CN109687799B - 基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法 - Google Patents

基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法，利用实时采集的转速信息构建基频及倍频层的同步旋转坐标系；将磁轴承转子的振动位移引入各频率层，并进行对应的坐标转换，通过低通滤波器获得各频率层振动信号的直流分量；以各频率层直流分量等于零为目标进行闭环控制，得到旋转坐标系下的控制量；再通过坐标反变换得到原固定坐标系下的控制量，叠加到原有磁悬浮位置控制系统的输出中实现对多频率振动的补偿。本发明对主要振动频率进行分层，可以实现多频率振动的同时补偿；基于假定旋转坐标的变换是实时的位置变换，能够适应转速的变化，控制算法简单，各层控制器也无需迭代计算，没有算法收敛速度的问题，适用于转速快速变化的场合。

Description

基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法
技术领域
本发明涉及一种基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法，属于磁悬浮转子系统技术领域。
背景技术
目前，电磁轴承利用电磁力把转子悬浮在期望位置，以得到与传统机械轴承相类似的支承效果，具有无摩擦发热、无需润滑，寿命长等特点，已被广泛应用于涡轮分子泵、透平压缩机、飞轮储能等工业领域。然而由于材质不均匀、加工误差、变形等原因，其质量中心与几何中心之间总是存在着一定的偏差，称为质量不平衡，在转子的旋转过程中，转子的质量不平衡将产生一个与转速同频的不平衡激励力，导致转子产生同频振动。同时，由于电磁激励(Magnet Runout)及传感器位置转子表面圆度误差(Sensor Runout)等因素的存在，还将导致磁悬浮转子产生复杂的倍频振动。不平衡振动不仅影响转子的旋转精度和稳定性，还会通过轴承传递给基座，严重时会导致设备损坏甚至整个系统崩溃。
磁悬浮电机不平衡振动的抑制方法一直是磁悬浮领域的研究热点，当前的振动抑制策略主要有两种形式：一类是自动平衡方式，其思路是消除磁悬浮轴承对同频振动的控制力，从而使转子围绕其惯性轴旋转。另一类方式称为不平衡补偿，其基本思想是增加控制器的输出，使得磁悬浮轴承产生额外的电磁力来抵消不平衡扰动，抑制转子的同频振动、使其围绕几何轴旋转。两种方法均有各自的适用场合和优缺点，不过目前的振动抑制主要针对同频振动，且普遍存在算法收敛速度与补偿精度的矛盾，致使振动补偿只适用于某些特定的转速，难以实现全转速范围的振动抑制。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法,对磁悬浮转子主要振动频率进行分层，建立各频率层的同步旋转坐标系，通过坐标变换和低通滤波器实时辨识振动位移信号中的同频及倍频直流分量，以辨识出的直流分量为零进行闭环控制，然后通过相应的坐标反变换得到固定坐标系下的控制量，叠加到原有磁悬浮位置控制系统的输出中即可实现对磁悬浮转子多频率振动的补偿。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法，包括步骤如下：
步骤1：离线确定设备运行的主要振动频率；
步骤2：构建多频率层的同步旋转坐标系；
步骤3：对振动位移进行坐标变换，通过低通滤波器获得各频率层振动信号的直流分量；
步骤4：对各频率层直流分量进行闭环控制，得到旋转坐标系下的控制量；
步骤5：将控制量进行坐标反变换到固定坐标系，实现多频率振动补偿。
作为优选方案，所述步骤1包括如下步骤：
1.1让需要进行振动补偿的磁悬浮旋转机械在原有控制系统下进行升速试验，利用传感器检测转子每个转速下的转子振动位移信号并保存，当转子转速升至额定转速即可；
1.2：对转子每个转速下采集的振动位移信号进行傅里叶变换得到转子振动信号频谱，按振动信号频谱的幅值从大到小进行排序，取排序在前的n个频率为转子运行时的主要振动频率，n为大于1的自然数。
作为优选方案，所述步骤2包括如下步骤：
2.1：根据主要振动频率所含的频率数量对应出n个频率层；
2.2：利用传感器实时获取磁悬浮转子的转速，针对相应的转子转速在每个频率层建立一个同频的旋转坐标系(δ-γ坐标系)。
作为优选方案，所述步骤3包括如下步骤：
3.1：建立坐标变换矩阵
Figure BDA0001867791010000031
将固定坐标系(x-y坐标系)下转子x轴、y轴的振动量分别利用坐标变换矩阵
Figure BDA0001867791010000032
投影到δ轴、γ轴，振动信号在同频率层旋转坐标系下体现为直流分量，坐标变换矩阵为：
Figure BDA0001867791010000033
其中，ωi为每个频率层的旋转速度，i为频率层，t为时间，θ为假定位置角；
3.2：通过低通滤波器，将坐标变换后的直流分量vδi、vγi提取出来；其中，vδi为旋转坐标系δ轴的直流分量，vγi为旋转坐标系γ轴的直流分量，i为频率层。
作为优选方案，所述步骤4包括如下步骤：
对各频率层直流分量以vδi＝0、vγi＝0为目标进行闭环控制，得到各频率层在δ-γ旋转坐标系下的控制量，所述闭环控制采用PI控制器。
作为优选方案，所述步骤5包括如下步骤：
5.1：通过坐标反变换矩阵
Figure BDA0001867791010000041
将步骤4中所得旋转坐标系下的控制量映射回固定坐标系，得到x轴、y轴针对频率层所对应频率的振动的控制量；
5.2：将频率层所对应频率的振动的控制量叠加到原有磁悬浮位置控制系统的输出中即可实现对频率层所对应频率的振动的补偿，所述坐标反变换矩阵
Figure BDA0001867791010000042
为：
Figure BDA0001867791010000043
其中，ωi为每个频率层的旋转速度，i为频率层，t为时间，θ为假定位置角。
有益效果：本发明提供的基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法，其有益效果如下：
1、对主要振动频率进行分层，可以实现多频率振动的同时补偿。
2、基于假定旋转坐标的变换是实时的位置变换，能够适应转速的变化，控制算法简单，各层控制器也无需迭代计算，没有算法收敛速度的问题，适用于转速快速变化的场合。
附图说明
图1是本发明的振动补偿方法工作流程图；
图2是确定转子主要振动频率的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：离线确定设备运行的主要振动频率；
如图2所示，1.1让需要进行振动补偿的磁悬浮旋转机械在原有控制系统下进行升速试验，利用传感器检测转子每个转速下的转子振动位移信号并保存，当转子转速升至额定转速即可。
1.2：对转子每个转速下采集的振动位移信号进行傅里叶变换得到转子振动信号频谱，按振动信号频谱的幅值从大到小进行排序，取排序在前的n个频率为转子运行时的主要振动频率，n为大于1的自然数。
步骤2：构建多频率层的同步旋转坐标系；
2.1：根据主要振动频率所含的频率数量对应出n个频率层，例如：基频层，二倍频层等。
2.2：利用传感器实时获取磁悬浮转子的转速，针对相应的转子转速在每个频率层建立一个同频的旋转坐标系(δ-γ坐标系)。
步骤3：对振动位移进行坐标变换，通过低通滤波器获得各频率层振动信号的直流分量；
3.1：建立坐标变换矩阵
Figure BDA0001867791010000051
将固定坐标系(x-y坐标系)下转子x轴、y轴的振动量分别利用坐标变换矩阵
Figure BDA0001867791010000052
投影到δ轴、γ轴，振动信号在同频率层旋转坐标系下体现为直流分量，坐标变换矩阵为：
Figure BDA0001867791010000061
其中，ωi为每个频率层的旋转速度，i为频率层，t为时间，θ为假定位置角；
3.2：通过低通滤波器，将坐标变换后的直流分量vδi、vγi提取出来；其中，vδi为旋转坐标系δ轴的直流分量，vγi为旋转坐标系γ轴的直流分量，i为频率层。
步骤4：对各频率层直流分量进行闭环控制，得到旋转坐标系下的控制量；
对各频率层直流分量以vδi＝0、vγi＝0为目标进行闭环控制，得到各频率层在δ-γ旋转坐标系下的控制量，所述闭环控制采用PI控制器。
步骤5：将控制量进行坐标反变换到固定坐标系，实现多频率振动补偿。
5.1：通过坐标反变换矩阵
Figure BDA0001867791010000062
将步骤4中所得旋转坐标系下的控制量映射回固定坐标系，得到x轴、y轴针对频率层所对应频率的振动的控制量；
5.2：将频率层所对应频率的振动的控制量叠加到原有磁悬浮位置控制系统的输出中即可实现对频率层所对应频率的振动的补偿，所述坐标反变换矩阵
Figure BDA0001867791010000063
为：
Figure BDA0001867791010000071
其中，ωi为每个频率层的旋转速度，i为频率层，t为时间，θ为假定位置角。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于假定旋转坐标的磁轴承转子分层振动补偿方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤1：离线确定设备运行的主要振动频率；
所述步骤1包括如下步骤：
1.1让需要进行振动补偿的磁悬浮旋转机械在原有控制系统下进行升速试验，利用传感器检测转子每个转速下的转子振动位移信号并保存，当转子转速升至额定转速即可；
1.2：对转子每个转速下采集的振动位移信号进行傅里叶变换得到转子振动信号频谱，按振动信号频谱的幅值从大到小进行排序，取排序在前的n个频率为转子运行时的主要振动频率，n为大于1的自然数；
步骤2：构建多频率层的同步旋转坐标系；
所述步骤2包括如下步骤：
2.1：根据主要振动频率所含的频率数量对应出n个频率层；
2.2：利用传感器实时获取磁悬浮转子的转速，针对相应的转子转速在每个频率层建立一个同频的旋转坐标系，δ-γ坐标系；
步骤3：对振动位移进行坐标变换，通过低通滤波器获得各频率层振动信号的直流分量；
所述步骤3包括如下步骤：
3.1：建立坐标变换矩阵
Figure FDA0002682715700000011
将固定坐标系，x-y坐标系下转子x轴、y轴的振动量分别利用坐标变换矩阵
Figure FDA0002682715700000012
投影到δ轴、γ轴，振动信号在同频率层旋转坐标系下体现为直流分量，坐标变换矩阵为：
Figure FDA0002682715700000021
其中，ωi为每个频率层的旋转速度，i为频率层，t为时间，θ为假定位置角；
3.2：通过低通滤波器，将坐标变换后的直流分量vδi、vγi提取出来；其中，vδi为旋转坐标系δ轴的直流分量，vγi为旋转坐标系γ轴的直流分量，i为频率层；
步骤4：对各频率层直流分量进行闭环控制，得到旋转坐标系下的控制量；
所述步骤4包括如下步骤：
对各频率层直流分量以vδi＝0、vγi＝0为目标进行闭环控制，得到各频率层在δ-γ旋转坐标系下的控制量，所述闭环控制采用PI控制器；
步骤5：将控制量进行坐标反变换到固定坐标系，实现多频率振动补偿；
所述步骤5包括如下步骤：
5.1：通过坐标反变换矩阵Ci Park -1将步骤4中所得旋转坐标系下的控制量映射回固定坐标系，得到x轴、y轴针对频率层所对应频率的振动的控制量；
5.2：将频率层所对应频率的振动的控制量叠加到原有磁悬浮位置控制系统的输出中即可实现对频率层所对应频率的振动的补偿，所述坐标反变换矩阵Ci Park -1为：
Figure FDA0002682715700000031
其中，ωi为每个频率层的旋转速度，i为频率层，t为时间，θ为假定位置角。
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