针对主动磁轴承转子周期性振动的控制策略研究

发布时间：2020-07-27 11:16

【摘要】：磁悬浮轴承是一种新型非接触式支撑元件,广泛用于机械加工、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域,被公认为极有前途的新型轴承。然而,由于材料质量分布不均及加工误差等原因,导致转子质量分布不均,旋转时将产生周期性振动,严重影响转子系统的性能及安全运行。因此,抑制磁轴承转子的周期性振动,是提高系统运行精度的关键所在,也是本文研究的重点。针对高速磁悬浮电机转子的周期性振动问题,本文的研究思路是:通过对磁轴承系统进行分析,建立磁轴承系统模型及转子周期性振动模型。从磁轴承转子周期性振动产生的原因入手,提出抑制周期性振动的控制策略,并通过仿真进行验证。为了进一步验证该控制策略的有效性,设计磁轴承数字控制器,对其进行试验验证。目前,本文已完成控制策略的仿真验证、数字控制器的设计及其实用性验证,尚未对本文所提出的控制策略进行试验验证,具体研究内容如下:(1)阐述了磁轴承系统的工作原理,介绍了一种主动磁轴承的机械结构,分析了磁轴承转子悬浮力特性,搭建了磁轴承系统数学模型。建立了磁轴承转子不平衡力模型,分析了转子的周期性振动特性。(2)提出将线性自抗扰控制策略与重复控制策略相结合应用于磁轴承控制系统。分别介绍了线性自抗扰控制器及重复控制器的工作原理,将两种控制器相结合构成复合控制器,根据两种控制器位置的不同,形成的复合控制器具有两种组合结构:嵌入型与并联型。对嵌入型与并联型复合控制结构进行了详细的对比,以提高系统的抗扰动能力为侧重点完成了对复合控制器结构的选型,并整定了控制参数。(3)建立了基于复合控制结构的磁轴承控制系统数学模型,并进行了仿真验证。仿真结果表明,复合控制器不仅具有线性自抗扰控制器的稳态性能,而且能够有效抑制转子的周期性振动,在10kr/min的转速下,对转子施加幅值200N、与转速同频的周期性扰动,转子周期性振动的峰值减小了69.2%。(4)设计了基于TMS320F28335的磁轴承数字控制器,以PID控制策略为核心算法进行了高速磁悬浮电机的静态悬浮实验,实现了转子在平衡位置的稳定悬浮,验证了本文所设计的数字控制器的实用性。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.3;TP273
【图文】：

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第 2 章磁轴承系统数学模型的建立与转子振动分析轴承转子的周期性振动来源于电机本身，因此，本章将从根本出发，对工作原理、机械结构进行介绍，通过对转子悬浮力特性进行分析，搭建学模型及转子不平衡离心力模型，研究其振动产生机理，为磁轴承控制基础。轴承的工作原理与结构特点磁轴承的工作原理整的磁轴承系统包括转子、位移传感器、控制器、功率放大器和电磁铁示意图如图 2.1 所示。沈阳工业大学硕士学位论文

磁轴承,电工钢片

图 2.2 磁轴承结构简图Fig.2.2 Structure diagram of magnetic bearing子系统采用传统的五自由度磁轴承结构。在转子由度且正交，一般沿水平与竖直方向。在转子轴统的稳定运行，电磁铁均采用差动结构。当电机时，控制器能够迅速做出反应，通过改变差动电定悬浮。磁悬浮电机的定子绕组与普通电机基本。为了减轻转子质量，对电机主轴进行掏空处理。结构作用是控制转子在径向方向上的运动，本文所研其结构上包含转子和定子。与电动机减小磁滞损耗采用基于电工钢片的叠片式结构。同时，为了减间通过隔磁间隙进行隔离，隔离处通过安装螺孔电工钢片，故采用这种结构能够对相邻磁极对之

径向磁轴承,轴向磁轴承,转子

图 2.3 径向磁轴承结构简图Fig. 2.3 Structure diagram of radial magnetic bearing结构作用是控制转子在轴线方向上的运动，其电磁力轴向磁轴承结构如图 2.4 所示。图 2.4 轴向磁轴承结构简图Fig. 2.4 Structure diagram of axial magnetic bearing为转子推力盘，2 为轴向磁轴承定子绕组，3 为轴向感器检测面，6 为轴向磁轴承定子。

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