[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

摘要

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，包括不平衡量辨识模块、不平衡力补偿模块、磁轴承功放、电磁铁转子和位移传感器。本发明在磁悬浮转子稳定控制的基础上，通过基于坐标变换的新型陷波器对磁轴承不平衡量在线辨识，辨识量一方面用来补偿同频电流刚度力；另一方面根据辨识量产生适当的同频电流刚度力补偿同频位移刚度力，且在前馈通道中通过引入磁轴承功放的简化逆模型，消除功放的低通特性对同频位移刚度力补偿精度的影响。当磁悬浮转子高速旋转时，大幅降低了同频轴承力，磁悬浮转子的不平衡振动得到了显著的抑制。本发明简便易行，特别适合于实际的高速磁悬浮转子系统。

主权项

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，其特征在于：包括控制器(1)、磁轴承功放(2)、电磁铁转子(3)、位移传感器(4)、不平衡量辨识(5)和前馈补偿(6)；其中位移传感器(4)实时检测电磁铁转子(3)的位置，将转子的位移量转化为电压信号输出；不平衡量辨识模块(5)接收位移传感器(4)输出的位移信号，通过基于坐标变换法的陷波器辨识出位移信号中的同频振动信号，作为产生补偿电流刚度力和位移刚度力的输入信号；在前馈补偿(6)通道中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，使磁轴承功放(2)产生一个电流信号，该电流信号正好可以补偿位移刚度力；控制器(1)接收参考输入信号，位移信号和同频振动信号，运行PID控制算法，产生控制信号；磁轴承功放(2)接收控制器产生的非同频控制信号与前馈补偿(6)产生的同频位移刚度力补偿控制信号输出电流信号对电磁铁转子(3)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；所述不平衡量的辨识是基于坐标变换法的陷波器实现，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，如下式所示：$\left[\begin{array}{c}{x}_r\\ y_r\end{array}\right]=T\left(\mathrm{\Ω}t\right)\left[\begin{array}{c}{x}_s\\ y_s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos(\mathrm{\Ω}t+\mathrm{\θ})& -sin(\mathrm{\Ω}t+\mathrm{\θ})\\ sin(\mathrm{\Ω}t+\mathrm{\θ})& \cos (\mathrm{\Ω}t+\mathrm{\θ})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_s\\ y_s\end{array}\right]$其中[x_s y_s]^H为几何中心M在传感器坐标系下测量的位置值，[x_r y_r]^H为几何中心M在转子系下的坐标值，Ω为转子旋转的角速度，t为时间，θ为初始相位；转子的几何中心M在传感器坐标系下的运动轨迹为圆，将转子的几何中心M在传感器坐标系下的位置信号转换到转子坐标系下，则转子的几何中心M在转子坐标系下位置信号将是一个常值，通过低通滤波器提取出转子的几何中心M在转子系下的位置信息，低通滤波器的传递函数G(s)为：$G\left(s\right)=\frac{1}{\frac{1}{2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}f}s+1}$其中△f为低通滤波器的带宽，s为拉普拉斯算子；滤波得到的直流信号经过坐标反变换，又变为了交流信号，而这个交流信号也就是与转速同频的振动信号，即实现了同频振动信号的辨识，如下式所示：$\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_c\\ {\hat{y}}_c\end{array}\right]=\hat{T}\left(\mathrm{\Ω}t\right)\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_r\\ {\hat{y}}_r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos(\mathrm{\Ω}t+\mathrm{\θ})& sin(\mathrm{\Ω}t+\mathrm{\θ})\\ -sin(\mathrm{\Ω}t+\mathrm{\θ})& \cos (\mathrm{\Ω}t+\mathrm{\θ})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_r\\ {\hat{y}}_r\end{array}\right]$其中为[x_r y_r]^H经过低通滤波器后提取出的直流信号值，为同频振动信号，为矩阵T(Ωt)的逆。