CN114962450B - 磁悬浮转子系统同步振动抑制方法、系统、存储介质及终端 - Google Patents

磁悬浮转子系统同步振动抑制方法、系统、存储介质及终端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法及系统，方法包括如下步骤S100:将磁悬浮轴承的转子位移在X和Y轴方向进行分解；S200:对轴承X和Y轴方向线圈电流进行采样，将采样的电流先通过一个带通滤波器，提取基频分量，构造锁相环的输入，进行PI调节，得到估测转速；S300:对转子X和Y轴方向位移进行采样，将位移偏差进行坐标变换，坐标变换角度是对估测转速的积分。得到旋转坐标系下的位移偏差，将坐标变换后的位移偏差经过PI控制器，得到旋转坐标系下的补偿电流，在旋转坐标系下消除同步振动；S400:将旋转坐标系下的补偿电流进行坐标变换，得到静止坐标系下的补偿电流，将补偿电流施加到磁悬浮轴承线圈上，完全消除同步振动。本发明的方法完全消除同步振动，提高控制性能。

Description

磁悬浮转子系统同步振动抑制方法、系统、存储介质及终端
技术领域
本发明属于电机振动技术领域，更具体地，涉及一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法、系统、存储介质及终端。
背景技术
主动磁悬浮轴承具有无机械摩擦、不需要润滑、损耗低等优点，在高转速、高精度、高清洁的场合得到广泛应用。主动磁悬浮轴承是通过在轴承线圈中通入电流，并主动调节线圈内电流大小以控制其产生的电磁力大小，从而将电机转子稳定悬浮。由于转子制造工艺等原因，转子质量往往分布不均匀，而随着电机转速的增加，会让轴承受到一个与转子转速同频的干扰力，随着转速的增加，该干扰力会影响转子悬浮精度，导致机座产生周期性的振动噪声，若不加处理甚至会造成系统不稳定，导致悬浮失败。
传统的悬浮轴承同步振动抑制方法一般是设计一个陷波滤波器方法和迭代方法进行不平衡振动补偿。如专利CN 113485472B公开了一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法，其建立考虑转子动不平衡的磁悬浮转子动力学模式，然后基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法。CN113029440A公开了一种磁悬浮转子动不平衡振动的抑制方法，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，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。CN 109976403B公开了一种多陷波器并联的磁悬浮转子振动谐波抑制方法及系统，建立包含谐波扰动的磁悬浮转子动力学模型，通过并联不同相移的多个陷波器有效抑制变转速频率下谐波电流的不同频率扰动分量，进而有效抑制谐波振动。
分析发现陷波滤波器方法是通过设计滤波器，并考虑磁悬浮转子动不平衡位移，在转子转速附近，将位移信号或者电流信号进行衰减，滤除位移信号或者电流信号与转速同频的谐波，以减小同步振动。但是此方法无法完全消除转子振动。采用迭代方法是通过检测转子位移的偏差量，通过不断的迭代运算计算出相应的补偿电流用于补偿转子偏差，该方法运算量很大，同时上述两种方法都需要速度传感器检测转子转速，额外增加成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法、系统、存储介质及终端，通过检测转子在 X轴和Y轴的位置偏差，该偏差进入本发明所提出的基于坐标变换转子位移补偿控制器中，控制器的输出电流叠加到轴承线圈上，在旋转坐标系下消除同步振动，且通过对轴承线圈电流进行锁相环控制，完全消除同步振动，该方法克服了传统陷波滤波器无法完全消除转子振动的问题，能够实现磁悬浮轴承的高精度转子悬浮，提升控制性能。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，包括如下步骤:
S100:将磁悬浮轴承的转子位移在X和Y轴方向进行分解；
S200:对轴承X和Y轴方向线圈电流进行采样，将采样的电流进行滤波，提取交流信号，构造锁相环的输入，进行PI调节，得到估测转速；
S300:对转子X和Y轴方向位移进行采样，将位移偏差进行坐标变换，坐标变换角度是对估测转速的积分，得到旋转坐标系下的位移偏差作为PID控制器的输入，得到旋转坐标系下的补偿电流，使转子悬浮到指令位置，在旋转坐标系下消除同步振动；
S400:将旋转坐标系下的补偿电流进行坐标变换，得到静止坐标系下的补偿电流，将补偿电流施加到磁悬浮轴承线圈上，在与之对应的线圈上减去控制电流，并将该电流分别施加到X轴和Y轴所对应的线圈上，完全消除同步振动。
进一步地，步骤S200中，构造锁相环，估测转速包括：
S201：先通过对轴承线圈电流进行采样，将采样的电流进行带通滤波器，用于滤除直流分量和高频分量，得到两个幅值相同，相角相差90°的正弦信号；
S202：将X轴电流滤波后的值与观测角度的余弦值的乘积与以Y 轴电流滤波后的值与观测角度的正弦值的乘积做差，作为控制器的输入；
S203：对S202中构造的输入进入一个PI控制器，控制器的输出是估测的转子转速，对估测的转子转速进行积分得到观测角度，当估测的转子转速与实际转子转速相同时，此锁相环进入稳态，估测的转速与转子实际转速相等，完成对转速的估测。
进一步地，步骤S202中，控制器的输入为：
Figure SMS_1
其中，I为经过滤波后线圈电流的有效值，θ为线圈电流与0时刻的夹角，
Figure SMS_2
为锁相环估测的线圈电流与0时刻的夹角。
进一步地，步骤S300中，坐标变换为：
Figure SMS_3
其中，Δx是转子位移在X轴的偏差，Δy是转子位移在Y轴的偏差，θ为转子位移与X轴之间的夹角，xd是旋转坐标系下d轴的位移，xq是旋转坐标系下q轴的位移。
进一步地，步骤S300中，所述逆变换为：
Figure SMS_4
其中id是PI控制器在旋转坐标系下输出的d轴电流，iq是PI控制器在旋转坐标系下输出的q轴电流，θ为线圈电流与0时刻的夹角，
Figure SMS_5
是施加到X轴线圈上的的补偿电流，/>
Figure SMS_6
是施加到Y轴线圈上的的补偿电流。
进一步地，步骤S300中，通过PI控制器消除位移偏差，包括：控制器的输入是坐标变换后的X和Y轴的位移xd、xq，经过PI控制器，控制器的输出为两个直流电流id、iq，通过逆变换，将这两个在旋转坐标系下是直流量的电流id、iq变换为实际静止坐标系的交流量
Figure SMS_7
进一步地，步骤S400，将补偿电流施加到磁悬浮轴承线圈上包括移环、电流环两个控制器；
所述位移环为PID控制器，其输入是转子位移偏差，通过位移环使转子悬浮到指令位置；
所述电流环是在一个偏置电流的情况下，通过对一个线圈叠加控制电流，在与之相对的线圈上减去控制电流，从而实现在X和Y轴上都产生相应的电磁力。
按照本发明的第二方面，提供一种磁悬浮转子系统同步振动抑制系统，包括：
转子位移分解模块，用于将磁悬浮轴承的转子位移在X和Y轴方向进行分解；
轴承线圈电流采样模块，对轴承X和Y轴方向线圈电流进行采样，将采样的电流进行滤波，提取交流信号，构造锁相环的输入，进行PI调节，得到估测转速；
转子位移采样模块，用于对转子X和Y轴方向位移进行采样，将位移偏差进行坐标变换，坐标变换角度是对估测转速的积分，得到旋转坐标系下的位移偏差作为PID控制器的输入，得到旋转坐标系下的补偿电流，使转子悬浮到指令位置，在旋转坐标系下消除同步振动；
以及补偿电流变换模块，用于将旋转坐标系下的补偿电流进行坐标变换，得到静止坐标系下的补偿电流，将补偿电流施加到磁悬浮轴承线圈上，在与之对应的线圈上减去控制电流，并将该电流分别施加到X轴和Y轴所对应的线圈上，完全消除同步振动。
按照本发明的第三方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行所述的方法。
按照本发明的第四方面，提供一种电子终端，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行所述的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的方法，通过检测转子在X轴和Y轴的位置偏差，该偏差进入本发明所提出的基于坐标变换转子位移补偿控制器中，控制器的输出电流叠加到轴承线圈上，在旋转坐标系下消除同步振动，且通过对轴承线圈电流进行锁相环控制，完全消除同步振动，该方法克服了传统陷波滤波器无法完全消除转子振动的问题，能够实现磁悬浮轴承的高精度转子悬浮，提升控制性能。
2.本发明的方法，采用基于坐标变换的磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，该发明是通过将转子位移进行坐标变换，将交流量变换为直流量，采用额外的PI控制器用于消除同频振动。该方法实现简单，不需要复杂的运算，但又能完全消除磁悬浮转子系统同步振动，提高磁悬浮轴承悬浮精度和系统稳定性。
3.本发明的方法，主动磁悬浮轴承的PID控制方法下，对于坐标变换中需要的转子转速，通过对轴承线圈电流进行锁相环控制，提取出电流的频率，也就是转子频率用于完成磁悬浮转子系统同步振动抑制。且该方法运算简单、兼容性强，易与各类型的磁悬浮轴承控制系统集成与配合，实现控制性能的提升。
4.本发明的方法，对磁悬浮轴承同频振动的补偿上，没有使用额外的速度传感器采集转子转速，通过对电流信号进行锁相环分析获取转子转速。对于同频振动抑制。
附图说明
图1为本发明实施例一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法流程示意图；
图2为本发明实施例的主动磁悬浮轴承结构示意图；其中符号： X+、X-，X轴正方向和X轴负方向，Y+、Y-，Y轴正方向和Y轴负方向，I0，偏置电流，ix、iy，X轴和Y轴控制电流；
图3为本发明实施例在锁相环下的位置观测流程图，其中符号： ix、iy，X轴和Y轴轴承线圈电流，ix'、iy'，X轴和Y轴轴承线圈经过滤波的电流，
Figure SMS_8
观测的转子转速，/>
Figure SMS_9
观测的线圈电流与0时刻的夹角；
图4为本发明实施例基于坐标变换的磁悬浮转子系统同步振动抑制方法流程示意图，其中符号：Δx、Δy，X轴和Y轴偏差位移，xd、xq，旋转坐标系下d轴和q轴偏差位移，id、iq，旋转坐标系下 d轴和q轴补偿电流，iα *、iβ *，静止坐标系下X轴和Y轴补偿电流，ω，转子转速，θ，转子位移与X轴夹角；
图5为本发明实施例将同频振动抑制补偿在磁悬浮轴承控制系统中的示意图，其中符号：x*、y*是转子指定悬浮位移，x、y是转子实际悬浮位移，ω，转子转速，θ，转子位移与X轴夹角，I0，偏置电流，iα *、iβ *，X轴和Y轴实际补偿电流，ix *、iy *，X轴和Y轴指令电流，ix、iy，X轴和Y轴反馈电流。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提出了一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，包括如下步骤：
步骤一、将磁悬浮轴承的转子位移在与水平和竖直方向成45°的X、Y坐标系下，具体分解方式如图2所示，对于主动磁悬浮轴承而言，其主要的外部干扰力是转子重力，通过将控制坐标系分为与水平和竖直方向成45°的X、Y，能够将重力平均分摊在两个坐标轴上，若按照其他形式构造坐标系，两个坐标系的力会存在偏差，不利于控制。
步骤二、(1)先通过对轴承线圈电流进行采样，将采样的电流进行带通滤波器，用于滤除直流分量和高频分量，得到两个幅值相同，相角相差90°的正弦信号，分别记为ix’和iy'，因此可以将ix’写为Isinθ， iy'写为Icosθ，(2)将X轴电流滤波后的值ix与观测角度的余弦值
Figure SMS_10
的乘积与以Y轴电流滤波后的值iy与观测角度的正弦值/>
Figure SMS_11
的乘积做差，具体形式如式(1)所示，作为控制器的输入。(3)锁相环的控制器如图3所示：对(2)中构造的输入进入一个PI控制器，控制器的输出是估测的转子转速/>
Figure SMS_12
对估测的转子转速/>
Figure SMS_13
进行积分得到观测角度/>
Figure SMS_14
当估测的转子转速/>
Figure SMS_15
与实际转子转速ω相同时，此锁相环进入稳态，估测的转速与转子实际转速相等。完成对转速的估测。
Figure SMS_16
其中，I为经过滤波后线圈电流的有效值，θ为线圈电流与0时刻的夹角，
Figure SMS_17
为锁相环估测的线圈电流与0时刻的夹角。
步骤三、在X、Y轴方向，对转子位移偏差进行采样。将此位移偏差量进行坐标变换，坐标变换如图3所示。即把这两个在静止坐标系下的正弦信号进行坐标变换，变换为旋转坐标系下的直流信号，具体变换方式如式(2)所示：
Figure SMS_18
其中，Δx是转子位移在X轴的偏差，Δy是转子位移在Y轴的偏差，θ为转子位移与X轴之间的夹角，xd是旋转坐标系下d轴的位移，xq是旋转坐标系下q轴的位移。
控制目标是把这一直流量进行无静差控制，因此可以采用一个PI 控制器用于消除位移偏差。控制器的输入是坐标变换后的X和Y轴的位移xd、xq，经过PI控制器，控制器的输出为两个直流电流id、iq，再通过逆变换，将这两个在旋转坐标系下是直流量的电流id、iq变换为实际静止坐标系的交流量
Figure SMS_19
具体变换公式如式(3)所示：
Figure SMS_20
其中id是PI控制器在旋转坐标系下输出的d轴电流，iq是PI控制器在旋转坐标系下输出的q轴电流，θ为线圈电流与0时刻的夹角，
Figure SMS_21
是施加到X轴线圈上的的补偿电流，/>
Figure SMS_22
是施加到Y轴线圈上的的补偿电流；
步骤四、如图4所示，把这两个交变的电流分别施加到X轴和Y 轴所对应的线圈上，完成对该周期性振动的抑制，对于主动磁悬浮轴承某一径向磁轴承的控制如图5所示，其主要分为位移环、电流环两个控制器，位移环是一个PID控制器，控制器的输入是转子位移偏差，通过位移环，使转子悬浮到指令位置。电流环是让线圈电流能够跟随指令电流。差动控制是在一个偏置电流的情况下，通过对一个线圈叠加控制电流，在与之相对的线圈上减去控制电流，从而实现在X 和Y轴上都产生相应的电磁力。整体控制流程是，先给定转子悬浮位移指令x*和y*，与实际的转子位移x，y做差，构造PID控制器的输入，PID控制器的输出是控制电流
Figure SMS_23
和/>
Figure SMS_24
将控制电流与偏置电流进行差动控制，得到线圈的指令电流。再通过两个PI控制器，让实际电流与指令电流相等，电流环的输出是占空比，最后给磁轴承线圈上叠加相应的电压，完成对磁悬浮轴承的控制。图中，x*,y*是X轴和 Y轴的指令位移信号，x,y是X轴和Y轴的实际位移信号。I0是偏置电流，/>
Figure SMS_25
和/>
Figure SMS_26
是X轴和Y轴的控制电流。/>
Figure SMS_27
和/>
Figure SMS_28
分别为线圈的指令电流，ix+、ix-、iy+和iy-分别为线圈的实际电流，Vdc是母线电压，ksi是电流传感器系数，ksx是位移传感器系数。通过采样X和 Y轴的位移的偏差Δx和Δy，将这两个位移偏差进入本发明所提出的最小位移补偿控器中，该控制器输出的电流指令叠加电流环的指令电流上，用于补偿转子位移偏差。本发明的方法，通过检测转子在X轴和Y轴的位置偏差，该偏差进入本发明所提出的基于坐标变换转子位移补偿控制器中，控制器的输出电流叠加到轴承线圈上，在旋转坐标系下消除同步振动，且通过对轴承线圈电流进行锁相环控制，完全消除同步振动，该方法克服了传统陷波滤波器无法完全消除转子振动的问题，能够实现磁悬浮轴承的高精度转子悬浮，提升控制性能。
在本发明的实施例中，步骤二，由于位移中存在与转子转速同频的正弦，在轴承线圈电流也会产生相应的正弦电流，并且电流的频率也就是转子转速，通过对轴承线圈电流进行采样，构造一个锁相环环节，当估测转子转速与实际转子转速相同时，此锁相环进入稳态，估测角度用于坐标变换。
在步骤三中，其控制目标就是消除位移中的与转子转速同频的正弦信号，通过将正弦信号进行坐标变换直流信号，对于直流信号的控制，可以采用一个PI控制器完成对直流信号的无静差控制。因此可以将转子位移中的同频振动完全消除。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，其特征在于，包括如下步骤:
S100:将磁悬浮轴承的转子位移在X和Y轴方向进行分解；
S200:对轴承X和Y轴方向线圈电流进行采样，将采样的电流进行滤波，提取交流信号，构造锁相环的输入，进行PI调节，得到估测转速；
S300:对转子X和Y轴方向位移进行采样，将位移偏差进行坐标变换，坐标变换角度是对估测转速的积分，得到旋转坐标系下的位移偏差作为PID控制器的输入，得到旋转坐标系下的补偿电流，使转子悬浮到指令位置，在旋转坐标系下消除同步振动；
S400:将旋转坐标系下的补偿电流进行坐标变换，得到静止坐标系下的补偿电流，将补偿电流施加到磁悬浮轴承线圈上，在与之对应的线圈上减去控制电流，并将该电流分别施加到X轴和Y轴所对应的线圈上，完全消除同步振动。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，其特征在于，步骤S200中，构造锁相环，估测转速包括：
S201：先通过对轴承线圈电流进行采样，将采样的电流进行带通滤波器，用于滤除直流分量和高频分量，得到两个幅值相同，相角相差90°的正弦信号；
S202：将X轴电流滤波后的值与观测角度的余弦值的乘积与以Y轴电流滤波后的值与观测角度的正弦值的乘积做差，作为控制器的输入；
S203：对S202中构造的输入进入一个PI控制器，控制器的输出是估测的转子转速，对估测的转子转速进行积分得到观测角度，当估测的转子转速与实际转子转速相同时，此锁相环进入稳态，估测的转速与转子实际转速相等，完成对转速的估测。
3.根据权利要求2所述的一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，其特征在于，步骤S202中，控制器的输入为：
Figure FDA0004225182500000021
其中，I为经过滤波后线圈电流的有效值，θ为线圈电流与0时刻的夹角，
Figure FDA0004225182500000022
为锁相环估测的线圈电流与0时刻的夹角。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，其特征在于，步骤S300中，坐标变换为：
Figure FDA0004225182500000023
其中，Δx是转子位移在X轴的偏差，Δy是转子位移在Y轴的偏差，θ为转子位移与X轴之间的夹角，xd是旋转坐标系下d轴的位移，xq是旋转坐标系下q轴的位移。
5.根据权利要求4所述的一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，其特征在于，步骤S300中，通过PI控制器消除位移偏差，包括：控制器的输入是坐标变换后的X和Y轴的位移xd、xq，经过PI控制器，控制器的输出为两个直流电流id、iq，通过逆变换，将这两个在旋转坐标系下是直流量的电流id、iq变换为实际静止坐标系的交流量
Figure FDA0004225182500000024
6.根据权利要求5所述的一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，其特征在于，步骤S300中，所述逆变换为：
Figure FDA0004225182500000025
其中id是PI控制器在旋转坐标系下输出的d轴电流，iq是PI控制器在旋转坐标系下输出的q轴电流，θ为线圈电流与0时刻的夹角，
Figure FDA0004225182500000026
是施加到X轴线圈上的的补偿电流，/>
Figure FDA0004225182500000031
是施加到Y轴线圈上的的补偿电流。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种磁悬浮转子系统同步振动抑制方法，其特征在于，步骤S400，将补偿电流施加到磁悬浮轴承线圈上包括位移环、电流环两个控制器；
所述位移环为PID控制器，其输入是转子位移偏差，通过位移环使转子悬浮到指令位置；
所述电流环是在一个偏置电流的情况下，通过对一个线圈叠加控制电流，在与之相对的线圈上减去控制电流，从而实现在X和Y轴上都产生相应的电磁力。
8.一种磁悬浮转子系统同步振动抑制系统，其特征在于，包括：
转子位移分解模块，用于将磁悬浮轴承的转子位移在X和Y轴方向进行分解；
轴承线圈电流采样模块，对轴承X和Y轴方向线圈电流进行采样，将采样的电流进行滤波，提取交流信号，构造锁相环的输入，进行PI调节，得到估测转速；
转子位移采样模块，用于对转子X和Y轴方向位移进行采样，将位移偏差进行坐标变换，坐标变换角度是对估测转速的积分，得到旋转坐标系下的位移偏差作为PID控制器的输入，得到旋转坐标系下的补偿电流，使转子悬浮到指令位置，在旋转坐标系下消除同步振动；
以及补偿电流变换模块，用于将旋转坐标系下的补偿电流进行坐标变换，得到静止坐标系下的补偿电流，将补偿电流施加到磁悬浮轴承线圈上，在与之对应的线圈上减去控制电流，并将该电流分别施加到X轴和Y轴所对应的线圈上，完全消除同步振动。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法。
10.一种电子终端，其特征在于，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求1至7任一项权利要求所述的方法。
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