CN101699752A - 基于转速的磁悬浮轴承柔性转子系统变参数控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于转速的磁悬浮轴承柔性转子系统变参数控制方法，属于磁悬浮技术领域。系统包括转子、径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、内置高频电机、磁悬浮轴承数字控制器、电机驱动系统和转速测量装置。其特征在于：将转速信号引入磁悬浮轴承数字控制器；在不同转速区段，磁悬浮轴承数字控制器选择不同的PID控制参数。
Description
技术领域
基于转速的磁悬浮轴承柔性转子系统变参数控制方法，属于磁悬浮技术领域。
背景技术
和传统轴承相比，磁悬浮轴承与转子无接触，支承功耗小，使用寿命长；不需要润滑和密封，可长期用于高低温等特殊环境中；维护费用低、便于主动控制等等，因而被认为是支承技术的一次革命，是目前唯一投入实用的主动支承装置。磁悬浮轴承主要用于刚性转子系统，由于旋转机械高速、重载、细长发展的要求，现正逐步扩展到柔性转子系统。
但是，国内外相关研究结果表明，将磁悬浮轴承运用于柔性转子系统存在着较大的困难。主要原因是磁悬浮轴承的等效刚度和阻尼受整个转速范围内控制参数稳定区域的限制，一般比动压滑动轴承小2～3个数量级。在系统接近或越过弯曲临界转速时，因阻尼过小，转子振幅过大，容易导致系统破坏。因此，针对柔性转子系统的研究一直是该技术领域的热点和难点。
为了减小磁悬浮轴承柔性转子系统的振动，国内外许多文献从两方面进行了研究。一是采取同步振动抑制技术，二是运用现代控制理论或鲁棒控制理论设计控制方案以提高支承阻尼。
但是同步振动抑制技术难以解决柔性转子系统的不平衡振动问题。这是由于转速接近弯曲临界转速时，转子将产生明显的弯曲变形，不平衡质量所引起的振动与转子弯曲变形状态有关，远比刚性转子系统复杂，因此目前同步振动抑制技术主要针对刚性转子系统。
运用现代控制理论或鲁棒控制理论设计合适的控制方案可以改善系统的动态性能，但目前尚不能做到大幅度提高系统在亚临界及超临界运行时的支承阻尼，而且算法过于复杂，可实现性较差。2000年轴承制造著名企业日本“光洋株式会社”研发中心研究人员Hirochika Ueyama在瑞士举办的第7届磁悬浮轴承国际会议上发文认为，“尽管一些公开文献表明，采用现代控制理论(LQG、H∞、μ理论等)能够解决这个问题，但这仍然是一个具有挑战性问题。为了避免这个问题，相关实际应用项目采用刚性转子结构”(Hirochika Ueyama，Helium Cold Compressor with ActiveMagnetic Bearings，Proc.of the 7th Int.Symp.on Magnetic Bearings，Zurich，Switzerland，August 2000，1～6)。
发明内容
本发明的目的，在于将磁悬浮轴承运用于柔性转子系统，即提供一种算法简单并满足柔性转子系统所需低频及高频特性的磁悬浮轴承控制方法。
磁悬浮轴承柔性转子系统包括转子、径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、内置高频电机、磁悬浮轴承数字控制器、电机驱动系统和转速测量装置。其特征在于：将转速信号引入磁悬浮轴承数字控制器；在不同转速区段，磁悬浮轴承数字控制器选择不同的PID控制参数。
由于被控对象复杂，单一的PID控制参数难以同时满足磁悬浮轴承柔性转子系统所需的低频及高频特性，使得磁悬浮轴承支承刚度及阻尼较小，系统不易越过弯曲临界转速。而采用同步振动抑制技术或基于现代控制理论的控制方案尚不能大幅度提高系统在亚临界及超临界运行时的支承阻尼，并且算法复杂，可实现性较差。为了简化算法并适应柔性转子系统的控制要求，本发明将转速信号引入磁悬浮轴承数字控制器，在不同转速区段选择不同的PID参数控制径向磁悬浮轴承，目的是使得柔性转子系统能够在不同的转速下，特别是越过弯曲临界转速时，都能具有较合适的支承刚度和阻尼，保证系统安全稳定越过第一阶弯曲临界转速。
同时，本发明与其他现有研究的不同主要在于“引入转速信号，在不同转速区段，数字控制器选择不同的控制参数”，至于在什么转速时应该改变参数、参数是增加或减小、参数的变化范围均和具体系统有关，可由理论分析获得，属于现有知识。
附图说明
图1为磁悬浮轴承柔性转子系统的机械结构图。
图1中标号名称：1为轴向传感器组件(两端)，2、7为径向磁悬浮轴承组件，3为基座，4为轴向磁悬浮轴承组件，5为高频电机组件，6为转子组件。图2为系统的前4阶模态振型。图3和图4分别为不同控制参数下，第71结点处转子不平衡响应的计算结果。图5和图6分别为不同控制参数下，第71结点处转子同频振动的测量结果。
具体实施方式
首先，根据理论分析和试验模态分析的结果预先在数字控制器中设置不同转速区段对应的合适PID控制参数。
其次，获取转速信号，并引入磁悬浮轴承数字控制器。将箔片贴在转子表面，转子旋转时，与转速同频的箔片反射信号通过光电传感器和二次变换电路转化为电压方波信号，数字控制器的EV模块捕获单元对电压方波信号进行计数，即获得转子的实时转速信息。
最后，根据转子的转速，数字控制器选择对应的PID控制参数，各自由度的控制时间由CPU定时器的中断周期决定。
系统的前4阶临界转速和模态振型
采用集总参数法建立系统的数学模型。将转子简化为具有79个集总质量及集总转动惯量的结点模型，各结点间用不同的无质量等截面弹性轴段来连接，两个径向磁悬浮轴承位置分别位于第6结点和第74结点处，系统运动微分方程可以表示为：
式中，M、K、C分别为系统的质量矩阵，刚度矩阵和阻尼矩阵。状态变量为
其中xi，yi，
ψi(i＝1，2，...，79)分别表示转子第i个结点在x轴和y轴方向的线位移以及绕y轴和x轴的角位移。根据系统运动微分方程即可求出特征值和特征向量，进而确定系统的各阶临界转速和模态阵型。
两个径向磁悬浮轴承的控制参数相同，比例系数kp＝1.6，积分系数ki＝1.143，微分系数kd＝0.12，微分时间常数Td＝0.06s。根据自编程序计算系统前4阶临界转速分别为：1442rpm、2259rpm、5294rpm、10900rpm，对应的各阶模态阵型如图2所示。
从计算结果可以看出，系统在1442rpm和2259rpm附近分别出现平动和锥动两个振动模态，在5294rpm和10900rpm附近分别出现第一阶和第二阶弯曲振动模态。
系统的不平衡响应
当系统可近似看作线性系统时，转子各结点振动相似，相位相同。因此可通过分析转子某一结点(非振型结点)的振动获得转子的整体振动情况。
对系统进行不平衡响应分析，必须已知转子不平衡量的大小及其分布规律。然而对一个转子而言，这些量却是未知的。因此不平衡响应分析主要用于研究转子对在某些位置上不平衡量的敏感程度，或者在给定不平衡量情况下，通过计算在不同转速下的不平衡响应，来确定转子的临界转速。
控制参数如表1所示。在分析1中采用第1组控制参数，在分析2中采用第2组控制参数，在分析3中，当转速小于4500rpm时采用第1组控制参数，当转速大于4500rpm时采用第2组控制参数。
假设各结点的不平衡量ej分布在同一个平面上，且有ej＝5×10-5(m)。在上述控制参数下，计算距右端径向磁悬浮轴承(参见图1)对称中心51mm(第71结点)处转子的不平衡响应，结果如图3和图4所示。
表1控制参数
| kp | ki | kd | Td(s) | |
| 第1组 | 1.6 | 1.143 | 0.12 | 0.06 |
| 第2组 | 1.8 | 1.143 | 0.13 | 0.06 |
由图3和图4可以看出，在3000rpm附近分析2的振幅较大，而在4500rpm到9000rpm区段，分析1的振幅较大。在整个转速范围内，分析3(变参数控制)的振幅均最小。
系统高速旋转实验
建立磁悬浮轴承柔性转子系统试验装置(图1)。控制参数仍如表1所示，分别进行实验1、实验2和实验3。在实验1中采用第1组控制参数，在实验2中采用第2组控制参数，在实验3中，当转速小于4500rpm时采用第1组控制参数，当转速大于4500rpm时采用第2组控制参数。
实验时，首先将转子稳定悬浮，然后通过内置高频电机带动转子由0r/min稳定运行至10200r/min(170Hz)。系统运行过程中，转子实际转速由光电传感器测量，转子的同频振动由35670A动态信号分析仪根据电涡流传感器的输出实时获得。电涡流传感器的灵敏度为6×10-5m/V。在距右端径向磁悬浮轴承(参见图1)对称中心51mm(第71结点)处布置电涡流传感器，测得该位置转子的同频振动随转速变化如图5和图6所示。
由图5可以看出，在3000rpm附近区段，实验1的振幅明显小于实验2，在4500rpm到8000rpm转速范围内实验2的振幅明显小于实验1。由图6可以看出，实验3(变参数控制)的振动在小于4500rpm区段与实验1一致，在大于4500rpm区段与实验2一致，在整个转速范围振幅最小。
Claims (1)
1.一种基于转速的磁悬浮轴承柔性转子系统变参数控制方法，适用于以下结构的磁悬浮轴承柔性转子系统，该系统包括转子、径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、内置高频电机、磁悬浮轴承数字控制器、电机驱动系统和转速测量装置；其特征在于：将转速信号引入磁悬浮轴承数字控制器；在不同转速区段，磁悬浮轴承数字控制器选择不同的PID控制参数。
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