一种无需转速的电磁轴承制造技术

本发明专利技术公开了一种无需转速的电磁轴承

【技术实现步骤摘要】
一种无需转速的电磁轴承
–
转子系统自动平衡方法


[0001]本专利技术有关于电磁轴承
–
转子系统振动控制领域，具体涉及一种无需转速的电磁轴承
–
柔性转子系统的自动平衡方法。

技术介绍

[0002]电磁轴承
–
转子系统在高速旋转机械中应用广泛。由于机械加工误差、材料不均匀等原因，转子必然存在不平衡，因此在旋转过程中产生了与转速同步的不平衡激励力。不平衡激励力的幅值与转速的平方成正比，高转速下的不平衡力不仅会造成转子振动，也会通过轴承传递到基座造成基座振动。同时，控制电流增加，容易造成功率放大器饱和，影响到电磁轴承系统的稳定性。目前，对该类问题的解决方法是采用一个陷波器滤除位移信号中同频分量，进而降低控制电流，转子趋向于围绕惯性轴进行旋转。称这样的电磁轴承系统为自动平衡系统。
[0003]目前，电磁轴承
–
转子系统的控制方法主要有串接通用滤波器的控制结构和采用插入式的自适应滤波器结构。由于通用陷波器对中心频率前的信号存在相位滞后，因此多用于恒速场合。对于变速场合，一般采用自适应最小均方算法，该算法基于实时转速构建一个旋转坐标系，将x和y方向的正弦振动变换成旋转坐标系中的定点，然后利用积分器来跟踪该信号并进行陷波。
[0004]现有技术严重依赖于实时转速，存在以下问题：(1)额外的转速传感器增加了系统成本，降低了系统可靠性。在嵌入式数字控制器中，对脉冲计时存在测量精度和实时性的矛盾，在电机转速快速升高或带载自由停车时，容易出现转速不准确的情况，进而影响到系统稳定；(2)具有迭代过程的广义积分器、最小均方算法存在快速性和稳定性、迭代步长和收敛速度的矛盾，在实际运行过程中可能会出现反复迭代、效果时好时坏的问题；(3)陷波器影响系统相位，在刚体临界转速之前会造成系统不稳定。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无需转速信号的磁轴承
–
转子系统自动平衡方法。采用线性扩展状态观测器(LESO)来构成陷波器。该方法不需要实时转速就可以降低电磁轴承
–
转子系统振动、控制电流和基座振动。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种无需转速的电磁轴承
–
转子系统自动平衡方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1，建立线性扩展状态观测器的数学模型，具体为：
[0008]将电磁轴承
–
转子系统的单个控制通道简化为一个二阶系统，描述为：
[0009][0010]其中，y为位移，ξ为包括同频不平衡力在内的扰动，bu为控制器产生的控制力，λ1、λ2和b代表二阶对象的特征，b由已知的部分b0和未知的部分组成；
[0011]在设计控制器时定义总扰动为：
[0012][0013]将总扰动作为第3个状态变量，对被控二阶对象和扰动构建的线性扩展状态观测器的状态方程为：
[0014][0015]其中，状态向量z＝[z
1 z
2 z3]T
，z1、z2及z3分别为电磁轴承
–
转子系统位移、位移的导数及总扰动的观测值，A为观测器的系统矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，L为修正矩阵；
[0016]当状态方程中不包含物理模型时，C＝[1 0 0]，其中β1，β2，β3为配置观测器极点求得的待定系数；
[0017]当状态方程中包含物理模型时，C＝[1 0 0]，其中a0为观测器刚度，a1为观测器阻尼；
[0018]S2，设计线性扩展状态观测器陷波器的控制结构，将扰动造成的振动进行衰减，具体为：
[0019]将线性扩展状态观测器的输入信号设为位移y，将线性扩展状态观测器的输出信号设为状态变量z1；首先，在第一个离散周期时，线性扩展状态观测器的输入信号设为位移y(1)，然后，经过1个离散周期的运算，输出信号为z1(1)；在第二个离散周期时，将当前的位移y(2)与输出z1(1)进行相减，并将结果作为新的线性扩展状态观测器输入；经过1个离散周期的运算，输出信号为z1(2)，用于在第三个离散周期时的y(3)与z1(2)相减；以此规律进行，同时，每一步相减后的信号进入控制器用于维持系统的稳定；
[0020]S3，进行线性扩展状态观测器极点配置，极点配置方法具体为：
[0021]将线性扩展状态观测器的极点分为决定谐振频率和阻尼比的一对共轭极点s1、s2和决定跟踪速度的极点s3；共轭极点s1和s2为以下形式：
[0022][0023]其中，η为阻尼比，ω
n
为谐振频率，j为虚数单位；这对极点使线性扩展状态观测器在谐振频率处产生一个谐振区；
[0024]当线性扩展状态观测器的输入是位移y，输出是状态方程的第一个状态变量z1时，在小于谐振区的频率范围内，线性扩展状态观测器的输出与输入相等；在谐振区内，线性扩展状态观测器的输出先增大再减小；在高于谐振区的频率范围内，线性扩展状态观测器的输出小于输入；谐振频率ω
n
用于调节谐振区的中心位置，阻尼比η用于调节线性扩展状态观测器的谐振区阻尼；
[0025]第三个极点s3为以下形式：
[0026]s3＝
‑
eηω
n
[0027]其中，e为误差放大比，用于降低线性扩展状态观测器的跟踪误差；
[0028]当输入信号的频率超过线性扩展状态观测器的谐振频率时，线性扩展状态观测器
的输出信号不能准确跟踪输入信号，其输出呈减小趋势；将极点s3配置到左半平面的更远位置时，没有改变谐振频率，而是增大了输出幅值，缩小了跟踪误差；
[0029]S4，内嵌物理模型
[0030]线性扩展状态观测器状态方程中可内嵌物理模型，观测器刚度a0用于调节谐振频率，增加观测器刚度a0的值使谐振频率上升，与提高极点谐振频率的作用相同；观测器阻尼a1用于调节线性扩展状态观测器的谐振效应，减小观测器阻尼a1增强了谐振点处的负增益，与减小极点配置的阻尼比η的作用相同；通过内嵌物理模型，降低观测器数学模型的L矩阵值，从而降低噪声灵敏度。
[0031]进一步地，从位移输入y到线性扩展状态观测器的运行输出z1的传递函数为：
[0032][0033]其中，s为拉普拉斯算子；组成陷波器的传递函数为：
[0034][0035]由于陷波器结构的作用，使该陷波器在低于观测器谐振区的范围内具有至少6dB的负增益。
[0036]进一步地，所述极点配置方法对线性扩展状态观测器陷波器的频率特性构成的影响分别是：
[0037]决定谐振频率和阻尼比的共轭极点使观测器在谐振频率附近产生一个谐振区，在谐振区内，陷波器的幅值随频率先减小后增大，形成一个具有最小值的负增益区和具有最大值的正增益区；负增益区的最小值的频率等于谐振频率；阻尼比越小，谐振区内的最小值和最大值均增加，谐振区变宽，谐振区内的负增益区的频段本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无需转速的电磁轴承
–
转子系统自动平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立线性扩展状态观测器的数学模型，具体为：将电磁轴承
–
转子系统的单个控制通道简化为一个二阶系统，描述为：其中，y为位移，ξ为包括同频不平衡力在内的扰动，bu为控制器产生的控制力，λ1、λ2和b代表二阶对象的特征，b由已知的部分b0和未知的部分组成；在设计控制器时定义总扰动为：将总扰动作为第3个状态变量，对被控二阶对象和扰动构建的线性扩展状态观测器的状态方程为：其中，状态向量z＝[z
1 z
2 z3]
T
，z1、z2及z3分别为电磁轴承
–
转子系统位移、位移的导数及总扰动的观测值，A为观测器的系统矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，L为修正矩阵；当状态方程中不包含物理模型时，其中β1，β2，β3为配置观测器极点求得的待定系数；当状态方程中包含物理模型时，其中a0为观测器刚度，a1为观测器阻尼；S2，设计线性扩展状态观测器陷波器的控制结构，将扰动造成的振动进行衰减，具体为：将线性扩展状态观测器的输入信号设为位移y，将线性扩展状态观测器的输出信号设为状态变量z1；首先，在第一个离散周期时，线性扩展状态观测器的输入信号设为位移y(1)，然后，经过1个离散周期的运算，输出信号为z1(1)；在第二个离散周期时，将当前的位移y(2)与输出z1(1)进行相减，并将结果作为新的线性扩展状态观测器输入；经过1个离散周期的运算，输出信号为z1(2)，用于在第三个离散周期时的y(3)与z1(2)相减；以此规律进行，同时，每一步相减后的信号进入控制器用于维持系统的稳定；S3，进行线性扩展状态观测器极点配置，极点配置方法具体为：将线性扩展状态观测器的极点分为决定谐振频率和阻尼比的一对共轭极点s1、s2和决定跟踪速度的极点s3；共轭极点s1和s2为以下形式：其中，η为阻尼比，ω
n
为谐振频率，j为虚数单位；这对极点使线性扩展状态观测器在谐振频率处产生一个谐振区；当线性扩展状态观测器的输入是位移y，输出是状态方程的第一个状态变量z1时，在小于谐振区的频率范围内，线性扩展状态观测器的输出与输入相等；在谐振区内，线性扩展状
态观测器的输出先增大再减小；在高于谐振区的频率范围内，线性扩展状态观测器的输出小于输入；谐振频率ω
n
用于调节谐振区的中心位置，阻尼比η用于调节线性扩展状态观测器的谐振区阻尼；第三个极点s3为以下形式：s3＝
‑
eηω
n
其中，e为误差放大比，用于降低线性扩展状态观测器的跟踪误差；当输入信号的频率超过线性扩展状态观测器的谐振频率时，线性扩展状态观测器的输出信号不能准确跟踪输入信号，其输出呈减小趋势；将极点s3配置到左半平面的更远位置时，没有改变谐振频率，而是增大了输出幅值，缩小了跟踪误差；S4，内嵌物理模型线性扩展状态观测器状态方程中可内嵌物理模型，观测器刚度a0用于调节谐振频率，增加观测器刚度a0的值使谐振频率上升...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝长生，李翁衡，
申请(专利权)人：浙江高旋动力装备有限公司，
类型：发明
国别省市：