[发明专利]一种磁悬浮旋转机械的不平衡量辨识与振动抑制控制系统

说明书

技术领域

本发明一种磁悬浮旋转机械的不平衡量辨识与振动抑制控制系统，可以用于磁悬浮转子的高精度自动平衡，尤其适用于磁悬浮高速电机等细长型的转子。

背景技术

磁悬浮轴承是一种新型高性能轴承，利用可控电磁场把转子稳定悬浮于给定位置，具有无接触、无摩擦、无需润滑、高精度、长寿命和阻尼刚度主动可控等优点，是转子系统的理想支撑方式，现已广泛的应用于工业、军事和航空航天等领域。

由于机械加工精度的原因，不可能做到转子的质量分布在几何上绝对均匀，导致其几何轴和惯性轴不重合。而离心力的大小与转速平方成正比，因此，转子在高速旋转时即使很小的偏差也会产生很大的离心力，进而降低支撑精度、限制转速的提高、引起振动，所以会缩短磁轴承的使用寿命且产生噪声。故磁轴承转子系统的不平衡振动抑制是磁轴承控制技术中的一项核心技术。

磁悬浮转子系统的不平衡振动方法可以大致分为两类：惯性主轴同频位移消除方法和同频轴承力消除方法，简称位移消除和力消除。

位移消除法通常也称在线动平衡法，通常是采用对转子轴加重或去重使其几何轴与惯性轴重合，该方法实现起来复杂，需要投入大量的人力和物力，且当转子有微小的变化时，前期的工作就失效了，得重新平衡，故该方法不利于大范围的推广使用，现只使用在要求转子轴有很高的指向精度或机械轴承支撑的大功率电机等。力消除法是利用磁轴承与转子的支撑间隙，滤除位移信号中的同频分量，在对其位移刚度力进行补偿，使转子轴绕其惯性主轴旋转，进而抑制转子的不平衡振动，其核心技术就是对不平衡分量的辨识，主要方法包括：广义陷波器、神经网络自学习算法，LMS算法等。同频电流极小化法虽然对不平衡振动有很强的抑制能力，但是该方法无法消除磁轴承位移刚度引起的同频轴承力。为完全消除同频轴承力，专利ZL200710176720“一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统”在同频电流极小化的基础上增加一个从位移到电流的补偿通路（补偿通路的增益为位移刚度与电流刚度之比），从而使转频处的同频振动力趋于零，实现磁悬浮飞轮转子绕惯性主轴旋转。这种方法用于低速转子时可以对不平衡力进行很好的抑制，但对于高速转子，由于磁轴承控制系统功放环节的低通特性显著，使用该方法对位移刚度力补偿存在很大的高频衰减和滞后，补偿精度大幅度下降。上述影响随着转速的升高而显著增大，降低了不平衡振动的抑制效果，因此，该方法不能满足对高速磁悬浮电机不平衡振动的有效抑制。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有高速磁悬浮转子不平衡振动抑制方法的缺陷，提供一种基于坐标变换的新型陷波器对位移中的同频分量在线实时辨识，在前馈补偿通道中引入磁轴承功放的简化逆模型，消除磁轴承功放的低通特性对位移刚度力补偿精度的影响，实现高速磁悬浮转子的不平衡振动抑制。

本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮旋转机械的不平衡量辨识与振动抑制控制系统，包括控制器、功放、电磁铁转子、位移传感器、新型陷波器、前馈补偿。其中位移传感器实时检测电磁铁转子的位置，将转子位移量转化为电压信号输出；新型陷波器模块接收位移传感器的输出信号，辨识出位移信号中的同频振动信号，作为电流刚度力和位移刚度力补偿的输入信号；前馈补偿模块通过引入功放的逆模型，在功放输入端叠加适当的控制信号，使功放产生一个电流信号，该电流刚度力正好可以补偿位移刚度力；控制器接收参考输入信号，位移反馈信号和同频位移补偿信号，运行磁轴承稳定控制算法，产生不含同频分量的控制信号；磁轴承功放在控制器产生的非同频控制信号与前馈补偿产生的同频位移信号的驱动下，输出电流信号对电磁铁转子施加主动控制，实现转子的稳定悬浮并使不平衡振动力近似为零。

所述不平衡量辨识模块是采用基于坐标变换法的新型陷波器将位移信号中的同频分量提取出来，同频位移信号一方面叠加在控制器的输入端，从而滤除控制器⑴输出部分的同频分量，使功放不会产生同频电流，进而不会产生同频电流刚度力；另一方面通过在前馈补偿中引入功放的简化逆模型，利用辨识出来的同频分量产生补偿信号，经过运算以后产生控制信号，使功放产生同频补偿电流，从而通过电流刚度力补偿位移刚度力，使不平衡振动力最小或者趋向于零。

所述的不平衡量辨识模块是采用基于坐标变换法的新型陷波器实现，其实现原理具体为：首先利用传感器实时获取转子的转速，进而产生坐标变换阵T(Ωt)，将在传感器坐标系下测量得到的转子几何中心M的位置信号转换到转子坐标系下(该坐标系的原点在转子的惯性轴上，与转子固连，相对传感器坐标系以转子的转速旋转)，如下式所示：