AMBs制造技术

本发明专利技术公开了AMBs

【技术实现步骤摘要】
AMBs
–
刚性转子系统径向解耦和轴向PID控制器的设计方法


[0001]本专利技术属于电磁轴承控制
，具体是涉及到AMBs
–
刚性转子系统径向解耦和轴向PID控制器的设计方法。

技术介绍

[0002]电磁轴承(active magnetic bearings,AMBs)具有无需润滑、无需频繁维护、能够进行振动主动控制等优势，已经在高速旋转机械领域得到了广泛应用。然而，由于AMBs提供的电磁力随着转子和磁极表面之间的气隙的增大而减小，AMBs
–
刚性转子系统是一个具有负刚度特性的开环不稳定系统。为了使AMBs
–
刚性转子系统稳定运行且具备良好的动态性能，必须设计一个合适的控制器。
[0003]PID控制由于其结构简单、调节方便、适用性强等优点，在AMBs
–
刚性转子系统中得到了广泛应用。如何整定PID控制器的参数，使系统满足稳定性、动态性能及其它性能指标的要求，是PID控制器在实际应用中的关键。然而，目前PID控制器的设计方法均是用于整定分散PID控制参数，并未考虑转子在径向方向上的平动和锥动的耦合。当AMBs
–
刚性转子系统的两端径向AMBs到质心的距离相差较大时，平动和锥动的耦合较强，难以确定各分散PID参数与转子系统平动和锥动的运动特性之间的变化关系，此时PID参数的整定工作非常困难。除此之外，在实际应用过程中，一般关心AMBs
–
刚性转子系统能否在不平衡激励下安全可靠地穿越刚体临界转速，以及能否在运行过程中保持较低的能量损耗和发热量，而在现有的PID控制器的设计方法中，参数的整定往往是依据刚度、阻尼或稳定裕度等指标来进行的，显得不够直观明确，且对实际应用场合的指导作用有限。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提出一种AMBs
–
刚性转子系统径向解耦和轴向PID控制器的设计方法，该方法主要用于解决平动锥动强耦合的AMBs
–
刚性转子系统PID控制器参数的整定问题，使转子系统能够在全转速范围内以较小的振动响应安全可靠地稳定运行的同时，保持较低的能量损耗和发热量。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种AMBs
–
刚性转子系统径向解耦和轴向PID控制器的设计方法，该方法包括以下步骤：
[0006](1)基于转子系统稳定性以及刚度阻尼特性的要求，构造径向解耦PID控制器，将径向解耦PID控制参数与转子系统稳定性以及平动锥动的刚度阻尼特性分别关联起来，初步确定PID控制各参数的取值范围；
[0007](2)基于转子系统的径向偏置电流和初步确定的径向解耦PID控制器的比例、微分及积分系数，根据转子系统径向不平衡振动响应和不平衡控制电流响应随径向解耦PID控制器的比例和微分系数的变化关系来进一步调节径向解耦PID控制器的比例和微分系数；
[0008](3)基于转子系统稳定性以及刚度阻尼特性的要求，将轴向PID控制参数与转子系统稳定性以及刚度阻尼特性关联起来，初步确定轴向PID控制参数的取值范围；
[0009](4)基于转子系统的轴向偏置电流和初步确定的轴向PID控制参数，根据转子系统对轴向激励力的轴向振动响应和控制电流响应随轴向PID控制器的比例和微分系数的变化关系来进一步调节轴向PID控制器的比例和微分系数。
[0010]进一步地，所述步骤(1)的具体过程如下：
[0011](1.1)构造的径向解耦PID控制器的比例系数矩阵K
Pr2
、微分系数矩阵K
Dr2
和积分系数矩阵K
Ir2
为：
[0012][0013]其中，K
ri0
＝diag([i
0a i
0b i
0a i
0b
])，i
0a
和i
0b
分别是径向电磁轴承AMB的A端和B端的偏置电流；是电磁力的变换矩阵，l
a
和l
b
分别是转子质心到径向AMB的A端和B端的轴向距离；k
iri
和k
hri
分别是与径向AMBs结构的线圈匝数和磁极截面积相关的参数。是坐标变换矩阵，l
sa
和l
sb
分别是转子质心到径向传感器A和径向传感器B的轴向距离；K
Pr3
＝diag([k
Prr k
Prt k
Prr k
Prt
])，k
Prr
和k
Prt
分别是径向解耦PID控制器在锥动和平动系统中的比例系数。K
Ir3
＝diag([k
Irr k
Irt k
Irr k
Irt
])，k
Irr
和k
Irt
分别是径向解耦PID控制器在锥动和平动系统中的积分系数。K
Dr3
＝diag([k
Drr k
Drt k
Drr k
Drt
])，k
Drr
和k
Drt
分别是径向解耦PID控制器在锥动和平动系统中的微分系数。
[0014](1.2)根据转子系统对平动运动的稳定性和刚度阻尼特性的要求，确定径向解耦PID控制器与平动相关的PID系数取值范围为：
[0015][0016]其中，m是转子的质量。
[0017]根据转子系统对锥动运动的稳定性和刚度阻尼特性的要求，确定径向解耦PID控制器与锥动相关的PID系数取值范围为：
[0018][0019]其中，J
r
是转子的赤道转动惯量。
[0020]进一步地，所述步骤(2)的具体过程如下：
[0021](2.1)径向偏置电流i
0a
和i
0b
的整定
[0022]设定径向静态控制电流不超过对应偏置电流的10％，得到径向偏置电流i
0a
和i
0b
取值范围为：
[0023][0024]其中，g为重力加速度。
[0025](2.2)径向比例和微分系数k
Prt
、k
Drt
、k
Prr
和k
Drr
的整定
[0026]转子在传感器A和B位置x方向上的径向位移X
sa
(s)和X
sb
(s)与F
εx1
(s)的关系为：
[0027][0028][0029]其中，ε和ε
z
分别是转子的不平衡质量在径向和轴向的偏移，ω和φ分别是转子绕z轴旋转的角速度和角位移，F
εx1
(s)是单位余弦函数f
εx1
(t)＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AMBs
–
刚性转子系统径向解耦和轴向PID控制器的设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)基于转子系统稳定性以及刚度阻尼特性的要求，构造径向解耦PID控制器，将径向解耦PID控制参数与转子系统稳定性以及平动锥动的刚度阻尼特性分别关联起来，初步确定PID控制各参数的取值范围；(2)基于转子系统的径向偏置电流和初步确定的径向解耦PID控制器的比例、微分及积分系数，根据转子系统径向不平衡振动响应和不平衡控制电流响应随径向解耦PID控制器的比例和微分系数的变化关系来进一步调节径向解耦PID控制器的比例和微分系数；(3)基于转子系统稳定性以及刚度阻尼特性的要求，将轴向PID控制参数与转子系统稳定性以及刚度阻尼特性关联起来，初步确定轴向PID控制参数的取值范围；(4)基于转子系统的轴向偏置电流和初步确定的轴向PID控制参数，根据转子系统对轴向激励力的轴向振动响应和控制电流响应随轴向PID控制器的比例和微分系数的变化关系来进一步调节轴向PID控制器的比例和微分系数。2.根据权利要求1所述的AMBs
‑
刚性转子系统径向解耦和轴向PID控制器的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体过程如下：(1.1)构造的径向解耦PID控制器的比例系数矩阵K
Pr2
、微分系数矩阵K
Dr2
和积分系数矩阵K
Ir2
为：其中，K
ri0
＝diag([i
0a i
0b i
0a i
0b
])，i
0a
和i
0b
分别是径向电磁轴承AMB的A端和B端的偏置电流；是电磁力的变换矩阵，l
a
和l
b
分别是转子质心到径向AMB的A端和B端的轴向距离；k
iri
和k
hri
分别是与径向AMBs结构的线圈匝数和磁极截面积相关的参数。是坐标变换矩阵，l
sa
和l
sb
分别是转子质心到径向传感器A和径向传感器B的轴向距离；K
Pr3
＝diag([k
Prr k
Prt k
Prr k
Prt
])，k
Prr
和k
Prt
分别是径向解耦PID控制器在锥动和平动系统中的比例系数。K
Ir3
＝diag([k
Irr k
Irt k
Irr k
Irt
])，k
Irr
和k
Irt
分别是径向解耦PID控制器在锥动和平动系统中的积分系数。K
Dr3
＝diag([k
Drr k
Drt k
Drr k
Drt
])，k
Drr
和k
Drt
分别是径向解耦PID控制器在锥动和平动系统中的微分系数。(1.2)根据转子系统对平动运动的稳定性和刚度阻尼特性的要求，确定径向解耦PID控制器与平动相关的PID系数取值范围为：
其中，m是转子的质量。根据转子系统对锥动运动的稳定性和刚度阻尼特性的要求，确定径向解耦PID控制器与锥动相关的PID系数取值范围为：其中，J
r

【专利技术属性】
技术研发人员：祝长生，周天豪，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：