基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電流補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及特種交流電機驅動控制技術領域，尤其適用于無軸承電機的高精度懸 浮運行控制，是一種實用的無軸承電機轉子振動不平衡電流補償方法。
【背景技術】
[0002] 無軸承電機是基于磁軸承與交流電機定子結構的相似性，近年來發展起來的適合 于高速運轉的新型電機，在航空航天、物料密封傳輸、先進制造等領域具有廣泛的應用前 景。作為旋轉驅動電機，由于材質不均、加工精度、裝配誤差等原因，不可避免會存在一定程 度的轉子質量偏心，在旋轉時將產生與轉速同頻的激振力，導致轉子不平衡振動，影響轉子 的懸浮控制精度。
[0003] 經對現有文獻和專利的檢索發現，關于無軸承電機的轉子不平衡振動控制技術， 國內外的研究成果較少，而且主要集中靜態磁場定向控制基礎上的同步型無軸承電機的不 平衡振動"位移補償"控制，而且沒有根據位移特點對隨機徑向位移和不平衡位移進行分別 獨立控制，不平衡振動抑制效果有限，為提高無軸承電機轉子徑向位移控制的實時性和高 精度，需要引入"逆系統控制"等現代控制理論，對轉子隨機位移和不平衡位移進行獨立解 耦控制，采用新型的電流補償方式，構建基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電流補 償方法，以便用于無軸承電機轉子振動不平衡電流補償控制系統，提高轉子的懸浮控制精 度和實時性。
【發明內容】
[0004] 本發明的主要目的是提供一種基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電流補 償方法，所解決的技術問題是在隨機位移逆系統動態解耦控制的基礎上進行轉子不平衡振 動電流的有效補償。
[0005] 本發明是采用以下技術方案及技術措施來實現的。
[0006] 依據本發明提出的一種基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電流補償方法， 包括如下步驟： (1) 定義?/κ坐標系是隨無軸承轉子同步旋轉的機械坐標系，α β坐標系是靜止正交機 械坐標系，^7為轉矩系統的磁場同步旋轉正交坐標系； (2) 取轉子轉速i!的時間積分為轉子機械位置角，根據不平衡位移隨轉速同頻變化的 特點，對轉子徑向位移信號α、β進行轉子同步旋轉坐標變換，再經低通濾波器，提取出?/κ 坐標系中的轉子不平衡位移直變量信號; (3) 對進行反轉子同步旋轉坐標變換，得到α β坐標系中的不平衡位移信號 化、式，再將其與當前的轉子徑向位移信號α、β對應比較，得到靜止α β坐標系中的轉 子隨機位移信號疼實現隨機位移與不平衡位移的有效分解； (4) 把鴿、:?分別送入α軸和β軸隨機位移調節器，經零值給定閉環調節，得到靜止 α β坐標系中隨機徑向位移的加速度給定信號并分別作為隨機位移控制逆系統 的輸入信號:條、屬，即取#擊8_，結合轉矩系統氣隙磁鏈的d軸和q軸分量_& 通過隨機位移控制逆系統的模型對^解耦得到隨機位移控制電流給定信號和 ，即是不考慮轉子不平衡振動補償控制電流給定信號時的隨機位移控制原系統d、q軸 輸入信號； (5) 對不平衡位移直變量信號進行零值給定閉環調節得到不平衡激振力補償 信號，同時以徑向位移剛度系數匕為前饋系數對進行前饋補償，得到單邊電磁力補 償信號，兩者對應相差后，得到?/κ坐標系中的不平衡振動補償控制力給定信號; (6) 對進行反轉子旋轉坐標變換，得到靜止α β坐標系中的不平衡振動補償 控制力給定信號，用以控制轉子的不平衡位移； (7) 對巧：；、進行力/流變換，得到轉子不平衡振動補償控制電流給定信號態|:、:: ; (8) 在dq坐標系中，對隨機位移控制電流給定信號和轉子不平衡振動補償控 制電流給定信號1?對應進行比較，得到合成磁懸浮控制電流給定信號匕、'，將該 合成磁懸浮控制電流給定信號::?? :?進行處理后輸送到無軸承電機的磁懸浮控制繞組， 完成無軸承電機轉子振動的不平衡電流補償。
[0007] 較佳的，前述一種基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電流補償方法，將所 述隨機徑向位移的加速度給定信號;/.'、f進行解耦得到隨機位移控制電流給定信號 、:的隨機位移控制逆系統的模型是：
其中，定義隨機位移控制原系統的輸入變量為辭恭鐸、狀態變量為
.輸出變量為，徑向位移控制逆系 統的輸入變量是由電機結構決定的徑向位移剛度系數，α、β 分別為轉子沿水平和垂直方向的轉子徑向位移分量，奶,、為轉矩系統氣隙磁鏈的A 7 軸分量，m為轉子的質量
@為電機結構決定的比例系數。
[0008] 較佳的，前述一種基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電流補償方法，其中 所述隨機位移控制逆系統的模型是由如下方法得到的： (1)建立轉子徑向懸浮運動方程：
其中，m為轉子的質量，α、β分別為轉子沿水平和垂直方向的轉子徑向位移分量， 、f|:分別為可控徑向磁懸浮力的α、β軸分量，分別為沿α、β方向的單邊磁拉力 分量； (2) 由于軸承電機的Ti作機理，得出可控徑向磁懸浮力模型：
W及里仂磁枋力槌型，
其中，I為電機結構決定的比例系數，I是由電機結構決定的徑向位移剛度系數 、爐^為轉矩系統氣隙磁鏈的A 7軸分量，為隨機徑向位移控制電流的d、q軸分 量； (3) 不考慮不平衡振動補償控制電流，定義隨機位移控制原系統的輸入變量u、狀態變 量X和輸出變量分別為：
結合步驟（1)、（2)的公式，可得隨機位移控制原系統的狀態方程為：
(4) 根據Interactor算法可得出隨機位移控制原系統是可逆的，對原系統的輸出變量 求二階時間導數，得到：
(5) 取徑向位移控制逆系統的輸入變量為結合步驟（4)中算式， 整理后得到不考慮轉子不平衡振動補償控制電流給定信號時的隨機位移控制原系統輸入 變量《 廣的表達式，即為隨機位移控制逆系統的模型：
[0009] 較佳的，前述一種基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電流補償方法，其中 由不平衡振動補償控制力給定信號只；、/^得到轉子不平衡振動補償控制電流給定信號 的力/流變換的表達式為：
式中，$^和&分別為轉子不平衡振動補償控制電流給定信號的d、q軸分量。
[0010] 與現有技術相比，本發明至少具有下列優點及有益效果： 1、 將轉子徑向位移分分解成兩部分，便于根據各自特點進行分別獨立控制，提高轉子 的懸浮控制性能； 2、 考慮不平衡單邊磁鏈拉力，對隨機位移進行逆系統動態解耦控制，動態控制精度高， 逆系統模型具有簡單、便于實現的特點； 3、 首次提出了在無軸承電機隨機位移逆系統動態解耦控制基礎上對不平衡轉子振動 進行"不平衡電流補償"的方法，為有效提高無軸承電機轉子不平衡振動控制效果提供了一 條新的方法途徑，用以構成無軸承電機轉子振動的不平衡電流補償控制系統。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發明基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電流補償方法的原理結 構圖。
【具體實施方式】
[0012] 為使本發明的內容更明顯易懂，以下結合具體實施例，對本發明進行詳細描述。
[0013] 本發明的核心思想是： 1、 在無軸承電機轉子的旋轉運動過程中，不可避免的轉子質量偏心將激發與偏心同方 向的激振力；若不加振動控制措施，在該激振力的作用下，將使轉子軸心產生周期性的徑向 位移波動或振動，即產生不平衡位移。無軸承異步電機轉子的不平衡位移信號是與轉速同 頻的正弦交變信號，基于該特征可進行不平衡位移信號的實時濾波跟蹤和提取，把轉子徑 向位移分離為α β坐標系中的隨機位移信號、轉子同步坐標系中的不平衡位移直變量信 號； 2、 鑒于轉子質量偏心方向的難確定性，通過逆系統方法在沿α和β方向的兩個隨機 位移分量之間進行逆系統解耦控制，逆系統輸出為轉矩系統磁場同步坐標系dq中的隨機 位移控制電流信號；通過對不平衡位移直變量信號閉環調節和相關坐標變換處理，可在而 同步坐標系中產生抑制轉子振動的不平衡電流補償信號； 3、 通過標系中隨機位移控制電流信號和不平衡電流進行的計較，可獲得兼顧轉 子隨機位移控制與不平衡位移控制的合成磁懸浮控制電流，有效抑制無軸承轉子的不平衡 振動、提尚轉子的磁懸浮控制精度。
[0014] 基于上述理論基礎，本發明提出一種基于隨機位移逆的無軸承轉子振動不平衡電 流補償方法，具體包括如下步驟： 步驟一、建立轉子隨機位移控制原系統模型 1、忽略轉子質量偏心產生的激振力影響，建立徑向磁懸浮運動方程：
其中，m為轉子的質量，α、β分別為轉子沿水平和垂直方向的轉子徑向位移分量，^ 、.Fp分別為可控徑向磁懸浮力的α、β軸分量，g分別為沿α、β方向的單邊磁拉力 分量。
[0015] 3、通過分析無軸承電機工作機理，建立無軸承電機的可控徑向磁懸浮力和單邊磁 拉力的α和β軸分量模型：
其中，fc為電機結構決定的比例系數，輪是由電機結構決定的徑向位移剛度系數，:陶 、:儀,?.為轉矩系統氣隙磁鏈的A 7軸分量，為隨機徑向位移控制電流的d、q軸分量。
[0016] 由（1)~（6)式可知：若為提高轉速控制性能而轉矩系統不采用氣隙磁鏈定向控 制，磁懸浮系統兩徑向位移分量控制之間存在非線性耦合。
[0017] 4、建立轉子隨機位移控制原系統狀態方程 選取隨機位移控制系統的輸入變量