一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法，首先，建立轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)的動力學(xué)模型，然后對主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行零位移控制，導(dǎo)出磁軸承同頻控制電流與轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移的關(guān)系，分別在兩個不同的轉(zhuǎn)速下測量磁軸承控制電流的同頻成分，最后，根據(jù)兩次所得到的同頻電流解算轉(zhuǎn)子靜不平衡量及磁中心偏移的大小和相位。本發(fā)明解決了主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜不平衡和磁中心偏移的分別辨識問題，為轉(zhuǎn)子的主動振動控制和在線動平衡打下了基礎(chǔ)，本方法簡便易行，適用于實際的主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。
【專利說明】一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法，用于主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子在線動平衡或主動振動控制中對靜不平衡和磁中心偏移的分離，尤其適用于磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺等高速磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承是一種新型高性能軸承，具有無接觸、不需潤滑等優(yōu)點，是高精度、長壽命、高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的理想支承方式。磁懸浮軸承根據(jù)懸浮力的提供形式可分為電磁軸承和永磁軸承，其中電磁軸承可以通過控制電流改變懸浮力的大小，因此又稱其為主動磁軸承；永磁軸承懸浮力不可以主動控制，因此又稱其為被動磁軸承。主動磁軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要一套由傳感器、控制器、功放等組成的完整的控制系統(tǒng)，其懸浮精度和穩(wěn)定裕度等控制性能要比被動磁軸承高；被動磁軸承懸浮精度不如主動磁軸承高，但是其結(jié)構(gòu)簡單，不需要控制系統(tǒng)，不消耗能量。主被動磁軸承結(jié)合了兩者優(yōu)點，在精度要求高的自由度采用主動磁軸承控制，在控制性能要求不嚴(yán)格的自由度采用被動磁軸承控制，實現(xiàn)整體最優(yōu)。
[0003]由于加工誤差，材料密度不均勻，材料變形等原因，轉(zhuǎn)子存在殘余不平衡。高速旋轉(zhuǎn)時，不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力通過磁軸承的支承作用傳遞到基座。不平衡振動一方面會增加系統(tǒng)的功耗，使功放飽和而降低磁軸承控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度；另一方面不平衡振動產(chǎn)生噪聲污染，劇烈的振動影響設(shè)備的安全運行。為減小轉(zhuǎn)子的不平衡振動，通常對轉(zhuǎn)子進行在線的或離線的動平衡，離線動平衡將轉(zhuǎn)子在動平衡機上單獨進行動平衡，操作環(huán)境與轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)有差別，因此平衡精度一般不高；在線動平衡利用磁軸承系統(tǒng)自有的傳感器，通過測量轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)，解算不平衡量的大小和相位。磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)另一種消除轉(zhuǎn)子不平衡振動的方式為主動振動控制，通過控制轉(zhuǎn)子繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)，避免磁軸承向外傳遞不平衡力。對于主被動混合支承的磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，除轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的同頻振動外，還有被動磁軸承磁中心的偏移導(dǎo)致的同頻振動力。由于永磁磁鋼充磁不均勻、安裝誤差等原因，永磁磁環(huán)的磁中心與其幾何中心不重合，當(dāng)轉(zhuǎn)子帶動永磁磁環(huán)旋轉(zhuǎn)時，被動磁軸承向外輸出與轉(zhuǎn)速同頻的磁力。為提高在線動平衡或主動振動控制的精度，有必要對轉(zhuǎn)子不平衡和磁中心偏移進行區(qū)分和辨識。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:對主被動混合支承的磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，同時存在轉(zhuǎn)子不平衡和磁中心偏移，提供一種轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移的在線辨識方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法，其特征在于包括以下步驟:
[0006]步驟(I)、建立磁懸浮轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移的數(shù)學(xué)模型
[0007]靜不平衡為轉(zhuǎn)子質(zhì)心相對于幾何中心的位移，磁中心偏移為永磁環(huán)磁中心相對于其幾何中心的位移；靜不平衡在轉(zhuǎn)子隨動坐標(biāo)系ο ξ η中表示為:

【權(quán)利要求】
1.一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟(1)、建立磁懸浮轉(zhuǎn)子的靜不平衡和磁中心偏移的數(shù)學(xué)模型； 靜不平衡為轉(zhuǎn)子質(zhì)心相對于幾何中心的位移，磁中心偏移為永磁環(huán)磁中心相對于幾何中心的位移；靜不平衡在轉(zhuǎn)子隨動坐標(biāo)系ο ξ η中表示為:
其中，I是轉(zhuǎn)子幾何中心與質(zhì)心的距離，Θ是I與坐標(biāo)軸O ξ的夾角，1、Θ是表征轉(zhuǎn)子靜不平衡的相關(guān)參數(shù)，rx為I在O ξ軸的分量，ry為I在O η軸的分量； 磁中心偏移在轉(zhuǎn)子隨動坐標(biāo)系Oξ η中表不為:
其中，a是轉(zhuǎn)子中心平面內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁環(huán)磁中心與幾何中心的距離，P是a與坐標(biāo)軸O ξ的夾角，a、P是表征磁中心偏移的相關(guān)參數(shù)，px為a在O ξ軸的分量，Py為a在O η軸的分量; 在轉(zhuǎn)速Ω下，利用所建立的靜不平衡模型和磁中心偏移模型，建立磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)模型:
其中，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，X、Y為轉(zhuǎn)子幾何中心在固定坐標(biāo)系NXY中NX軸和NY軸的分量，kj為主動磁軸承電流剛度，kh為主動磁軸承和被動磁軸承的綜合位移剛度，kp為被動磁軸承徑向位移剛度，ix、iy為磁軸承X通道和Y通道的控制電流，t為時間； 步驟(2)、對系統(tǒng)進行零位移控制； 通過對轉(zhuǎn)子幾何中心的零位移控制，使X、Y恒等于零，帶入系統(tǒng)動力學(xué)模型，得到磁軸承控制電流的數(shù)學(xué)模型
步驟(3)、第一次升速測量磁軸承控制電流的同頻量； 保持轉(zhuǎn)子零位移控制，在轉(zhuǎn)速Q(mào)1時測量磁軸承控制電流與轉(zhuǎn)速同頻的成分:
其中，ixlc> iylc和iXlS、iyls分別表示X通道和Y通道磁軸承同頻控制電流ixl、Iyl的余弦分量和正弦分量； 步驟(4)、第二次升速測量磁軸承控制電流的同頻量；改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速Ω2時測量磁軸承控制電流與轉(zhuǎn)速同頻的成分:
其中，iX2c> iy2c和iX2S、iy2s分別表示X通道和Y通道磁軸承同頻控制電流U、Iy2的余弦分量和正弦分量； 步驟(5)、根據(jù)步驟(3)、(4)測得的同頻電流，分別求出靜不平衡量和磁中心偏移量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法，其特征在于:所述的步驟(2)采用通用陷波器的方法對系統(tǒng)進行零位移控制，陷波參數(shù)矩陣選為T = S—1 (j Ω )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法，其特征在于:所述的步驟(3)、(4)同頻電流由同頻陷波器在線獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種主被動磁懸浮轉(zhuǎn)子靜不平衡和磁中心偏移在線辨識方法，其特征在于:所述的步驟(5)靜不平衡和磁中心偏移的解算算法為:
【文檔編號】G01M1/12GK104198118SQ201410366789
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】劉剛, 劉超, 蓋玉歡, 崔健 申請人:北京航空航天大學(xué)