磁悬浮转子系统及其极微振动控制方法和控制装置制造方法及图纸

本公开涉及一种磁悬浮转子系统及其极微振动控制方法和控制装置，该控制方法包括：获取质心位置处的转子动力学模型，并基于该转子动力学模型推导得到磁轴承位置处的不平衡振动模型；其后，结合基于转子的位置信息得到的磁轴承位置处的位移测量信号，建立系统模型；基于自抗扰控制原理，将系统模型引入扰动分离扩张状态观测器，同步精确估计系统各通道的位移、不平衡量及其他扰动参量，基于此，建立自抗扰控制器，可使转子绕惯性轴旋转，实现系统的极微振动控制。本技术方案具有控制精度高、抗扰能力强和可实现闭环振动抑制等优点，有利于实现精密仪器设备加工制造中磁悬浮分子泵的高性能运行，及航天器姿态控制中磁悬浮控制力矩陀螺的稳定控制。

【技术实现步骤摘要】
磁悬浮转子系统及其极微振动控制方法和控制装置
本公开涉及运动控制
，尤其涉及一种磁悬浮转子系统及其极微振动控制方法和控制装置。
技术介绍
磁悬浮技术因采用无接触的支承方式，具有高转速、无摩擦、无需润滑、使用寿命长等优势，在各类旋转机械(例如磁悬浮分子泵)中具有广阔的应用前景。为了追求高精度、高能量密度以及在超静环境中运行，振动抑制成为保证设备性能的重要因素。其中，最主要的振动源是由转子质量不均匀分布导致惯性轴与几何轴偏离，在高速旋转时所产生的与转速平方成正比的同频不平衡振动力。即便很小的偏心量在高速下也会造成持续强烈的振动，产生噪声污染，严重威胁系统稳定性，加速机械疲劳失效，甚至影响其他外部设备的正常运行。对于磁轴承系统，线圈电流也会出现不平衡电流响应，降低系统能量效率。现有的不平衡振动抑制方法，使用同频陷波器抑制电流中的同频量，并提取位移信号中同频量，依据轴承力模型进行前馈实现。但是，该方法系统稳定性较差。
技术实现思路
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种磁悬浮转子系统及其极微振动控制方法和控制装置，以克服现有方法利用磁轴承刚度进行开环前馈补偿的不足。具体地，通过观测得到质心处的不平衡量及其他扰动，设计自抗扰控制器，在补偿其他扰动的同时，实现不受实际运行中轴承刚度变化影响的极微振动控制。本公开提供了一种磁悬浮转子系统极微振动控制方法，包括：获取质心位置处的转子动力学模型；基于所述转子动力学模型获取磁轴承位置处的不平衡振动模型；>实时获取转子的位置信息，转换为磁轴承位置处的位移测量信号；基于所述不平衡振动模型和所述位移测量信号，建立系统模型；基于系统模型，建立系统模型信息辅助的扰动分离扩张状态观测器；基于所述扰动分离扩张状态观测器，获取各通道的位移、不平衡量及其他扰动参量；基于所述位移、所述不平衡量以及所述其他扰动参量，建立自抗扰控制器。可选的，该控制方法还可包括：可选的，该控制方法还可包括：获取系统中的功率放大器的传递函数；基于所述传递函数，获取由各通道控制量表示的磁轴承线圈电流；基于所述磁轴承线圈电流对所述系统模型进行处理，得到包含功放环节的系统模型。可选的，所述基于系统模型，建立系统模型信息辅助的扰动分离扩张状态观测器，包括：基于所述系统模型，获取各通道的不平衡振动量之间的关系；建立四个并联并具有耦合项的扰动分离状态观测器。本公开还提供了一种磁悬浮转子系统极微振动控制装置，包括：转子动力学模型获取模块，用于获取质心位置处的转子动力学模型；不平衡振动模型获取模块，用于基于所述转子动力学模型获取磁轴承位置处的不平衡振动模型；位移测量信号转换模块，用于将实时获取到的转子的位置信息转换为磁轴承位置处的位移测量信号；系统模型建立模块，用于基于所述不平衡振动模型和所述位移测量信号，建立系统模型；扰动分离扩张状态观测器建立模块，用于基于系统模型，建立系统模型信息辅助的扰动分离扩张状态观测器；参量获取模块，用于基于所述扰动分离扩张状态观测器，获取各通道的位移、不平衡量及其他扰动参量；自抗扰控制器建立模块，用于基于所述位移、所述不平衡量以及所述其他扰动参量，建立自抗扰控制器。可选的，该控制装置还可包括功放建模模块；所述功放建模模块用于获取系统中的功率放大器的传递函数、基于所述传递函数，获取由各通道控制量表示的磁轴承线圈电流以及基于所述磁轴承线圈电流对所述系统模型进行处理，得到包含功放环节的系统模型。可选的，所述功放建模模块包括：传递函数获取子模块，用于获取系统中的功率放大器的传递函数；磁轴承线圈电流获取子模块，用于基于所述传递函数，获取由各通道控制量表示的磁轴承线圈电流；系统模型优化子模块，用于基于所述磁轴承线圈电流对所述系统模型进行处理，得到包含功放环节的系统模型。本公开还提供了一种磁悬浮转子系统，包括上述任一种控制装置。本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本技术方案的控制方法和装置，可用于磁悬浮转子系统的极微振动稳定控制，其通过系统建模得到磁轴承位置处转子不平衡量的精确模型，可实现对不平衡量的准确抑制；同时，通过设计扰动分离扩张状态观测器，同时估计不平衡量和系统其他扰动，实现对不平衡振动和其他集合干扰的同步抑制；以及，利用扰动分离扩张观测器输出的观测量，设计自抗扰控制器，提高转子系统的鲁棒性和稳定性。具体地，该控制方法包括：获取质心位置处的转子动力学模型，并基于该转子动力学模型推导得到磁轴承位置处的不平衡振动模型；其后，结合基于转子的位置信息得到的磁轴承位置处的位移测量信号，建立系统模型；基于自抗扰控制原理，将系统模型引入扰动分离扩张状态观测器，同步精确估计系统各通道的位移、不平衡量及其他扰动参量，基于此，建立自抗扰控制器，可使转子绕惯性轴旋转，实现系统的极微振动控制；具有控制精度高、抗扰能力强和可实现闭环振动抑制等优点，有利于实现精密仪器设备加工制造中磁悬浮分子泵的高性能运行，及航天器姿态控制中磁悬浮控制力矩陀螺的稳定控制。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本公开实施例提供的一种磁悬浮转子系统极微振动控制方法的流程示意图；图2为本公开实施例提供的另一种磁悬浮转子系统极微振动控制方法的流程示意图；图3为本公开实施例提供的磁悬浮转子系统极微振动控制方法的原理框图；图4为本公开实施例中的ax通道扰动分离状态观测器基本结构图；图5为本公开实施例中的ax通道自抗扰控制器的结构框图；图6为本公开实施例提供的一种磁悬浮转子系统极微振动控制装置的结构示意图；图7为本公开实施例提供的另一种磁悬浮转子系统极微振动控制装置的结构示意图。具体实施方式为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开实施例的技术方案的实现原理是：由质量分布不均匀导致的转子惯性轴与几何轴偏离，在高速旋转时所产生的与转速平方成正比的同频不平衡振动力和力矩，通过磁轴承的电流响应传递到系统机壳，造成整体的不平衡振动。不平衡量在质心位置的具体表达形式是与转速同频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁悬浮转子系统极微振动控制方法，其特征在于，包括：/n获取质心位置处的转子动力学模型；/n基于所述转子动力学模型获取磁轴承位置处的不平衡振动模型；/n实时获取转子的位置信息，转换为磁轴承位置处的位移测量信号；/n基于所述不平衡振动模型和所述位移测量信号，建立系统模型；/n基于系统模型，建立系统模型信息辅助的扰动分离扩张状态观测器；/n基于所述扰动分离扩张状态观测器，获取各通道的位移、不平衡量及其他扰动参量；/n基于所述位移、所述不平衡量以及所述其他扰动参量，建立自抗扰控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮转子系统极微振动控制方法，其特征在于，包括：
获取质心位置处的转子动力学模型；
基于所述转子动力学模型获取磁轴承位置处的不平衡振动模型；
实时获取转子的位置信息，转换为磁轴承位置处的位移测量信号；
基于所述不平衡振动模型和所述位移测量信号，建立系统模型；
基于系统模型，建立系统模型信息辅助的扰动分离扩张状态观测器；
基于所述扰动分离扩张状态观测器，获取各通道的位移、不平衡量及其他扰动参量；
基于所述位移、所述不平衡量以及所述其他扰动参量，建立自抗扰控制器。


2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：
获取系统中的功率放大器的传递函数；
基于所述传递函数，获取由各通道控制量表示的磁轴承线圈电流；
基于所述磁轴承线圈电流对所述系统模型进行处理，得到包含功放环节的系统模型。


3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述基于系统模型，建立系统模型信息辅助的扰动分离扩张状态观测器，包括：
基于所述系统模型，获取各通道的不平衡振动量之间的关系；
建立四个并联并具有耦合项的扰动分离状态观测器。


4.一种磁悬浮转子系统极微振动控制装置，其特征在于，包括：
转子动力学模型获取模块，用于获取质心位置处的转子动力学模型；
不平衡振动模型获取模块，用于基于所述转子动力学模型获取磁轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，柳逸凡，郑世强，周金祥，董宝田，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33