專利名稱：基于轉(zhuǎn)速的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變參數(shù)控制方法
技術領域：
基于轉(zhuǎn)速的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變參數(shù)控制方法，屬于磁懸浮技術領域。
背景技術：
和傳統(tǒng)軸承相比，磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子無接觸，支承功耗小，使用壽命長；不需要潤 滑和密封，可長期用于高低溫等特殊環(huán)境中；維護費用低、便于主動控制等等，因而被認為 是支承技術的一次革命，是目前唯一投入實用的主動支承裝置。磁懸浮軸承主要用于剛性 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于旋轉(zhuǎn)機械高速、重載、細長發(fā)展的要求，現(xiàn)正逐步擴展到柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。
但是，國內(nèi)外相關研究結(jié)果表明，將磁懸浮軸承運用于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在著較大 的困難。主要原因是磁懸浮軸承的等效剛度和阻尼受整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制參數(shù)穩(wěn)定區(qū)域的 限制， 一般比動壓滑動軸承小2 3個數(shù)量級。在系統(tǒng)接近或越過彎曲臨界轉(zhuǎn)速時，因阻尼 過小，轉(zhuǎn)子振幅過大，容易導致系統(tǒng)破壞。因此，針對柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究一直是該技術領 域的熱點和難點。 為了減小磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動，國內(nèi)外許多文獻從兩方面進行了研 究。 一是采取同步振動抑制技術，二是運用現(xiàn)代控制理論或魯棒控制理論設計控制方案以 提高支承阻尼。 但是同步振動抑制技術難以解決柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動問題。這是由于轉(zhuǎn)速 接近彎曲臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生明顯的彎曲變形，不平衡質(zhì)量所引起的振動與轉(zhuǎn)子彎曲 變形狀態(tài)有關，遠比剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)復雜，因此目前同步振動抑制技術主要針對剛性轉(zhuǎn)子系 統(tǒng)。 運用現(xiàn)代控制理論或魯棒控制理論設計合適的控制方案可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性 能，但目前尚不能做到大幅度提高系統(tǒng)在亞臨界及超臨界運行時的支承阻尼，而且算法過 于復雜，可實現(xiàn)性較差。2000年軸承制造著名企業(yè)日本"光洋株式會社"研發(fā)中心研究人 員Hirochika Ueyama在瑞士舉辦的第7屆磁懸浮軸承國際會議上發(fā)文認為，"盡管一些公 開文獻表明，采用現(xiàn)代控制理論(LQG、Hw、i！理論等)能夠解決這個問題，但這仍然是一個 具有挑戰(zhàn)性問題。為了避免這個問題，相關實際應用項目采用剛性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)"(Hirochika Ueyama，Helium Cold Compressor with ActiveMagnetic Bearings,Proc. of the 7th Int. Symp. on Magnetic Bearings, Zurich, Switzerland, August 2000， 1 6)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于將磁懸浮軸承運用于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，即提供一種算法簡單并 滿足柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所需低頻及高頻特性的磁懸浮軸承控制方法。 磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子、徑向磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承、內(nèi)置高頻 電機、磁懸浮軸承數(shù)字控制器、電機驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速測量裝置。其特征在于將轉(zhuǎn)速信號引 入磁懸浮軸承數(shù)字控制器；在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段，磁懸浮軸承數(shù)字控制器選擇不同的PID控制 參數(shù)。
由于被控對象復雜，單一的PID控制參數(shù)難以同時滿足磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 所需的低頻及高頻特性，使得磁懸浮軸承支承剛度及阻尼較小，系統(tǒng)不易越過彎曲臨界轉(zhuǎn) 速。而采用同步振動抑制技術或基于現(xiàn)代控制理論的控制方案尚不能大幅度提高系統(tǒng)在亞 臨界及超臨界運行時的支承阻尼，并且算法復雜，可實現(xiàn)性較差。為了簡化算法并適應柔性 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的控制要求，本發(fā)明將轉(zhuǎn)速信號引入磁懸浮軸承數(shù)字控制器，在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段選 擇不同的PID參數(shù)控制徑向磁懸浮軸承，目的是使得柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠在不同的轉(zhuǎn)速下， 特別是越過彎曲臨界轉(zhuǎn)速時，都能具有較合適的支承剛度和阻尼，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定越過 第一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速。 同時，本發(fā)明與其他現(xiàn)有研究的不同主要在于"引入轉(zhuǎn)速信號，在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段， 數(shù)字控制器選擇不同的控制參數(shù)"，至于在什么轉(zhuǎn)速時應該改變參數(shù)、參數(shù)是增加或減小、 參數(shù)的變化范圍均和具體系統(tǒng)有關，可由理論分析獲得，屬于現(xiàn)有知識。
圖1為磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)圖。 圖1中標號名稱1為軸向傳感器組件(兩端)，2、7為徑向磁懸浮軸承組件，3為 基座，4為軸向磁懸浮軸承組件，5為高頻電機組件，6為轉(zhuǎn)子組件。圖2為系統(tǒng)的前4階模 態(tài)振型。圖3和圖4分別為不同控制參數(shù)下，第71結(jié)點處轉(zhuǎn)子不平衡響應的計算結(jié)果。圖 5和圖6分別為不同控制參數(shù)下，第71結(jié)點處轉(zhuǎn)子同頻振動的測量結(jié)果。
具體實施例方式
首先，根據(jù)理論分析和試驗模態(tài)分析的結(jié)果預先在數(shù)字控制器中設置不同轉(zhuǎn)速區(qū) 段對應的合適PID控制參數(shù)。 其次，獲取轉(zhuǎn)速信號，并引入磁懸浮軸承數(shù)字控制器。將箔片貼在轉(zhuǎn)子表面，轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)時，與轉(zhuǎn)速同頻的箔片反射信號通過光電傳感器和二次變換電路轉(zhuǎn)化為電壓方波信 號，數(shù)字控制器的EV模塊捕獲單元對電壓方波信號進行計數(shù)，即獲得轉(zhuǎn)子的實時轉(zhuǎn)速信 息。 最后，根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，數(shù)字控制器選擇對應的PID控制參數(shù)，各自由度的控制時
間由CPU定時器的中斷周期決定。 系統(tǒng)的前4階臨界轉(zhuǎn)速和模態(tài)振型 采用集總參數(shù)法建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。將轉(zhuǎn)子簡化為具有79個集總質(zhì)量及集總 轉(zhuǎn)動慣量的結(jié)點模型，各結(jié)點間用不同的無質(zhì)量等截面彈性軸段來連接，兩個徑向磁懸浮 軸承位置分別位于第6結(jié)點和第74結(jié)點處，系統(tǒng)運動微分方程可以表示為
M^ + C》+ iC^0 式中，M、K、C分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，剛度矩陣和阻尼矩陣。狀態(tài)變量為
Z二[x,，M,^，…，、，y79H^9]，其中Xi， yi，p,， vji = 1，2， ，79)分別表示轉(zhuǎn)子第i
個結(jié)點在x軸和y軸方向的線位移以及繞y軸和x軸的角位移。根據(jù)系統(tǒng)運動微分方程即
可求出特征值和特征向量，進而確定系統(tǒng)的各階臨界轉(zhuǎn)速和模態(tài)陣型。 兩個徑向磁懸浮軸承的控制參數(shù)相同，比例系數(shù)kp = 1. 6，積分系數(shù)ki = 1. 143，
微分系數(shù)kd = 0. 12，微分時間常數(shù)Td = 0. 06s。根據(jù)自編程序計算系統(tǒng)前4階臨界轉(zhuǎn)速分別為1442rpm、2259rpm、5294rpm、10900rpm，對應的各階模態(tài)陣型如圖2所示。 從計算結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在1442rpm和2259rpm附近分別出現(xiàn)平動和錐動兩個
振動模態(tài)，在5294rpm和10900rpm附近分別出現(xiàn)第一階和第二階彎曲振動模態(tài)。 系統(tǒng)的不平衡響應 當系統(tǒng)可近似看作線性系統(tǒng)時，轉(zhuǎn)子各結(jié)點振動相似，相位相同。因此可通過分析 轉(zhuǎn)子某一結(jié)點(非振型結(jié)點)的振動獲得轉(zhuǎn)子的整體振動情況。 對系統(tǒng)進行不平衡響應分析，必須已知轉(zhuǎn)子不平衡量的大小及其分布規(guī)律。然而 對一個轉(zhuǎn)子而言，這些量卻是未知的。因此不平衡響應分析主要用于研究轉(zhuǎn)子對在某些位 置上不平衡量的敏感程度，或者在給定不平衡量情況下，通過計算在不同轉(zhuǎn)速下的不平衡 響應，來確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。 控制參數(shù)如表1所示。在分析1中采用第1組控制參數(shù)，在分析2中采用第2組 控制參數(shù)，在分析3中，當轉(zhuǎn)速小于4500rpm時采用第1組控制參數(shù)，當轉(zhuǎn)速大于4500rpm 時采用第2組控制參數(shù)。 假設各結(jié)點的不平衡量ej分布在同一個平面上，且有ej = 5X10—5(m)。在上述控 制參數(shù)下，計算距右端徑向磁懸浮軸承(參見圖l)對稱中心51mm(第71結(jié)點)處轉(zhuǎn)子的 不平衡響應，結(jié)果如圖3和圖4所示。
表1控制參數(shù)
kpkikdTd(s)
第l組1. 61. 1430. 120. 06
第2組1. 81. 1430. 130. 06 由圖3和圖4可以看出，在3000rpm附近分析2的振幅較大，而在4500rpm到 9000rpm區(qū)段，分析l的振幅較大。在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分析3 (變參數(shù)控制)的振幅均最 小。 系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)實驗 建立磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗裝置(圖1)?？刂茀?shù)仍如表1所示，分別進 行實驗1、實驗2和實驗3。在實驗1中采用第1組控制參數(shù)，在實驗2中采用第2組控制 參數(shù)，在實驗3中，當轉(zhuǎn)速小于4500rpm時采用第1組控制參數(shù)，當轉(zhuǎn)速大于4500rpm時采 用第2組控制參數(shù)。 實驗時，首先將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，然后通過內(nèi)置高頻電機帶動轉(zhuǎn)子由Or/min穩(wěn)定運 行至10200r/min(170Hz)。系統(tǒng)運行過程中，轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速由光電傳感器測量，轉(zhuǎn)子的同頻 振動由35670A動態(tài)信號分析儀根據(jù)電渦流傳感器的輸出實時獲得。電渦流傳感器的靈敏 度為6X 10—5m/V。在距右端徑向磁懸浮軸承(參見圖1)對稱中心51mm(第71結(jié)點)處布 置電渦流傳感器，測得該位置轉(zhuǎn)子的同頻振動隨轉(zhuǎn)速變化如圖5和圖6所示。
由圖5可以看出，在3000rpm附近區(qū)段，實驗1的振幅明顯小于實驗2，在4500rpm 到8000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實驗2的振幅明顯小于實驗1 。由圖6可以看出，實驗3 (變參數(shù)控 制)的振動在小于4500rpm區(qū)段與實驗1 一致，在大于4500rpm區(qū)段與實驗2 —致，在整個轉(zhuǎn)速范圍振幅最小
權利要求
一種基于轉(zhuǎn)速的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變參數(shù)控制方法，適用于以下結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子、徑向磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承、內(nèi)置高頻電機、磁懸浮軸承數(shù)字控制器、電機驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速測量裝置；其特征在于將轉(zhuǎn)速信號引入磁懸浮軸承數(shù)字控制器；在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段，磁懸浮軸承數(shù)字控制器選擇不同的PID控制參數(shù)。
全文摘要
基于轉(zhuǎn)速的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變參數(shù)控制方法，屬于磁懸浮技術領域。系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子、徑向磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承、內(nèi)置高頻電機、磁懸浮軸承數(shù)字控制器、電機驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速測量裝置。其特征在于將轉(zhuǎn)速信號引入磁懸浮軸承數(shù)字控制器；在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段，磁懸浮軸承數(shù)字控制器選擇不同的PID控制參數(shù)。
文檔編號H02N15/00GK101699752SQ20091018543
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權日2009年11月9日
發(fā)明者莊華強, 牟偉興, 謝振宇 申請人:南京航空航天大學