磁悬浮轴承系统转子不平衡激励观测与位移振动抑制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112815007A(43)申请公布日2021.05.18(21)申请号202110278116.1(22)申请日2021.03.16(71)申请人华中科技大学地址430074湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号申请人中国船舶重工集团公司第七一二研究所(72)发明人蒋栋孙宏博曹刚刘自程孙伟杨高(74)专利代理机构华中科技大学专利中心42201代理人徐美琳(51)Int.Cl.F16C32/04(2006.01)F16F15/18(2006.01)权利要求书5页说明书7页附图3页(54)发明名称磁悬浮轴承系统转子不平衡激励观测与位移振动抑制方法(57)摘要本发明公开了一种磁悬浮轴承系统转子不平衡激励观测与位移振动抑制方法，属于磁悬浮轴承控制领域。包括将转子坐标转化为平动‑转动坐标，解算磁悬浮轴承的支撑力与转子陀螺效应导致的激励，广义积分扩张状态观测器对不平衡激励进行观测。对不平衡激励进行有效观测后，在功率放大器的指令中注入与观测所得的不平衡激励等大反向的指令，用于产生抵消不平衡激励的电磁力，进而起到抑制转子的位移振动的作用。对转子位移振动进行抑制，可提高转子回转精度，降低碰磨风险。对不平衡激励进行观测，对转子的动平衡时的补偿质量解算也具有重要意义。CN112815007ACN112815007A权利要求书1/5页1.一种磁悬浮轴承系统转子不平衡激励观测与位移振动抑制方法，磁悬浮轴承系统包括由转子、磁轴承绕组与铁芯、位移控制器、功率放大器、位移传感器构成的控制环路，其特征在于，所述方法包括不平衡激励观测和位移振动抑制，不平衡激励观测包括以下步骤：S11.将每个自由度的转子位移坐标qse转化为转子的平动‑转动坐标q；S12.将转子的平动‑转动坐标q、控制电流信号I与转子的平动‑转动坐标q的导数的观测值进行轴承激励解算，得到轴承激励Fa；S13.将轴承激励Fa、转子的平动‑转动坐标q输入至广义积分扩张状态观测器，得到不平衡激励F；S14.将不平衡激励F进行电流指令解算，得到补偿电流指令Ic；位移振动抑制包括以下步骤：S21.检测转子的位移，并将其转化为电信号；S22.位移指令与所述电信号进行减法运算，将所得结果输入位移控制器；S23.位移控制器经过控制算法的运算，输出原始电流指令，与补偿电流指令Ic做减法运算后生成实际电流指令；S24.功率放大器根据实际电流指令，在磁轴承绕组中生成实际电流，进而产生电磁力实现转子悬浮，从而抑制位移振动。2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承系统转子不平衡激励观测与位移振动抑制方法，其特征在于，将转子位移坐标qse转化为转子的平动‑转动坐标q，其表达式为：q＝Cqse即其中，磁轴承分为A侧和B侧，xseA，yseA分别为A侧磁轴承x与y方向的转子位移坐标；xseB，yseB分别为B侧磁轴承x与y方向的转子位移坐标；c、d分别为以转子形心为坐标原点，转子轴向为z轴，A、B侧磁轴承安装的位移传感器的z轴坐标；x、y分别为转子形心在x，y轴的坐标；β、α分别为转子绕y轴和x轴转过的角度，即转动坐标。3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承系统转子不平衡激励观测与位移振动抑制方法，其特征在于，轴承激励Fa的表达式为：Fa＝M0(BKiI‑KsSq‑GZ2)其中，2CN112815007A权利要求书2/5页其中，a、b分别为以转子形心为坐标原点，转子轴向为z轴，A、B侧磁轴承的z轴坐标，kiA，kiB分别为A、B磁轴承的力‑电流系数，ksA，ksB分别为A、B磁轴承的力‑位移系数，ixA，iyA分别为A磁轴承x、y方向控制电流，ixB，iyB分别为B磁轴承x、y方向控制电流，Ω为转子旋转角速度，Jx、Jy、Jz分别为转子绕x、y、z轴的转动惯量，m为转子质量。4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承系统转子不平衡激励观测与位移振动抑制方法，其特征在于，广义积分扩张状态观测器的拉普拉斯变换的表达式为：其中，i＝1,2,3,4；kg为比例系数，l1、l2、l3、l4为观测器的增益参数，fai分别为Fa向量的第i个元素，s为拉普拉斯变换的微分算子，qi为q向量的第i个元素，zi1、zi2、zi3、zi4分别为第i个位移观测器的4个观测状态，zi2构成Z2向量：TZ2＝[z12z22z32z42]zi3构成F向量：TF＝[z13z23z33z43]。5.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承系统转子不平衡激励观测与位移振动抑制方法，其特征在于，补偿电流指令Ic的表达式为：即3CN112815007A权利要求书3/5页其中，icxA、icxB分别为A、B磁轴承x方向控制电流的补偿值，icyA、icyB分别为A、B磁轴承y方向控制电流的补偿值，z13、z33分别表示转子β、