磁径向电磁轴承逡逑区｜逦Ｓ邋区逡逑逦逦逡逑逦ａ邋—逡逑ｇ￣＾逦￣邋￣逦＾￣＾速度传感器逡逑位移传感器丫邋Ｘ逦＾逦Ｘ邋丫位移传感器逡逑人功率放大器／＼逡逑逦？控制器＊逡逑图２－１．主动电磁轴承－刚性转子系统组成框图逡逑（１）控制器逡逑控制器是保证转子可以在期望位置渐进稳定的关键，是主动电磁轴承系统的功能核心。逡逑控制器除保证系统稳定外，还具有调节系统阻尼、刚度、转子位置精度以及振动响应的功逡逑能

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所以一般采取线性化模型来近似。因此在建立主动电磁轴承－刚性转子系统的数学模型前，逡逑对电磁轴承的电磁力进行推导，并在工作点附近对其进行线性化建模。逡逑当电磁轴承结构为图２－２所示的八极Ｃ型电磁轴承时，转子在某一自由度的运动将由逡逑对置的两对磁极共同控制，通常采用图２－３所示的差动驱动控制。所谓差动控制即一端磁逡逑极的驱动电流为偏置电流／0和控制电流＆之和（／0＋／ｘ），其对端的驱动电流为／0与＆之差（／0－＆）。逡逑不仅可以使电磁轴承具备产生正向和反向作用力的能力，还可以减小工作点漂移、工作温逡逑度等因素对电磁力控制的影响。逡逑（１）电磁力表达式逡逑以图２－３为例，假定电磁轴承中，转子表面与任何磁极间都具有相同的磁感应强度，逡逑漏磁与铁心磁化的影响可以忽略，气隙为ｃｏ，，磁极横截面积为尤真空磁导率为凡，每对逡逑定子极上的线圈匝数均为２？，得磁感应强度为逡逑５邋＝邋＾．＾邋＝邋＾—逦（２．１）逡逑２ｃ０邋ｃ０逡逑由于电磁轴承采用八极Ｃ型结构，因此周向磁极呈均匀排布，定子中轴线和磁极中心逡逑线间的夹角为ａ
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH113

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