CN113237659A - 一种磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法。本发明通过激励信号发生器生成正弦激励信号对磁悬浮轴承系统进行激励。广义积分器模块为两个单独的广义积分器，分别对被测对象的输入信号、输出信号进行同频滤波及提取。频率响应计算模块对得到的正交信号进行计算，得到被测对象输入输出信号在激励频率时的幅值与相位，得到激励频率范围内的频率响应，实现在线频率响应测试。本发明利用磁悬浮主动可控的优点，不需要使用额外的测试设备，结构简单，占用计算资源少，实时性强，可在线得到系统频率响应，解决磁悬浮旋转机械系统频率响应测试需要先采集数据再离线处理的问题。

Description

一种磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法

技术领域

本发明涉及到磁悬浮轴承技术领域，尤其涉及一种磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法，可用于在线测试磁悬浮风机、磁悬浮电机等磁悬浮旋转机械系统所需的频率响应。

背景技术

磁悬浮轴承与传统机械轴承相比，具有无润滑、无摩擦、寿命长、可主动控制等优点，在鼓风机、高速电机、电主轴等领域得到越来越多的应用。磁悬浮旋转机械是一种复杂的机电一体化产品，在设计控制器时，需要获取开环磁悬浮轴承转子被控对象和功率放大器的频率响应。在使用前，还需测试系统输入灵敏度、动态柔度等，用于评估系统的稳定性和鲁棒性。在磁悬浮轴承国际标准ISO14839中也明确规定了磁悬浮设备运行前须进行各部分频率响应测试。

目前频率响应测试大多使用动态信号分析仪，通过动态信号分析仪采集被测对象的输入和输出信号，自动扫频获取系统频率响应，这种方法需要专用的测试设备，成本大，测试不便捷。磁悬浮轴承由于其可以被主动控制，本身可作为激励源对系统进行激励，现有通常做法是直接在控制回路中引入扫频激励信号，再采集所需的输入、输出信号，对采集的数据进行快速傅里叶变换(FFT)得到频率响应，但这种方法计算量大，难以实时处理数据，需要先采集数据，再线下离线处理，费时费力。针对以上问题，本发明提出了一种磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法。

发明内容：

本发明针对目前磁悬浮旋转机械系统频率响应测试需要先采集数据再离线处理的问题，提出了一种基于广义积分器的磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法，该方法结构简单，占用计算资源少，实时性强，可在线得到系统频率响应。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法，包括激励信号发生器、广义积分器模块和频率响应计算模块三部分。磁悬浮旋转机械中磁悬浮轴承转子系统主要包括磁悬浮轴承-转子、控制器、功率放大器、位移传感器四部分，频率响应的输入、输出信号测点通常为激励信号输入u₀、控制器输入误差电压u₁、控制器输出控制电压u₂、功率放大器的输出电流i₁、位移传感器输出位移电压u₃等。通过激励信号发生器生成正弦激励信号对磁悬浮轴承转子系统进行激励。广义积分器模块为两个单独的广义积分器，分别对被测对象的输入信号、输出信号进行同频滤波及提取。被测对象输入信号通过广义积分器输出频率与激励频率一致的正交信号v_α1、v_β1，被测对象输出信号通过广义积分器输出频率与激励频率一致的正交信号v_α2、v_β2。频率响应计算模块对得到的正交信号进行计算，得到被测对象输入输出信号在激励频率时的幅值与相位，进而得到在激励频率处幅值响应与相位响应，频率响应测试结束后，即可得到所有激振频率的幅值响应与相位响应，得到激励频率范围内的频率响应，实现在线频率响应测试。

所述的激励信号发生器生成正弦激励信号Asin(ωt)，主要包括两个参数：激励信号幅值A和激励频率ω。激励信号幅值A根据实际情况选择，选定后一般不变；激励频率ω随着时间不断变化，从1Hz开始，以1Hz为间隔，到1kHz结束，每个频率的信号激励100个周期。

所述的广义积分器模块中，两个广义积分器的输入分别是被测对象的输入信号v_in、输出信号v_out，作用是对两信号进行同频滤波与提取。以频率响应输入信号v_in为例，其通过广义积分器后，输出两个幅值相同、频率与激励频率ω相同的正交信号v_α1、v_β1，它们与v_in之间的传递函数为

其中，k为广义积分器增益，取值为1.414以满足最佳阻尼比设计。

所述的频率响应计算模块，根据计算可得到在激励信号频率下，被测对象输入信号幅值A_in、相位θ_in和输出信号幅值A_out、相位θ_out，计算公式为：

θ_in＝tan^-1(v_β1/v_α1)

θ_out＝tan^-1(v_β2/v_α2)

进一步可以得到激励频率下的幅值响应和相位响应，计算公式为：

A_r＝A_out/A_in

θ_r＝θ_out-θ_in

根据激励频率的不断变化，可得到幅值响应和相位响应随激励频率的变化曲线，即幅频特性曲线和相频特性曲线，得到被测对象的频率响应。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、充分发挥磁悬浮轴承主动可控的优势，利用磁悬浮轴承作为激励源，不需要额外的频响测试仪器，节约了频率响应测试成本；

2、采用广义积分器对被测对象输入输出信号进行滤波并生成幅值相等、频率与激励频率相同的正交信号，能够有效抑制系统噪声对测试结果的干扰，使频率响应更加准确；

3、结构简单，调节参数少，适用于所有磁悬浮旋转机械；实时性强，可以在信号激励时在线获得频率响应曲线，不需要数据后处理，效率高，操作方便。

附图说明：

图1为本发明的一种磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法控制框图。

图2为本发明在磁悬浮风机试验台上在线频率响应测试的结果曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

如图1所示，为本发明的一种磁悬浮旋转机械系统在线频率响应测试方法控制框图。在线频率响应测试方法包括激励信号发生器、广义积分器模块和频率响应计算模块三部分。磁悬浮旋转机械中磁悬浮轴承转子系统主要包括磁悬浮轴承-转子、控制器、功率放大器、位移传感器四部分，频率响应的输入、输出信号测点通常为激励信号输入u₀、控制器输入误差电压u₁、控制器输出控制电压u₂、功率放大器的输出电流i₁、位移传感器输出位移电压u₃等。图1展示的是从激励信号u₀到位移传感器输出电压u₃间的频率响应测试方法。通过激励信号发生器生成正弦激励信号对磁悬浮轴承转子系统进行激励。广义积分器模块为两个单独的广义积分器，分别对被测对象的输入信号u₀、输出信号u₃进行同频滤波及提取。u₀通过广义积分器输出频率与激励频率一致的正交信号v_α1、v_β1，u₃通过广义积分器输出频率与激励频率一致的正交信号v_α2、v_β2。频率响应计算模块对得到的正交信号进行计算，得到被测对象输入输出信号在激励频率时的幅值与相位，进而得到在激励频率处幅值响应与相位响应，频率响应测试结束后，即可得到所有激振频率的幅值响应与相位响应，得到激励频率范围内的频率响应，实现在线频率响应测试。

所述的激励信号发生器生成正弦激励信号Asin(ωt)，主要包括两个参数：激励信号幅值A和激励频率ω。激励信号幅值A根据实际情况选择，选定后一般不变；激励频率ω随着时间不断变化，从1Hz开始，以1Hz为间隔，到1kHz结束，每个频率的信号激励100个周期。

所述的两个广义积分器的输入分别是被测对象的输入信号v_in、输出信号v_out作用是对两信号进行同频滤波与提取。频率响应输入信号v_in通过广义积分器后，输出两个幅值相同、频率与激励频率ω相同的正交信号v_α1、v_β1，它们与v_in之间的传递函数为

频率响应输入信号v_out通过广义积分器后，输出两个幅值相同、频率与激励频率ω相同的正交信号v_α2、v_β2，它们与v_in之间的传递函数为

其中，k为广义积分器增益，取值为1.414以满足最佳阻尼比设计。

所述的频率响应计算模块，根据计算可得到在激励信号频率下，被测对象输入信号幅值A_in、相位θ_in和输出信号幅值A_out、相位θ_out，计算公式为：

θ_in＝tan^-1(v_β1/v_α1)

θ_out＝tan^-1(v_β2/v_α2)

进一步可以得到激励频率下的幅值响应和相位响应，计算公式为

A_r＝A_out/A_in

θ_r＝θ_out-θ_in

根据激励频率的不断变化，可得到幅值响应和相位响应随激励频率的变化曲线，即幅频特性曲线和相频特性曲线，得到被测对象的频率响应。

如图2所示，为本发明在磁悬浮风机试验台上在线频率响应测试的结果曲线图。选取整个闭环系统被测对象，即频率响应输入为激励信号，输出为传感器输入。激励频率ω从1Hz开始，以1Hz为间隔，到1kHz，每个频率的信号激励100个周期。每个激励频率下实时在线得到对应的幅值响应和相位响应，激励结束后，即可得到幅频特性曲线和相频特性曲线，如图2所示，可以看出，测试结果曲线平滑，受噪声影响小。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁悬浮旋转机械系统频率响应在线测试方法，其特征在于：包括激励信号发生器、广义积分器模块和频率响应计算模块三部分，通过激励信号发生器生成正弦激励信号对磁悬浮轴承系统进行激励；广义积分器模块为两个单独的广义积分器，分别对被测对象的输入信号、输出信号进行同频滤波及提取；被测对象输入信号通过广义积分器输出频率与激励频率一致的正交信号v_α1、v_β1，被测对象输出信号通过广义积分器输出频率与激励频率一致的正交信号v_α2、v_β2；频率响应计算模块对得到的正交信号进行计算，得到被测对象输入输出信号在激励频率时的幅值与相位，即激励频率处的幅值响应与相位响应，频率响应测试结束后，即可得到所有激振频率的幅值响应与相位响应，得到激励频率范围内的频率响应，实现在线频率响应测试。

2.根据权力要求1所述的一种磁悬浮旋转机械系统频率响应在线测试方法，其特征在于：所述的激励信号发生器生成正弦激励信号Asin(ωt)，主要包括两个参数：激励信号幅值A和激励频率ω，激励信号幅值A根据实际情况选择，选定后一般不变，激励频率ω随着时间不断变化，从1Hz开始，以1Hz为间隔，到1kHz结束，每个频率的信号激励100个周期。

3.根据权力要求1所述的一种磁悬浮旋转机械系统频率响应在线测试方法，其特征在于：所述的广义积分器模块中，两个广义积分器的输入分别是被测对象的输入信号和输出信号，作用是对两信号进行同频滤波与提取，生成两个幅值相同、频率与激励频率ω相同的正交信。

4.根据权力要求1所述的一种磁悬浮旋转机械系统频率响应在线测试方法，其特征在于：所述的频率响应计算模块，根据计算可得到在激励信号频率下，被测对象输入信号幅值A_in、相位θ_in和输出信号幅值A_out、相位θ_out，计算公式为：

θ_in＝tan^-1(v_β1/v_α1)

θ_out＝tan^-1(v_β2/v_α2)

进一步可以得到激励频率下的幅值响应和相位响应，计算公式为：

A_r＝A_out/A_in

θ_r＝θ_out-θ_in

根据激励频率的不断变化，可得到幅值响应和相位响应随激励频率的变化曲线，即幅频特性曲线和相频特性曲线，得到被测对象的频率响应。

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