CN113653734B - 一种磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，包括基座与振动平台连接的磁悬浮轴承系统，磁悬浮轴承系统包括电机定子、转子、轴向磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承、位移传感器和安装于磁悬浮轴承定子上的加速度传感器；控制系统，其用于采集转子位移信号、转子转速信号、线圈电流信号、电机温度信号和加速度信号，并对转子振动位移信号进行微分、降噪、滤波，对作用力加速度信号的检测线性度、灵敏度进行标定，以及进行转子位置控制、振动抑制和过程控制；变频器模块，其与电机定子电性连接，并与控制系统保持通讯；磁悬浮轴承控制器功率模块，其与控制系统和磁悬浮轴承系统电性连接。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统。
背景技术
大量的试验数据表明，作用于转子上或基座上的干扰力直接影响着磁悬浮轴承系统对转子的位置控制精度，甚至可能导致磁悬浮轴承系统的控制失稳。
如公开号CN112162574A公开了一种磁悬浮轴承转子振动控制方法包括：通过磁悬浮轴承中的位移传感器采集转子位移信号；根据转子位移信号提取转子振动分量，并根据转子振动分量确定位移反馈信号；根据位移反馈信号和预先设定的磁悬浮参考信号，获得控制磁悬浮轴承中转子悬浮的控制信号，以根据控制信号控制转子振动。本申请中对转子振动进行控制时，无需检测转子速度，仅仅根据位移传感器测得的转子位移信号即可实现对转子振动的控制，在一定程度上简化了对转子振动控制的难度，并提高对转子振动控制的精度。本申请还提供了一种磁悬浮轴承转子振动控制装置、设备以及计算机可读存储介质，具有上述有益效果。
又如公开号CN106499730B公开了一种磁悬浮轴承系统短暂失控后能实现再悬浮的控制方法，属于磁悬浮轴承系统领域。本发明的一种磁悬浮轴承系统短暂失控后能实现再悬浮的控制方法，在磁悬浮轴承系统正常工作时控制器内采用转子位置控制模块进行控制，使得转子受到与转子偏离平衡位置方向相反的电磁吸引力合力，确保转子维持在要稳定悬浮的平衡位置，在磁悬浮轴承系统出现短暂失控后，控制器内先切换采用转子速度控制模块控制，使得转子受到转子振动速度方向相反的电磁吸引力合力，用于消耗由于外部干扰力引起的转子振动能量，降低转子振动速度，控制器内再切换采用转子位置控制模块控制，使得转子回复到要稳定悬浮的平衡位置，实现再悬浮，操作便捷。
现有技术中，磁悬浮轴承系统的位置误差控制策略具有滞后性，且不具备基座位移补偿和控制失稳后快速抑制转子振动的能力。现有技术中对磁悬浮轴承系统中转子受到干扰力引起的振动抑制研究，仅基于位移信号观测出的补偿力存在较大的误差（受采样频率和信噪比影响较大），难以实现对随机干扰力的准确实时补偿；对干扰力引起的系统失稳后再悬浮的研究，由于基于转子位移的分析存在较大误差，磁悬浮轴承无法及时提供合适的主动抑制力，不能快速降低转子的冲击和振动，难以快速实现磁悬浮轴承系统再悬浮。现有技术中，缺少针对转子振动位移、转子振动加速度、基座振动加速度有效的采样及试验系统，无法为转子和基座振动抑制策略提供有效的数据支撑，无法试验磁悬浮轴承系统失稳后令转子再悬浮所需的控制方法。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的是提供一种磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统。
本发明提供了如下的技术方案：
一种磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，包括：
磁悬浮轴承系统，其基座与振动平台连接，磁悬浮轴承系统包括电机定子、转子、轴向磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承、位移传感器和安装于磁悬浮轴承定子上的加速度传感器；
控制系统，其与磁悬浮轴承系统电性连接，用于采集转子位移信号、转子转速信号、线圈电流信号、电机温度信号和加速度信号，并对转子振动位移信号进行微分、降噪、滤波，对作用力和加速度信号的检测线性度、灵敏度进行标定，以及进行转子位置控制、振动抑制和过程控制；
加速度信号包括转子振动加速度信号以及基座振动加速度信号；基座振动加速度信号由加速度传感器测得，转子振动加速度信号由位移传感器测得的转子位移信号通过微分电路两次微分得到；
变频器模块，其与电机定子电性连接，并与控制系统保持通讯；
磁悬浮轴承控制器功率模块，其与控制系统和磁悬浮轴承系统电性连接。
所述控制系统包括DSP主控芯片、A/D采样、I/O口、Flash存储单元、D/A控制输出、外围控制接口模块、485通讯模块。
通过A/D采样对转子位移信号、转子转速信号、线圈电流信号、电机温度信号和加速度信号进行采集。
所述磁悬浮轴承控制器功率模块分别与D/A控制输出与A/D采样电性连接。
所述磁悬浮轴承控制器功率模块通过10路线圈进行电流输出。
485通讯模块电性连接有计算机，计算机用于控制算法调试和数据采集。
所述位移传感器为电感式位移传感器。
转子两端设有保护轴承。
本发明的有益效果是：建立详细的转子动力学和磁悬浮轴承支撑模型，能对采样得到的加速度信号和作用力进行准确标定，为控制系统设计提供基础。通过加速度传感器的安装、采样、降噪、标定等硬件和软件设计，分析信号中干扰噪声的来源，为控制系统的进一步优化以及磁悬浮轴承的应用提供宝贵的试验数据。基于转子动力学和磁悬浮轴承支撑模型，可以实现转子振动加速度与转子所受作用力之间的准确对应。
附图说明
图1是本发明的试验台结构示意图；
图2是本发明的磁悬浮轴承系统结构示意图；
图3是本发明的转子振动加速度检测示意图。
图中标记为：转子1、保护轴承2、位移传感器3、加速度传感器4、径向磁悬浮轴承5、轴向磁悬浮轴承6、电机定子7。
具体实施方式
如图所示，一种磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，包括磁悬浮轴承系统、振动平台、控制系统、变频器模块、磁悬浮轴承控制器功率模块以及计算机。其中，磁悬浮轴承系统包括电机定子7、转子1、轴向磁悬浮轴承6、径向磁悬浮轴承5、位移传感器3和安装于磁悬浮轴承定子上的加速度传感器4，位移传感器3为电感式位移传感器，通过电感式位移传感器测量转子1的振动位移，转子两端设有保护轴承2。磁悬浮轴承系统的基座与振动平台连接，可通过振动平台给基座施加干扰力，可通过径向磁悬浮轴承对转子施加干扰力。
控制系统与磁悬浮轴承系统电性连接，可通过控制系统采集转子位移信号、转子转速信号、线圈电流信号、电机温度信号和加速度信号，并对转子振动位移信号进行微分、降噪、滤波，对作用力和加速度信号的检测线性度、灵敏度进行标定，以及进行转子位置控制、振动抑制和过程控制。具体地，控制系统包括DSP主控芯片、A/D采样、I/O口、Flash存储单元、D/A控制输出、外围控制接口模块、485通讯模块。DSP主控芯片选用TMS320F28335，通过A/D采样对转子位移信号、转子转速信号、线圈电流信号、电机温度信号和加速度信号进行采集。加速度信号包括转子振动加速度信号以及基座振动加速度信号，其中，基座振动加速度信号由加速度传感器测得，转子振动加速度信号由位移传感器测得的转子位移信号通过微分电路两次微分得到。通过对转子位移信号进行两次微分得到转子振动加速度信号，可有效降低滞后性。
磁悬浮轴承控制器功率模块与控制系统和磁悬浮轴承系统电性连接。具体地，磁悬浮轴承控制器功率模块分别与D/A控制输出与A/D采样电性连接，从而令控制系统可以采集线圈电流信号。磁悬浮轴承控制器功率模块通过10路线圈进行电流输出，进而对调节控制电流。
变频器模块与电机定子7电性连接，并与控制系统保持通讯，从而可对电机定子7进行控制。
485通讯模块电性连接有计算机，可通过计算机进行控制算法的调试和数据采集。
对转子振动加速度信号的处理为：对转子振动位移信号进行微分、降噪、滤波等处理，以消除加速度信号中干扰噪声，并对加速度信号的检测线性度、灵敏度等进行标定。
对磁悬浮轴承特性测试为：通过施加激励电流控制信号测试功率放大器的电流响应速度，通过多组加速度信号测试磁悬浮轴承可提供的电磁力响应速度。
对转子干扰力补偿研究为：当磁悬浮轴承支撑转子旋转时，转速逐渐提高，通过径向轴承施加小幅、低频干扰力，基于采集到的转子振动位移和转子振动加速度信号，通过转子干扰力补偿观测器计算补偿力，通过磁悬浮轴承控制器功率模块调节控制电流，通过干扰力补偿器提供与干扰力方向相反的补偿力，研究干扰力补偿控制的补偿效果。
对基座干扰力补偿研究为：当磁悬浮轴承支撑转子旋转时，转速逐渐提高，通过振动平台施加小幅、低频干扰力，基于采集到的转子振动位移和基座振动加速度信号进行分析，并基于计算得到的补偿位移，通过前馈补偿器对振动位移进行补偿，研究加速度前馈补偿控制的补偿效果。
通过径向磁悬浮轴承5对转子1施加小幅、低频干扰力，位移传感器3采集得到转子1的转子振动位移信号，对转子振动位移信号通过微分电路的两次微分得到转子振动加速度信号，并进行降噪、滤波处理，再对加速度信号的检测线性度、灵敏度等进行标定；通过设计转子干扰力补偿观测器，计算实时所需要的补偿力；通过磁悬浮轴承控制器功率模块调节控制电流，通过干扰力观测器提供与干扰力方向相反的补偿力，抑制转子1的振动。
通过振动平台对基座施加小幅、低频干扰力，加速度传感器4采集得到基座振动加速度信号，通过设计前馈补偿器，计算实时所需要的补偿位移，通过前馈补偿器对振动位移进行补偿，从而及时抑制转子可能出现的大幅振动。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，其特征在于，包括：
磁悬浮轴承系统，其基座与振动平台连接，磁悬浮轴承系统包括电机定子、转子、轴向磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承、位移传感器和安装于磁悬浮轴承定子上的加速度传感器；
控制系统，其与磁悬浮轴承系统电性连接，用于采集转子位移信号、转子转速信号、线圈电流信号、电机温度信号和加速度信号，并对转子振动位移信号进行微分、降噪、滤波，对作用力加速度信号的检测线性度、灵敏度进行标定，以及进行转子位置控制、振动抑制和过程控制；
加速度信号包括转子振动加速度信号以及基座振动加速度信号；基座振动加速度信号由加速度传感器测得，转子振动加速度信号由位移传感器测得的转子位移信号通过微分电路两次微分得到；
变频器模块，其与电机定子电性连接，并与控制系统保持通讯；
磁悬浮轴承控制器功率模块，其与控制系统和磁悬浮轴承系统电性连接；
还包括转子干扰力补偿观测器和前馈补偿器；
当径向磁悬浮轴承对转子施加干扰力时，位移传感器采集得到转子的转子振动位移信号，对转子振动位移信号通过微分电路的两次微分得到转子振动加速度信号，并进行降噪、滤波处理，再对加速度信号的检测线性度、灵敏度等进行标定，转子干扰力补偿观测器用于计算实时所需的补偿力，并通过磁悬浮轴承控制器功率模块调节控制电流，通过干扰力观测器提供与干扰力方向相反的补偿力；
当振动平台对基座施加干扰力时，加速度传感器采集得到基座振动加速度信号，前馈补偿器计算实时所需要的补偿位移，并对振动位移进行补偿。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，其特征在于：所述控制系统包括DSP主控芯片、A/D采样、I/O口、Flash存储单元、D/A控制输出、外围控制接口模块、485通讯模块。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，其特征在于：通过A/D采样对转子位移信号、转子转速信号、线圈电流信号、电机温度信号和加速度信号进行采集。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，其特征在于：所述磁悬浮轴承控制器功率模块分别与D/A控制输出与A/D采样电性连接。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，其特征在于：所述磁悬浮轴承控制器功率模块通过10路线圈进行电流输出。
6.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，其特征在于：485通讯模块电性连接有计算机，计算机用于控制算法调试和数据采集。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，其特征在于：所述位移传感器为电感式位移传感器。
8.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承转子及基座振动抑制试验系统，其特征在于：转子两端设有保护轴承。
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| GR01 | Patent grant | ||
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