主动磁悬浮轴承系统不平衡振动补偿研究

发布时间：2020-09-04 14:40

　　在主动磁悬浮轴承系统中，由于转子存在不平衡，会产生与转速同频的不平衡振动。为了减小这些同频振动对主动磁悬浮轴承系统的不利影响，本文进行了惯性力最小和位移最小振动补偿研究。针对惯性力最小振动补偿，主要是通过消除反馈位移信号中的同频振动来减弱主动磁悬浮轴承系统的控制电流，控制电流的减小有利于降低磁悬浮轴承定子的电磁力以及对转子的约束力，使转子在离心力作用下尽可能地绕其惯性主轴转动，最终达到减小转子惯性力以及磁悬浮轴承电磁力的目的。本文先后采用了三种惯性力最小补偿策略，首先，在标准LMS算法自适应滤波的基础上，提出了在固定频率处的惯性力最小切换补偿策略，即在主动磁悬浮轴承原反馈控制系统中添加标准LMS算法作为滤波器，通过切换有效消除反馈位移信号中对应某些固定转动频率的同频振动，实现了转子在300Hz和400Hz转动频率处的惯性力最小切换补偿，补偿后的控制电流幅值相对于未加补偿时分别衰减了大约90%和95%；然后，为了实现实时惯性力最小补偿，即在转动频率连续变化时实现惯性力最小补偿，论文提出了一种变步长LMS算法，其核心是提供时变的前馈信号来补偿位移反馈信号中的同频振动，与未加补偿相比，补偿后的控制电流幅值在转动频率为300Hz时衰减了97.4%，且转动频率越高补偿效果越明显；考虑到前两种补偿策略对主动磁悬浮轴承原控制系统存在干扰影响，论文又提出了一种将H∞算法和一种新的改进变步长LMS算法相结合的惯性力最小实时前馈补偿策略，提高了控制系统的抗干扰能力和鲁棒稳定性，转动频率达到300Hz时，补偿后的控制电流幅值同样衰减了97.4%，且转动频率越高补偿效果越好。针对位移最小振动补偿，考虑到转子启动以及停车过程中不平衡振动信号的周期是变化的，论文提出了一种基于自适应迭代学习控制算法的位移最小前馈补偿策略，该算法可以自适应地提供所需的不平衡补偿信号，以便减小由于算法学习周期不一致而对主动磁悬浮轴承控制系统造成的干扰，研究结果表明所提补偿策略实现了系统在固定转动频率处的位移最小补偿，显著减小了转子径向跳动，补偿后转子径向跳动较未加补偿时衰减了91.3%。观察到主动磁悬浮轴承系统存在拍振现象，从理论上分析了主动磁悬浮轴承系统参数与拍振的内在关系，研究结果表明，通过改变主动磁悬浮轴承系统广义动刚度能够有效减弱拍振对控制系统的不利影响。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TH133.3
【部分图文】：

原理图,主动磁悬浮轴承,原理

第一章绪论1.1 主动磁悬浮轴承概述与传统的轴承相比，主动磁悬浮轴承系统由于具有无机械接触、无摩擦磨损、无需润滑刚度和阻尼可调、可补偿系统的不平衡振动等优点而被广泛应用[1-3]。1.1.1 主动磁悬浮轴承工作原理及主动控制特点主动磁悬浮轴承与磁悬浮列车原理基本相同，是一个比较复杂的机电一体化系统，其主特征就是通过反馈控制系统使转子在电磁力作用下稳定悬浮于磁悬浮轴承的定子中心，并且证转子与磁极无接触。若要保证转子稳定悬浮，就必须限制其在空间五个自由度上的运动，仅保留转子绕轴向的自由转动，图 1.1 给出其工作原理。

框图,闭环反馈,补偿控制,框图

效果是相反的，也就是说在主动磁悬浮轴承系统中不能同时实现惯性衡振动补偿控制策略外研究来看，针对惯性力最小补偿或者位移最小补偿，基本上是采用是在闭环控制回路中加入合适的滤波算法将不平衡信号自适应地滤除外添加合适的前馈信号来补偿不平衡力、控制电流或者位移。下面针阐述国内外研究的控制策略。力最小补偿控制策略最小补偿是最早研究的，也是最容易实现的[3]。惯性力最小补偿可认因为其主要目的是通过减小控制电流幅值来降低磁悬浮轴承对转子的作用下尽量绕其惯性主轴转动。惯性力最小补偿又可分为闭环反馈和给出主动磁悬浮轴承系统惯性力最小补偿中的闭环反馈补偿控制框图

框图,前馈补偿,开环,控制框图

K[43]利用 LMS 算法实现了单自由度磁悬浮轴承的补偿控制，另外，美国]、美国海军学院 Wtkins J[45]等也利用 LMS 算法做了相应的惯性力最小华大学张德魁[46]、南京航空航天大学王磊[29]等也做了 LMS 算法在磁悬中的应用研究。开环前馈补偿，图 1.3 给出了对应几个位置的补偿控制框图。

【引证文献】