CN113029440B - 一种磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，包括以下步骤，首先根据转子实时角频率设计一种自动改变中心频率的滑动谐波滤波器；然后利用磁悬浮转子两端的径向位移传感器检测磁悬浮转子的径向位移，并用所设计的滑动谐波滤波器对其进行滤波，得到当前时刻的磁悬浮转子动不平衡位移；从磁悬浮转子径向位移中减去磁悬浮转子动不平衡位移得到剩余位移；在磁轴承控制系统中以剩余位移为反馈量，计算出控制量，控制磁轴承线圈输出电磁力，实现磁悬浮转子动不平衡振动的抑制。本发明实时获取磁悬浮转子角频率，进行磁悬浮转子动不平衡位移的检测，进而抑制了磁悬浮转子动不平衡，实现了磁悬浮转子系统的低振动。

Description

一种磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，用于磁悬浮转子系统的动不平衡振动的抑制，特别是四自由度磁悬浮转子系统的动不平衡的振动抑制。

背景技术

超高分辨率是对地观测的发展趋势。在超高分辨率对地观测卫星上，要求星体保持超静性能，以减小机械振动对成像系统的影响。由于与机械轴承转子系统相比，磁悬浮转子系统具有无摩擦、振动小的显著优点，因而成为高分辨率对地观测卫星上的储能飞轮和磁悬浮控制力矩陀螺中的主要组成部件。动不平衡振动是磁悬浮转子系统对星体的振动的主要贡献者，为此，磁悬浮转子系统中动不平衡振动的有效抑制是实现磁悬浮转子低振动输出的关键。

目前，对星体上惯性执行机构引起的振动主要有两种方案进行抑制：其一是采用隔振装置；其二是采用柔性支承技术的转子系统如磁悬浮转子系统。采用隔振装置可以滤除大部分的高频振动，但对于低频振动的抑制效果不好，同时由于增加了隔振动装置，其动态响应变慢，不利于高敏捷机动。现有的磁悬浮转子系统即采用磁轴承+转子系统中，一般先通过复杂的自适应辨识算法计算出磁悬浮转子动不平衡位移或磁悬浮转子惯性主轴，再通过磁轴承控制系统控制磁悬浮转子径向位移绕其惯性主轴旋转，达到消除动不平衡引起的磁悬浮转子振动的目的。这种辨识算法非常复杂，计算量大，动态响应慢，难以达到较好的振动抑制效果。且这种方法依赖于磁悬浮转子的精确数学模型，不精确的建模也将导致系统对动不平衡引起的磁悬浮转子振动的误差抑制效果不佳。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种不依赖于模型，且计算量较小的抑制动不平衡引起的磁悬浮转子振动的方法。

本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，主要包括以下步骤：

步骤(1)、利用磁悬浮转子系统中的电机部分检测到的转子实时角频率Ω进行滑动谐波滤波器的设计；

步骤(2)、通过磁悬浮转子系统中的径向位移传感器对磁悬浮转子的径向位移进行检测，并进行离散傅立叶变换得到转子径向位移差的频谱；

步骤(3)、用步骤(1)中所设计的滑动谐波滤波器对步骤(2)中的磁悬浮转子径向位移差的频谱进行滤波处理，并进行离散傅立叶反变换得到磁悬浮转子动不平衡位移；

步骤(4)、用步骤(2)检测到的磁悬浮转子径向位移减去步骤(3)得到的磁悬浮转子动不平衡位移后得到转子径向剩余位移；

步骤(5)、以步骤(4)中的转子径向剩余位移为反馈量送入磁轴承控制系统，由磁轴承控制系统中的磁轴承控制器计算出控制量，经过驱动电路驱动磁轴承线圈输出相应电磁力，实现磁悬浮转子动不平衡的抑制。

进一步的，所述步骤(1)首先利用转子角频率测量电路对磁悬浮转子系统中来自电机系统的转子实时角频率进行检测，然后利用该角频率作为中心频率进行滑动谐波滤波器的设计；

步骤(1)所述的滑动谐波滤波器的设计，主要包括谐波窗函数、中心频率和带宽，其中所设计的滑动谐波滤波窗函数的频谱序列为：

其中，f_w为窗口带宽，其值为：

为与中心频率对应的采样点，M随Ω的变化而变化，[]表示取整；中心频率

Ω为转子实时角频率，在磁悬浮转子升速和降速过程中Ω是变化的，f_s为采样频率，k＝0,1,…,N-1且为整数，N为采样点数。

进一步的，所述步骤(2)中，磁悬浮转子系统为四自由度磁悬浮转子系统，在磁悬浮转子a端和b端各安装一组径向位移传感器，分别检测磁悬浮转子a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向上的转子径向位移依次为x_a、y_a、x_b、y_b；磁轴承控制器以采样频率f_s对x_a、y_a、x_b、y_b进行采样，得到a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向上的转子径向位移离散输入序列依次分别为：x_a(i)、y_a(i)、x_b(i)、y_b(i)，其中i＝0,1,…,N-1，则a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向转子径向位移差值的离散输入序列依次分别为：

对以上径向位移差值的离散输入序列进行离散傅立叶变换，得到对应的a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向转子径向位移差的频谱依次为：

其中，j为虚数单位。

进一步的，所述的步骤(3)用步骤(1)中所设计的滑动谐波滤波器对步骤(2)中的磁悬浮转子径向位移差的频谱进行滤波处理，并进行离散傅立叶反变换得到磁悬浮转子动不平衡位移，其方法为：

其中，

依次分别为a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向磁悬浮转子动不平衡位移。

进一步的，所述的步骤(4)用步骤(2)检测到的转子径向位移减去步骤(3)得到的磁悬浮转子动不平衡位移后得到径向剩余位移为：

其中，

依次分别为a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向磁悬浮转子径向剩余位移。

进一步的，所述的步骤(5)中所述的磁轴承控制系统中控制器为交叉反馈PID控制器、μ参数综合控制器或H_∞控制器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明转子实时角频率是直接从磁悬浮转子系统获取的，避免了转子角频率的识别误差；

(2)本发明谐波滤波器中心频率随转子实时角频率改变而相应改变，提高了磁悬浮转子动不平衡位移的检测精度；

(3)本发明计算量小，容易满足磁悬浮转子动不平衡位移抑制中对实时性的要求。

附图说明

图1为本发明所述的四自由度磁悬浮转子系统示意图；

图2为本发明所述磁悬浮转子动不平衡振动抑制方法的系统结构框图；

图3为本发明所述磁悬浮转子动不平衡振动抑制方法的流程图；

图4为本发明的转子实时角频率测量电路原理框图；

图5为四自由度磁悬浮转子系统在不同转速(即不同的转子角频率)时，使用了本发明所述的动不平衡抑制方法和使用现有的磁悬浮转子动不平衡自适应辨识抑制方法进行磁悬浮转子动不平衡抑制的效果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，如图1所示为四自由度磁悬浮转子系统，包括磁悬浮转子、高速电机、磁悬浮转子径向位移传感器及探头(图中仅画出探头示意，径向位移传感器结构为公知结构)、径向磁轴承、应变片。其中磁悬浮转子是中间为扁平圆盘，两端(称为a、b两端)为对称细长轴的结构；高速电机布置于磁悬浮转子中间圆盘的两侧；2组径向磁轴承位于高速电机轴向外侧，对称分布于磁悬浮转子的a、b两端，每组径向磁轴承分为4个定子磁极，沿±x方向和±y方向放置；2组径向位移传感器位于2组径向磁轴承的轴向外侧，对称布置于磁悬浮转子的a、b两端；应变片粘贴于a端x轴负方向径向磁轴承的定子磁极上。径向位移传感器用于检测磁悬浮转子径向位移；应变片用来检测磁悬浮转子的振动。以2组径向磁轴承轴心线为z轴，以其轴线上的对称中心为原点建立oxyz坐标系。径向磁轴承输出电磁力控制磁悬浮转子产生沿x轴和y轴的位移，及绕x轴和y轴的转动，共四个自由度上的运动。a端和b端各有1组径向位移传感器，其中a端径向位移传感器的两个探头沿+x轴和+y轴方向放置，分别用以检测a端x方向上的转子位移x_a和a端y方向上的转子位移y_a，b端径向位移传感器的两个探头沿+x轴和+y轴方向放置，分别用以检测b端x方向上的转子位移x_b和b端y方向上的转子位移y_b。

如图2所示为本发明所述磁悬浮转子动不平衡振动抑制方法的系统结构框图，主要包括中心频率可自动调整的谐波滤波器、转子径向位移检测电路、磁轴承控制器、径向磁轴承驱动电路、磁悬浮转子系统径向磁轴承。其中，中心频率可自动调整的谐波滤波器和磁轴承控制器是以软件算法的形式实现的，转子径向位移检测电路和径向磁轴承驱动电路为公知电路，径向磁轴承为公知组成和结构。通过转子径向位移检测电路实时检测磁悬浮转子的径向位移，通过谐波滤波器进行滤波获得转子动不平衡位移，再用磁悬浮转子的径向位移减去转子动不平衡位移得到径向剩余位移，用给定磁悬浮转子径向位移作为输入量，径向剩余位移为反馈量，由磁轴承控制器进行计算，得到输出控制电压，该控制电压通过驱动电路驱动磁轴承线圈产生相应的电磁力，实现磁悬浮转子径向位移的控制。

如图3所示，本发明涉及一种磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，其实现过程是：首先根据转子实时角频率Ω设计一种自动改变中心频率的滑动谐波滤波器；然后利用磁悬浮转子两端的径向位移传感器检测磁悬浮转子的径向位移x_a、y_a、x_b、y_b，并用所设计的滑动谐波滤波器对其进行滤波，得到当前时刻的磁悬浮转子动不平衡位移；从磁悬浮转子径向位移中减去磁悬浮转子动不平衡位移得到剩余位移；在磁轴承控制系统中以剩余位移为反馈量，计算控制量，控制磁轴承线圈输出电磁力，实现磁悬浮转子动不平衡引起振动的抑制，从而实现磁悬浮转子零振动或低振动。具体实施步骤如下：

(1)利用磁悬浮转子系统中的电机部分检测到的转子实时角频率Ω进行滑动谐波滤波器的设计；

如图4所示为本发明的一种转子实时角频率测量电路原理框图。磁悬浮转子的实时角频率由埋设在高速电机定子绕组中的霍尔传感器检测，并经过光电隔离电路进行抗干扰处理后，再由整形电路整形为标准的矩形波信号，然后送到磁轴承控制器中计算得到磁悬浮转子的实时角频率。本例中所用的霍尔传感器型号为HAL145，光电隔离电路采用TLP521-4光电隔离器件，整形电路采用CD4093。在本实施中，磁悬浮转子角动量为200Nms，最高转速为20000r/min，当转子角频率Ω≤628rad/s(对应转速为6000r/min)时，采用测周期的方法检测磁悬浮转子角频率以便在转子速度较低时获得较高的检测精度；当转子角频率Ω>628rad/s时，采用测频的方法检测磁悬浮转子角频率以便在转子速度较高时获得较高的检测精度。再利用该实时检测的转子角频率对应的频率值作为中心频率进行滑动谐波滤波器的设计，所设计的滑动谐波滤波器主要包括谐波窗函数、中心频率和带宽，其中窗函数的频谱序列为：

其中，k＝0，1，…，N-1，N为采样点数。f_w为窗口带宽，其值为：f_w＝2·f_s/N，f_s为采样频率。

为与中心频率对应的采样点，M随Ω的变化而变化，[]表示取整。中心频率

Ω为转子实时角频率，在磁悬浮转子升速和降速过程中Ω是变化的。例如：本实施例中磁悬浮转子最高转速20000r/min对应的转子频率约为333Hz，取采样频率f_s约为15倍转子最高频率即f_s＝15×333Hz≈5kHz。采样点数N取N＝2048。

(2)通过磁悬浮转子系统中的径向位移传感器对磁悬浮转子径向位移进行检测，并进行离散傅立叶变换得到转子径向位移差的频谱；

在图1所示的磁悬浮转子系统中，磁轴承控制器以频率f_s对x_a、y_a、x_b、y_b进行采样，得到a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向上的转子径向位移离散输入序列依次分别为：x_a(i)、y_a(i)、x_b(i)、y_b(i)，其中i＝0,1,…,N-1，则

依次分别为a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向转子径向位移差值的离散输入序列。

然后对以上径向位移差值的离散输入序列进行离散傅立叶变换得到对应的a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向转子径向位移差的频谱依次为：

其中，j为虚数单位。

(3)用步骤(1)中所设计的滑动谐波滤波器对步骤(2)中的磁悬浮转子径向位移差的频谱进行滤波处理，并进行离散傅立叶反变换得到磁悬浮转子动不平衡位移。其方法为：

其中，

依次分别为a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向磁悬浮转子动不平衡位移。

(4)用步骤(2)所检测到的转子径向位移减去步骤(3)计算得到的磁悬浮转子动不平衡位移后得到径向剩余位移为：

其中，

依次分别为a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向磁悬浮转子径向剩余位移。

(5)以步骤(4)中的转子径向剩余位移为反馈量送入径向磁轴承控制系统，由磁轴承控制器经过交叉反馈PID控制算法计算出控制电压，经磁轴承驱动电路控制径向磁轴承线圈产生相应的磁轴承力，实现磁悬浮转子动不平衡振动的抑制。

图5是四自由度磁悬浮转子系统中不同转子角频率时，使用本发明所述的磁悬浮转子动不平衡抑制方法和使用现有的磁悬浮转子动不平衡自适应辨识抑制方法进行动不平衡抑制时的效果对比图。

通过粘贴在磁悬浮转子系统中径向磁轴承的定子磁极上的应变片检测到转子的振动信号，然后进行傅立叶分析得到磁悬浮转子振动能量谱图。在磁悬浮转子振动能量谱图中，转子角频率处的能量的大小就代表了该转子角频率下的动不平衡振动的强弱，该处的值越大，则表示此转子角频率时的动不平衡振动也越大。为了清晰的展现出本发明所述的磁悬浮转子动不平衡抑制方法对动不平衡振动的抑制效果，以转子角频率为横坐标轴，转子动不平衡振动能量为纵坐标轴，在转子角频率为0到2091.2rad/s(对应转子转速为0～20000r/min)范围内绘制磁悬浮转子动不平衡振动能量--转子角频率曲线，如图5所示。其中曲线1为使用现有的磁悬浮转子动不平衡自适应辨识抑制方法后的磁悬浮转子动不平衡振动能量--转子角频率曲线，曲线2为使用本发明所述的磁悬浮转子动不平衡抑制方法后的磁悬浮转子动不平衡振动能量--转子角频率曲线。在转子角频率为502.4rad/s、753.6rad/s、1004.8rad/s、1256rad/s、1507.2rad/s、1884rad/s、2091.2rad/s(对应转速依次为：4800r/min、7200r/min、9600r/min、12000r/min、14400r/min、18000r/min、19980r/min)处，使用现有的磁悬浮转子动不平衡自适应辨识抑制方法后磁悬浮转子动不平衡振动能量值、使用本发明所述的磁悬浮转子动不平衡抑制方法后动不平衡振动能量值，及使用本发明所述的磁悬浮转子动不平衡抑制方法后动不平衡振动的降低率如表1抑制效果对比所示。

表1抑制效果对比

从表1可以看出使用本发明所述的磁悬浮转子动不平衡抑制方法后，在转子角频率为502.4rad/s至2091.2rad/s范围内，磁悬浮转子动不平衡振动要比使用现有的磁悬浮转子动不平衡自适应辨识抑制方法最少降低36.9％，最多降低75.9％，而且转子角频率越高，降低幅度也越大。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、利用磁悬浮转子系统中的电机部分检测到的转子实时角频率Ω进行滑动谐波滤波器的设计；

步骤(2)、通过磁悬浮转子系统中的径向位移传感器对磁悬浮转子的径向位移进行检测，并进行离散傅立叶变换得到转子径向位移差的频谱；

步骤(3)、用步骤(1)中所设计的滑动谐波滤波器对步骤(2)中的磁悬浮转子径向位移差的频谱进行滤波处理，并进行离散傅立叶反变换得到磁悬浮转子动不平衡位移；

步骤(4)、用步骤(2)检测到的磁悬浮转子径向位移减去步骤(3)得到的磁悬浮转子动不平衡位移后得到转子径向剩余位移；

步骤(5)、以步骤(4)中的转子径向剩余位移为反馈量送入磁轴承控制系统，由磁轴承控制系统中的磁轴承控制器计算出控制量，经过驱动电路驱动磁轴承线圈输出相应电磁力，实现磁悬浮转子动不平衡的抑制。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)首先利用转子角频率测量电路对磁悬浮转子系统中来自电机系统的转子实时角频率进行检测，然后利用该角频率作为中心频率进行滑动谐波滤波器的设计；

步骤(1)所述的滑动谐波滤波器的设计，主要包括谐波窗函数、中心频率和带宽，其中所设计的滑动谐波滤波窗函数的频谱序列为：

其中，f_w为窗口带宽，其值为：

为与中心频率对应的采样点，M随Ω的变化而变化，[ ]表示取整；中心频率

Ω为转子实时角频率，在磁悬浮转子升速和降速过程中Ω是变化的，f_s为采样频率，k＝0,1,…,N-1且为整数，N为采样点数。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，磁悬浮转子系统为四自由度磁悬浮转子系统，在磁悬浮转子a端和b端各安装一组径向位移传感器，分别检测磁悬浮转子a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向上的转子径向位移依次为x_a、y_a、x_b、y_b；磁轴承控制器以采样频率f_s对x_a、y_a、x_b、y_b进行采样，得到a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向上的转子径向位移离散输入序列依次分别为：x_a(i)、y_a(i)、x_b(i)、y_b(i)，其中i＝0,1,…,N-1，则a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向转子径向位移差值的离散输入序列依次分别为：

对以上径向位移差值的离散输入序列进行离散傅立叶变换，得到对应的a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向转子径向位移差的频谱依次为：

其中，j为虚数单位。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，其特征在于：所述的步骤(3)用步骤(1)中所设计的滑动谐波滤波器对步骤(2)中的磁悬浮转子径向位移差的频谱进行滤波处理，并进行离散傅立叶反变换得到磁悬浮转子动不平衡位移，其方法为：

其中，

依次分别为a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向磁悬浮转子动不平衡位移。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，其特征在于：

所述的步骤(4)用步骤(2)检测到的转子径向位移减去步骤(3)得到的磁悬浮转子动不平衡位移后得到径向剩余位移为：

其中，

依次分别为a端x方向、a端y方向、b端x方向、b端y方向磁悬浮转子径向剩余位移。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，其特征在于：所述的步骤(5)中所述的磁轴承控制系统中的磁轴承控制器为交叉反馈PID控制器、μ参数综合控制器或H_∞控制器。

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