一种转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法，包括如下步骤：1)磁悬浮转子系统奇次谐波电流扰动建模与转子位移采集；2)基于转子位移信号的转速估计方法设计；3)转速自适应磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法设计。本发明专利技术属于磁悬浮轴承谐波电流抑制技术领域，具体是一种转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法，解决基于传统重复控制器的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法需已知转子转速，不能随转子转速自适应的问题，发明专利技术一种不需要额外转速传感器的转速自适应重复控制算法，实现磁悬浮转子系统的奇次谐波电流抑制。的奇次谐波电流抑制。的奇次谐波电流抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法


[0001]本专利技术属于磁悬浮轴承谐波电流抑制
，具体是指一种转速自适应 的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法。

技术介绍

[0002]传统机械轴承相比，磁悬浮轴承具有转定子间无摩擦，无需润滑，寿命长 等特点。同时，主动磁悬浮轴承可以进行主动控制，达到减小振动、穿越临界 转速、喘振控制等目的。这使得磁悬浮轴承在旋转机械，如储能飞轮、高速电 机、压缩机中得到了越来越广泛的应用。
[0003]转子不平衡和传感器跳动是磁悬浮轴承系统中常见的干扰源，会引起线圈 控制电流中包含转速同频和奇次倍频的干扰信号，即出现奇次谐波电流，使功 耗增加，设备振动增大。常使用陷波器对特定频率的干扰进行抑制，但若谐波 数量较多，为每一阶谐波单独设计陷波器是费时费力的，也会占用更多的计算 资源。重复控制器是一种基于内模原理的谐波抑制方法，近年来，被引入磁悬 浮轴承系统，进行电流谐波的抑制，这种控制器结构简单、计算量小，在实际 应用中具有很强的适用性。在转子升降速或者变速工作时，需要根据当前转速 实时调整重复控制器。转速信息可以通过转速传感器得到，但是由于结构尺 寸、高温高速、密封等条件的限制，转速传感器在很多场合不可用。

技术实现思路

[0004]针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本专利技术提供一种转速自适应的磁 悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法，解决基于传统重复控制器的磁悬浮转子 系统奇次谐波电流抑制方法需已知转子转速，不能随转子转速自适应的问题， 专利技术一种不需要额外转速传感器的转速自适应重复控制算法，实现磁悬浮转子 系统的奇次谐波电流抑制。
[0005]本专利技术采取的技术方案如下：本专利技术一种转速自适应的磁悬浮转子系统奇 次谐波电流抑制方法，包括如下步骤：
[0006]1)磁悬浮转子系统奇次谐波电流扰动建模与转子位移采集
[0007]由于径向磁悬浮轴承的相似性和对称性，可以看成四个单输入单输出的分 散控制系统，可以对其中一个进行分析，其余方向类似；
[0008]对于一个刚性转子，其运动方程可以由牛顿第二定律得到：
[0009][0010]其中，m为转子质量，x
c
为质心的位移，f
x
为电磁力，通常可以表示为：
[0011]f
x
＝k
i
i+k
x
x
[0012]其中，k
i
、k
x
分别为电流刚度系数和位移刚度，i为线圈控制电流，x为位 移传感器实际检测到的转子位移；
[0013]由于存在转子质量不平衡，会对传感器检测的转子位移信号造成正弦扰 动，可以表示为：
[0014][0015]其中，ω为转子转速，e和分别为由于不平衡质量造成扰动的幅值和初 始相位；
[0016]由于传感器检测表面的不均匀和机械加工误差，传感器输出信号会包含转 速频率的倍频信号，即传感器跳动，在磁悬浮轴承系统中，一般以奇次谐波的 形式出现，可以表示为：
[0017][0018]其中，m是谐波的阶次(m＝1,3,5
…
)，s
m
和θ
sm
分别是m
‑
th阶谐波的幅值 和初始相位；
[0019]因为以上分析的转子不平衡和传感器跳动，传感器输出信号中包含扰动， 可以表示为：
[0020]x
d
＝k
s
x
e
+x
s
[0021]此时磁悬浮轴承线圈控制电流i
c
(s)可以表示为
[0022][0023]其中，G
c
(s)，G
a
(s)，G
p
(s)分别表示稳定控制器、功率放大器和轴承
‑
转 子，k
s
为位移传感器的增益；
[0024]在闭环系统中，由于传感器输出中包含了奇次谐波，会导致线圈控制电流 中出现相应频率的分量，使磁悬浮轴承功耗增大，基座振动变大，通过消除转 子位移信号中的奇次谐波，可以达到消除线圈奇次谐波控制电流的目的，磁悬 浮轴承系统本身需要使用传感器进行反馈控制，通过使用电涡流转子位移传感 器进行转子位移的采集，为步骤(2)和步骤(3)建立基础；
[0025]2)基于转子位移信号的转速估计方法设计
[0026]磁悬浮轴承系统中包含位移传感器，用来测量转子位移进行闭环控制，转 子位移信号中包含了转速信息，可以进行转速估计，而不需要使用额外的转速 传感器，转速估计方法设计要求为精度高、对转子位移幅值大小敏感低、受高 频信号干扰小；使用二阶广义积分
‑
锁频环方法进行转速估计设计，无论转子转 速和谐波幅值大小如何，频率估计器响应速度都是一样的；而且，对高频信号 具有一定的滤波作用，转子位移中的谐波信号对估计过程影响不大；
[0027]3)转速自适应磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法设计
[0028]在四个控制支路中，只需要在其中一个方向进行转速估计，得到的转速信 息供所有方向使用，为了方便描述，采用离散化的传递函数；包含奇次重复控 制器时，从干扰谐波信号x
d
(z)到功率放大器输出的控制电流i
c
(z)的传递函数可 以表示为：
[0029][0030]当ω＝nω0(n＝1，3，5
…
，ω0为信号基频)，假设 Q(z)＝1，1+
Q(z)z
‑
N/2
＝0，即基频的奇次倍数谐波可以被消除。
[0031]采用上述结构本专利技术取得的有益效果如下：本方案一种转速自适应的磁悬 浮转子系统奇次谐波电流抑制方法，不需要使用额外的转速传感器，利用转子 位移信号进行转速估计，得到的转速信息提供给奇次重复控制器使用，使得磁 悬浮转子系统电流谐波得到有效的抑制。
附图说明
[0032]图1为本专利技术转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法磁悬浮 轴承转子结构示意图；
[0033]图2为本专利技术转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法含有谐 波扰动的磁悬浮轴承转子系统控制框图；
[0034]图3为本专利技术转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法基于转 子位移的转速估计方法框图；
[0035]图4为本专利技术转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法转速自 适应的磁悬浮轴承奇次谐波电流抑制方法框图；
[0036]图5为本专利技术转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法磁悬浮 转子工作在转速6000rpm时转子振动位移图；
[0037]图6为本专利技术转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法磁悬浮 转子工作在转速6000rpm时通过转子振动位移进行的转速估计结果图；
[0038]图7为本专利技术转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法磁悬浮 转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种转速自适应的磁悬浮转子系统奇次谐波电流抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)磁悬浮转子系统奇次谐波电流扰动建模与转子位移采集由于径向磁悬浮轴承的相似性和对称性，可以看成四个单输入单输出的分散控制系统，可以对其中一个进行分析，其余方向类似；对于一个刚性转子，其运动方程可以由牛顿第二定律得到：m为转子质量，x
c
为质心的位移，f
x
为电磁力，通常可以表示为：f
x
＝k
i
i+k
x
xk
i
、k
x
分别为电流刚度系数和位移刚度，i为线圈控制电流，x为位移传感器实际检测到的转子位移；由于存在转子质量不平衡，会对传感器检测的转子位移信号造成正弦扰动，可以表示为：ω为转子转速，e和分别为由于不平衡质量造成扰动的幅值和初始相位；由于传感器检测表面的不均匀和机械加工误差，传感器输出信号会包含转速频率的倍频信号，即传感器跳动，在磁悬浮轴承系统中，一般以奇次谐波的形式出现，可以表示为：m是谐波的阶次(m＝1,3,5
…
)，s
m
和θ
sm
分别是m
‑
th阶谐波的幅值和初始相位；因为以上分析的转子不平衡和传感器跳动，传感器输出信号中包含扰动，可以表示为：x
d
＝k
s
x
e
+x
s
此时磁悬浮轴承线圈控制电流i
c
(s)可以表示为G
c
(s)，G
a
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张越，周瑾，徐园平，韩晓明，周扬，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：