一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法技术

本发明专利技术公开了一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法，涉及磁轴承系统主动振动抑制技术领域，其步骤包括步骤一：建立包含同频扰动力的转子本体的动力学模型；步骤二：对电磁铁进行机理分析和建模，得到由所需电磁力和转子位移距离为自变量、控制电流为因变量的电磁铁逆模型；步骤三：搭建集中式状态反馈控制器和位于各自由度的第一扩张状态观测器，组成磁轴承闭环控制系统；步骤四：确定状态反馈控制器的参数，包括位移系数矩阵和速度系数矩阵；确定扩张状态观测器的参数，相对于现有技术，本发明专利技术在保证系统稳定性的前提下，能够对非线性的电磁铁模型加以利用，进而得到更为准确的控制电流，提升系统整体的控制精度。提升系统整体的控制精度。提升系统整体的控制精度。

【技术实现步骤摘要】
一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法


[0001]本专利技术属于磁轴承系统主动振动抑制的
，特别涉及一种磁轴承系中统同频扰动的新型抑制方法。

技术介绍

[0002]随着磁轴承的应用到各种工业中如：高速精密机床、高速离心式透平机、高速飞轮储能领域；同频扰动主要是由于磁轴承转子本身存在的静、动不平衡导致的，且这种不平衡在客观上难以完全消除。当转速足够大时即使很小的不平衡也会产生很大的同频干扰，从而影响转子的旋转轨迹。所以抑制同频扰动是使磁轴承在高速旋转中保持稳定的关键。例如用于高速精密机床，扰动会使得转子的旋转变得不稳，影响工件加工质量。因此为了保证转子在高速状态下的稳定性和空间位置精度，同频干扰力带来的轴承振动必须尽可能地抑制到一个很小的量级。在高转速下，转子不同自由度之间的耦合作用往往不能忽略，导致许多以分散控制策略为基础、忽略自由度之间耦合作用的扰动抑制方法在高转速状态下控制效果不佳甚至失稳，此外，电磁铁是磁轴承系统中非线性因素较强的元件，已有的扰动抑制方法大多采用了线性化近似的方法进行处理，加大了控制器设计所用模型与真实系统之间的误差，影响转子控制的稳定性和准确性，同时，这种线性化的处理方法要求电磁铁工作在线性程度相对较好的区域，进而无法利用其在非线性工作区域的输出能力，降低了磁轴承系统实际可承受的最大载荷。
[0003]为此，本专利技术公开了一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法，相比于现有技术，本专利技术在保证系统稳定性的前提下，能够对非线性的电磁铁模型加以利用，进而得到更为准确的控制电流，提升系统整体的控制精度，且能够通过扩张状态观测器实现对于同频扰动的实时观测和补偿，进而实现较宽转速范围内的同频扰动抑制，扩张状态观测器中的参数可根据转子运行状态实时调整，其值可根据控制精度要求和控制器硬件的实时计算能力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法，相比于现有技术，本专利技术在保证系统稳定性的前提下，能够对非线性的电磁铁模型加以利用，进而得到更为准确的控制电流，提升系统整体的控制精度，且能够通过扩张状态观测器实现对于同频扰动的实时观测和补偿，进而实现较宽转速范围内的同频扰动抑制，扩张状态观测器中的参数可根据转子运行状态实时调整，其值可根据控制精度要求和控制器硬件的实时计算能力。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法，方法的步骤包括：
[0006]步骤一：建立包含同频扰动力的转子本体的动力学模型；
[0007]步骤二：对电磁铁进行机理分析和建模，得到由所需电磁力和转子位移距离为自
变量、控制电流为因变量的电磁铁逆模型；
[0008]步骤三：搭建集中式状态反馈控制器和位于各自由度的第一扩张状态观测器，组成磁轴承闭环控制系统；
[0009]步骤四：确定状态反馈控制器的参数，包括位移系数矩阵和速度系数矩阵；确定扩张状态观测器的参数；
[0010]其中，所述转子中加入第二扩张状态观测器构建同频扰动抑制闭环系统，同频扰动抑制闭环系统包括将所述转子系统的位移输出和比例微分控制器的输出共同作为扩张状态观测器的输入，实时计算系统中扰动产生的加速度。
[0011]优选地，转子本体在其左、右两侧设有径向磁轴承做为支撑，建立空间坐标系，转子在轴承坐标下的矩阵化后的动力学模为：其中，其中，其中，m为转子质量；J
x
为转子在x方向的转动惯量；J
y
为转子在y方向的转动惯量；J
z
为转子在z方向的转动惯量；g代表转子所受到的重力加速度；e为转子的静质量不平衡；ε为转子的动质量不平衡；e为转子在轴承坐标方向的偏离距离；转子在轴承坐标方向的移动速度；F
c
＝[F
c_xl F
c_yl F
c_xr F
c_yr
]T
为控制力向量，代表左、右轴承坐标下磁轴承对转子所施加的支撑力向量，ω为转子的转速；θ
x
和θ
y
分别为转子绕x轴和y轴的角度；l和n分别为左、右磁轴承到质心的距离。
[0012]优选地，磁轴承设置有上下前后四个自由度，且所述磁轴承四个自由度方向上的电磁铁实际控制电流为I
c
＝[i
c_xl i
c_yl i
c_xr i
c_yr
]T
，借助建立的非线性的电磁铁逆模型，通过控制器计算出的系统所需控制力向量F
c
和磁轴承当前位移e计算得到I
c
中各分量的数值。
[0013]优选地，构建的所述转子系统中包括明确所述四自由度状态反馈控制器的矩阵形式表达式为：其中，式中K
p
为位移系数矩阵，K
d
为速度系数。
[0014]本专利技术公开了一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法，与现有技术相比：
[0015]本专利技术在保证系统稳定性的前提下，能够对非线性的电磁铁模型加以利用，进而得到更为准确的控制电流，提升系统整体的控制精度，且能够通过扩张状态观测器实现对于同频扰动的实时观测和补偿，进而实现较宽转速范围内的同频扰动抑制，扩张状态观测器中的参数可根据转子运行状态实时调整，其值可根据控制精度要求和控制器硬件的实时计算能力。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的方法流程图；
[0017]图2为本专利技术所述的转子坐标系统示意图；
[0018]图3为本专利技术的带有扩张状态观测器的同频扰动闭环控制系统结构原理图。
具体实施方式
[0019]下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0020]如图1所示，本专利技术所公开的集中式磁轴承同频扰动抑制方法，包括如下步骤：
[0021]步骤1，对磁轴承的转子系统建立如图2所示的空间坐标系并进行受力分析，建立转子空间运动的数学模型；
[0022]步骤2，对电磁铁进行机理分析和建模，得到由所需电磁力和转子位移距离为自变量、控制电流为因变量的电磁铁逆模型；
[0023]步骤3，搭建集中式状态反馈控制器和位于各自由度的扩张状态观测器，并组成如图3所示的完整的磁轴承闭环控制系统；
[0024]步骤4，利用磁轴承运行控制器对转子在旋转过程中由于质量不平衡带来的扰动进行观测和抑制，以使系统保持运行稳定的同时大幅提高转子的空间运转精度。
[0025]进一步地，步骤1中，建立磁轴承的数学模型的具体步骤为：
[0026]步骤1.1，分别在左、右两侧轴承位置的中心处，以及转子悬浮于平衡位置时的质心处建立空间直角坐标系，分别为o
1-x1y1、o
2-x2y2和o-xy，如图2所示。
[0027]步骤1.2，在图2所示的坐标系统下，定义m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法，其特征在于，包括：步骤一：建立包含同频扰动力的转子本体的动力学模型；步骤二：对电磁铁进行机理分析和建模，得到由所需电磁力和转子位移距离为自变量、控制电流为因变量的电磁铁逆模型；步骤三：搭建集中式状态反馈控制器和位于各自由度的第一扩张状态观测器，组成磁轴承闭环控制系统；步骤四：确定状态反馈控制器的参数，包括位移系数矩阵和速度系数矩阵；确定扩张状态观测器的参数；其中，所述转子中加入第二扩张状态观测器构建同频扰动抑制闭环系统，同频扰动抑制闭环系统包括将所述转子的位移输出和比例微分控制器的输出共同作为扩张状态观测器的输入，实时计算系统中扰动产生的加速度。2.如权利要求1所述的一种磁轴承的集中式同频扰动抑制新方法，其特征在于，转子本体在其左、右两侧设有径向磁轴承做为支撑，建立空间坐标系，转子在轴承坐标下的矩阵化后的动力学模为：其中，其中，其中，m为转子质量；J
x
为转子在x方向的转动惯量；J
y
为转子在y方向的转动惯量；J
x
为转子在z方向的转动惯量；g代表转子所受到的重力加速度；e为转子的静质量不平衡；ε为转子的动质量不平衡；e为转子在轴承坐标方向的偏离距离；转子在轴承坐标方向的移动速度；F
c
＝[F
c_xl F<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广明，张灵修，欧阳慧珉，梅磊，王恒强，戴洪飞，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：