專利名稱：基于轉(zhuǎn)速的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變參數(shù)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于轉(zhuǎn)速的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變參數(shù)控制方法，屬于磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
和傳統(tǒng)軸承相比，磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子無(wú)接觸，支承功耗小，使用壽命長(zhǎng)；不需要潤(rùn) 滑和密封，可長(zhǎng)期用于高低溫等特殊環(huán)境中；維護(hù)費(fèi)用低、便于主動(dòng)控制等等，因而被認(rèn)為 是支承技術(shù)的一次革命，是目前唯一投入實(shí)用的主動(dòng)支承裝置。磁懸浮軸承主要用于剛性 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械高速、重載、細(xì)長(zhǎng)發(fā)展的要求，現(xiàn)正逐步擴(kuò)展到柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。
但是，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果表明，將磁懸浮軸承運(yùn)用于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在著較大 的困難。主要原因是磁懸浮軸承的等效剛度和阻尼受整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制參數(shù)穩(wěn)定區(qū)域的 限制， 一般比動(dòng)壓滑動(dòng)軸承小2 3個(gè)數(shù)量級(jí)。在系統(tǒng)接近或越過(guò)彎曲臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，因阻尼 過(guò)小，轉(zhuǎn)子振幅過(guò)大，容易導(dǎo)致系統(tǒng)破壞。因此，針對(duì)柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究一直是該技術(shù)領(lǐng) 域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 為了減小磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)，國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)從兩方面進(jìn)行了研 究。 一是采取同步振動(dòng)抑制技術(shù)，二是運(yùn)用現(xiàn)代控制理論或魯棒控制理論設(shè)計(jì)控制方案以 提高支承阻尼。 但是同步振動(dòng)抑制技術(shù)難以解決柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)問(wèn)題。這是由于轉(zhuǎn)速 接近彎曲臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生明顯的彎曲變形，不平衡質(zhì)量所引起的振動(dòng)與轉(zhuǎn)子彎曲 變形狀態(tài)有關(guān)，遠(yuǎn)比剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)復(fù)雜，因此目前同步振動(dòng)抑制技術(shù)主要針對(duì)剛性轉(zhuǎn)子系 統(tǒng)。 運(yùn)用現(xiàn)代控制理論或魯棒控制理論設(shè)計(jì)合適的控制方案可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能，但目前尚不能做到大幅度提高系統(tǒng)在亞臨界及超臨界運(yùn)行時(shí)的支承阻尼，而且算法過(guò) 于復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)性較差。2000年軸承制造著名企業(yè)日本"光洋株式會(huì)社"研發(fā)中心研究人 員Hirochika Ueyama在瑞士舉辦的第7屆磁懸浮軸承國(guó)際會(huì)議上發(fā)文認(rèn)為，"盡管一些公 開(kāi)文獻(xiàn)表明，采用現(xiàn)代控制理論(LQG、Hw、i！理論等)能夠解決這個(gè)問(wèn)題，但這仍然是一個(gè) 具有挑戰(zhàn)性問(wèn)題。為了避免這個(gè)問(wèn)題，相關(guān)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目采用剛性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)"(Hirochika Ueyama，Helium Cold Compressor with ActiveMagnetic Bearings,Proc. of the 7th Int. Symp. on Magnetic Bearings, Zurich, Switzerland, August 2000， 1 6)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于將磁懸浮軸承運(yùn)用于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，即提供一種算法簡(jiǎn)單并 滿足柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所需低頻及高頻特性的磁懸浮軸承控制方法。 磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子、徑向磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承、內(nèi)置高頻 電機(jī)、磁懸浮軸承數(shù)字控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。其特征在于將轉(zhuǎn)速信號(hào)引 入磁懸浮軸承數(shù)字控制器；在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段，磁懸浮軸承數(shù)字控制器選擇不同的PID控制 參數(shù)。
由于被控對(duì)象復(fù)雜，單一的PID控制參數(shù)難以同時(shí)滿足磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 所需的低頻及高頻特性，使得磁懸浮軸承支承剛度及阻尼較小，系統(tǒng)不易越過(guò)彎曲臨界轉(zhuǎn) 速。而采用同步振動(dòng)抑制技術(shù)或基于現(xiàn)代控制理論的控制方案尚不能大幅度提高系統(tǒng)在亞 臨界及超臨界運(yùn)行時(shí)的支承阻尼，并且算法復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)性較差。為了簡(jiǎn)化算法并適應(yīng)柔性 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的控制要求，本發(fā)明將轉(zhuǎn)速信號(hào)引入磁懸浮軸承數(shù)字控制器，在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段選 擇不同的PID參數(shù)控制徑向磁懸浮軸承，目的是使得柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠在不同的轉(zhuǎn)速下， 特別是越過(guò)彎曲臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，都能具有較合適的支承剛度和阻尼，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定越過(guò) 第一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速。 同時(shí)，本發(fā)明與其他現(xiàn)有研究的不同主要在于"引入轉(zhuǎn)速信號(hào)，在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段， 數(shù)字控制器選擇不同的控制參數(shù)"，至于在什么轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)該改變參數(shù)、參數(shù)是增加或減小、 參數(shù)的變化范圍均和具體系統(tǒng)有關(guān)，可由理論分析獲得，屬于現(xiàn)有知識(shí)。


圖1為磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。 圖1中標(biāo)號(hào)名稱1為軸向傳感器組件(兩端)，2、7為徑向磁懸浮軸承組件，3為 基座，4為軸向磁懸浮軸承組件，5為高頻電機(jī)組件，6為轉(zhuǎn)子組件。圖2為系統(tǒng)的前4階模 態(tài)振型。圖3和圖4分別為不同控制參數(shù)下，第71結(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。圖 5和圖6分別為不同控制參數(shù)下，第71結(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)的測(cè)量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
首先，根據(jù)理論分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果預(yù)先在數(shù)字控制器中設(shè)置不同轉(zhuǎn)速區(qū) 段對(duì)應(yīng)的合適PID控制參數(shù)。 其次，獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)，并引入磁懸浮軸承數(shù)字控制器。將箔片貼在轉(zhuǎn)子表面，轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)時(shí)，與轉(zhuǎn)速同頻的箔片反射信號(hào)通過(guò)光電傳感器和二次變換電路轉(zhuǎn)化為電壓方波信 號(hào)，數(shù)字控制器的EV模塊捕獲單元對(duì)電壓方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即獲得轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信 息。 最后，根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，數(shù)字控制器選擇對(duì)應(yīng)的PID控制參數(shù)，各自由度的控制時(shí)
間由CPU定時(shí)器的中斷周期決定。 系統(tǒng)的前4階臨界轉(zhuǎn)速和模態(tài)振型 采用集總參數(shù)法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。將轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化為具有79個(gè)集總質(zhì)量及集總 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的結(jié)點(diǎn)模型，各結(jié)點(diǎn)間用不同的無(wú)質(zhì)量等截面彈性軸段來(lái)連接，兩個(gè)徑向磁懸浮 軸承位置分別位于第6結(jié)點(diǎn)和第74結(jié)點(diǎn)處，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程可以表示為
M^ + C》+ iC^0 式中，M、K、C分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，剛度矩陣和阻尼矩陣。狀態(tài)變量為
Z二[x,，M,^，…，、，y79H^9]，其中Xi， yi，p,， vji = 1，2， ，79)分別表示轉(zhuǎn)子第i
個(gè)結(jié)點(diǎn)在x軸和y軸方向的線位移以及繞y軸和x軸的角位移。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程即
可求出特征值和特征向量，進(jìn)而確定系統(tǒng)的各階臨界轉(zhuǎn)速和模態(tài)陣型。 兩個(gè)徑向磁懸浮軸承的控制參數(shù)相同，比例系數(shù)kp = 1. 6，積分系數(shù)ki = 1. 143，
微分系數(shù)kd = 0. 12，微分時(shí)間常數(shù)Td = 0. 06s。根據(jù)自編程序計(jì)算系統(tǒng)前4階臨界轉(zhuǎn)速分別為1442rpm、2259rpm、5294rpm、10900rpm，對(duì)應(yīng)的各階模態(tài)陣型如圖2所示。 從計(jì)算結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在1442rpm和2259rpm附近分別出現(xiàn)平動(dòng)和錐動(dòng)兩個(gè)
振動(dòng)模態(tài)，在5294rpm和10900rpm附近分別出現(xiàn)第一階和第二階彎曲振動(dòng)模態(tài)。 系統(tǒng)的不平衡響應(yīng) 當(dāng)系統(tǒng)可近似看作線性系統(tǒng)時(shí)，轉(zhuǎn)子各結(jié)點(diǎn)振動(dòng)相似，相位相同。因此可通過(guò)分析 轉(zhuǎn)子某一結(jié)點(diǎn)(非振型結(jié)點(diǎn))的振動(dòng)獲得轉(zhuǎn)子的整體振動(dòng)情況。 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不平衡響應(yīng)分析，必須已知轉(zhuǎn)子不平衡量的大小及其分布規(guī)律。然而 對(duì)一個(gè)轉(zhuǎn)子而言，這些量卻是未知的。因此不平衡響應(yīng)分析主要用于研究轉(zhuǎn)子對(duì)在某些位 置上不平衡量的敏感程度，或者在給定不平衡量情況下，通過(guò)計(jì)算在不同轉(zhuǎn)速下的不平衡 響應(yīng)，來(lái)確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。 控制參數(shù)如表1所示。在分析1中采用第1組控制參數(shù)，在分析2中采用第2組 控制參數(shù)，在分析3中，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于4500rpm時(shí)采用第1組控制參數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于4500rpm 時(shí)采用第2組控制參數(shù)。 假設(shè)各結(jié)點(diǎn)的不平衡量ej分布在同一個(gè)平面上，且有ej = 5X10—5(m)。在上述控 制參數(shù)下，計(jì)算距右端徑向磁懸浮軸承(參見(jiàn)圖l)對(duì)稱中心51mm(第71結(jié)點(diǎn))處轉(zhuǎn)子的 不平衡響應(yīng)，結(jié)果如圖3和圖4所示。
表1控制參數(shù)
kpkikdTd(s)
第l組1. 61. 1430. 120. 06
第2組1. 81. 1430. 130. 06 由圖3和圖4可以看出，在3000rpm附近分析2的振幅較大，而在4500rpm到 9000rpm區(qū)段，分析l的振幅較大。在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分析3 (變參數(shù)控制)的振幅均最 小。 系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 建立磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)裝置(圖1)?？刂茀?shù)仍如表1所示，分別進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3。在實(shí)驗(yàn)1中采用第1組控制參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)2中采用第2組控制 參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)3中，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于4500rpm時(shí)采用第1組控制參數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于4500rpm時(shí)采 用第2組控制參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，然后通過(guò)內(nèi)置高頻電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子由Or/min穩(wěn)定運(yùn) 行至10200r/min(170Hz)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速由光電傳感器測(cè)量，轉(zhuǎn)子的同頻 振動(dòng)由35670A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀根據(jù)電渦流傳感器的輸出實(shí)時(shí)獲得。電渦流傳感器的靈敏 度為6X 10—5m/V。在距右端徑向磁懸浮軸承(參見(jiàn)圖1)對(duì)稱中心51mm(第71結(jié)點(diǎn))處布 置電渦流傳感器，測(cè)得該位置轉(zhuǎn)子的同頻振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化如圖5和圖6所示。
由圖5可以看出，在3000rpm附近區(qū)段，實(shí)驗(yàn)1的振幅明顯小于實(shí)驗(yàn)2，在4500rpm 到8000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)2的振幅明顯小于實(shí)驗(yàn)1 。由圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)3 (變參數(shù)控 制)的振動(dòng)在小于4500rpm區(qū)段與實(shí)驗(yàn)1 一致，在大于4500rpm區(qū)段與實(shí)驗(yàn)2 —致，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍振幅最小
權(quán)利要求
一種基于轉(zhuǎn)速的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變參數(shù)控制方法，適用于以下結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子、徑向磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承、內(nèi)置高頻電機(jī)、磁懸浮軸承數(shù)字控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置；其特征在于將轉(zhuǎn)速信號(hào)引入磁懸浮軸承數(shù)字控制器；在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段，磁懸浮軸承數(shù)字控制器選擇不同的PID控制參數(shù)。
全文摘要
基于轉(zhuǎn)速的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變參數(shù)控制方法，屬于磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子、徑向磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承、內(nèi)置高頻電機(jī)、磁懸浮軸承數(shù)字控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。其特征在于將轉(zhuǎn)速信號(hào)引入磁懸浮軸承數(shù)字控制器；在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段，磁懸浮軸承數(shù)字控制器選擇不同的PID控制參數(shù)。
文檔編號(hào)H02N15/00GK101699752SQ20091018543
公開(kāi)日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者莊華強(qiáng), 牟偉興, 謝振宇 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)