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磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動控制研究綜述（三）

發(fā)布時間：

2023-01-13

來源：

網(wǎng)絡(luò)

轉(zhuǎn)子不平衡補(bǔ)償信號的相位決定了不平衡補(bǔ)償力的方向，理想狀態(tài)下，補(bǔ)償力應(yīng)與不平衡力方向相反大小相等。由于不平衡力作用在磁懸浮轉(zhuǎn)子上使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動，磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動的同頻位移為正弦信號，形如X(t)=Asin(ωt+φ)。因此，現(xiàn)有方法多采用參考信號法估計(jì)不平衡補(bǔ)償相位，通過位移傳感器獲取轉(zhuǎn)子實(shí)時位移信息，提取由不平衡振動產(chǎn)生的同頻振動位移，以此為參考信號從而獲取相位信息。目前采用較多的算法有LMS算法、陷波器濾波、基于傅里葉系數(shù)的迭代逼近算法，濾波算法等。

2.2.2 轉(zhuǎn)子不平衡補(bǔ)償相位估計(jì)

文獻(xiàn)[26]提出了一種基于頻域自適應(yīng)的LMS算法，單一通道不平衡振動自適應(yīng)控制框圖如圖14所示，其以諧波振動作為輸入，參考輸入為引入的與傳感器跳動具有相同分量的正弦信號，仿真結(jié)果表明該方法能有效提取磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡同頻振動信號。

文獻(xiàn)[38]提出了一種基于LMS算法的快速相位追蹤算法，其補(bǔ)償算法框架如圖15所示，將PID和可變步長LMS算法控制策略結(jié)合，在過濾器中補(bǔ)加追蹤算法直到轉(zhuǎn)子速度達(dá)到一定值，在DSP架構(gòu)下的實(shí)時試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的相位跟蹤性能。

LMS算法在轉(zhuǎn)子不平衡補(bǔ)償相位估計(jì)中應(yīng)用較多，可以理解為對特定頻率信號的一種陷波算法，除此之外，還有其他的濾波算法用于磁軸承轉(zhuǎn)子不平衡的補(bǔ)償相位估計(jì)。文獻(xiàn)[39]利用卡爾曼濾波方法提取不平衡位移量，根據(jù)不平衡位移經(jīng)線性高斯?fàn)顟B(tài)反饋控制器提升剛度，減小振動。文獻(xiàn)[40]將較廣的應(yīng)用于電動機(jī)控制的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(SRF)應(yīng)用于磁軸承控制，采用如圖16所示的前饋控制回路，通過單相的位移誤差信號構(gòu)造2路正交信號作為SRF變換的輸入，將同頻位移誤差轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髁浚瑥亩鴮ψ儞Q后的直流誤差進(jìn)行無靜差的跟蹤控制。文獻(xiàn)[41]提出了一種相位補(bǔ)償方法以提升柔性轉(zhuǎn)子在第一彎曲臨界轉(zhuǎn)速附近的阻尼水平，其在控制器中加入相位補(bǔ)償算法使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體的阻尼增加，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明相位補(bǔ)償能夠明顯提升轉(zhuǎn)子的一階彎曲模態(tài)阻尼，有效抑制轉(zhuǎn)子的共振振動，使轉(zhuǎn)子順利通過一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)超臨界運(yùn)行。

2.3 算法切換控制

軸承電磁力小算法與轉(zhuǎn)子位移小算法是2種完全相對的控制方法，各有優(yōu)勢，也各有缺陷。軸承電磁力小控制算法存在低轉(zhuǎn)速時閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，轉(zhuǎn)子位移小算法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子的高精度旋轉(zhuǎn)，但在高轉(zhuǎn)速工況下容易致使功放飽和且放大轉(zhuǎn)子振動相位與不平衡力的相位差，通常適用于轉(zhuǎn)速較低的情況。對于2種算法的切換控制，有一些學(xué)者展開了研究：文獻(xiàn)[42]利用廣義根軌跡分析了引入補(bǔ)償后系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性，通過切換引入補(bǔ)償?shù)臉O性穿越臨界轉(zhuǎn)頻，從而實(shí)現(xiàn)引入LMS反饋補(bǔ)償后全轉(zhuǎn)速閉環(huán)穩(wěn)定；文獻(xiàn)[43]提出了一種新型多諧振控制器，可在不同轉(zhuǎn)速下實(shí)行分段切換策略，實(shí)現(xiàn)抑制基波和諧波電流；文獻(xiàn)[44]則提出了基于極性切換陷波器的方法。

2.4 智能控制算法

近年來，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，一些新興算法也被提出，如迭代學(xué)習(xí)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能算法以及多算法融合控制等。文獻(xiàn)[45]針對磁懸浮轉(zhuǎn)子提出基于學(xué)習(xí)策略的不平衡補(bǔ)償PID控制策略，試驗(yàn)結(jié)果表明該算法在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的擾動跟蹤效果良好，而通過采用不同的方法進(jìn)行分析，該文獻(xiàn)認(rèn)為相對于采用遺忘因子，使用非因果低通濾波器的效果較好。

文獻(xiàn)[46]利用深度學(xué)習(xí)理論設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償控制器并將其加入PID反饋控制中，其采用具有2個隱含層的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了補(bǔ)償控制器的結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)的運(yùn)行算法仿真了不同控制器在固定轉(zhuǎn)速下的不平衡振動控制，通過不平衡振動分析和控制電流分析驗(yàn)證了所提控制器的控制效果，但該算法的試驗(yàn)效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3、研究方向與展望

經(jīng)過眾多學(xué)者多年的研究，磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動控制領(lǐng)域早已碩果累累，但仍然有以下幾點(diǎn)待開展研究。

3.1 轉(zhuǎn)子跨階時的不平衡補(bǔ)償

當(dāng)轉(zhuǎn)子跨越臨界轉(zhuǎn)速(跨階)時，根據(jù)受迫振動響應(yīng)規(guī)律可知，此時轉(zhuǎn)子的振動幅值與相位都會發(fā)生劇烈變化，且由于轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲形變，轉(zhuǎn)子的不平衡狀態(tài)會發(fā)生改變，現(xiàn)有的算法如自適應(yīng)迭代算法、影響系數(shù)法等可能會失效。而且，目前大多數(shù)研究都是針對剛性轉(zhuǎn)子或跨階后處于穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)子。如何設(shè)計(jì)控制器，使不平衡補(bǔ)償在轉(zhuǎn)子跨階時也能有效運(yùn)行，降低轉(zhuǎn)子在跨階時的振動，輔助轉(zhuǎn)子跨越臨界轉(zhuǎn)速，需進(jìn)一步開展研究。

3.2 基礎(chǔ)激勵等外界干擾時的不平衡振動控制

當(dāng)轉(zhuǎn)子受到如基礎(chǔ)激勵等外界干擾時，由疊加原理可知轉(zhuǎn)子的振動是外界激勵響應(yīng)與不平衡響應(yīng)的疊加，轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)可能被外界干擾產(chǎn)生的振動所覆蓋，特別是當(dāng)外界激勵與轉(zhuǎn)速同頻時，轉(zhuǎn)子的不平衡振動信息難以提取，如何提取該狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子不平衡振動信息，實(shí)現(xiàn)不平衡振動的控制也有待研究。

3.3 磁軸承＋輔助支承時的不平衡振動控制

傳統(tǒng)意義上的磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡補(bǔ)償多是考慮磁軸承單獨(dú)支承的情況，對于磁軸承為主要支承，其他支承方式為輔助支承情況下的不平衡振動控制，尚未見相關(guān)研究。例如，近年來興起的磁＋氣混合軸承支承，轉(zhuǎn)子不僅受到電磁力，還受到動壓效應(yīng)產(chǎn)生的氣浮力，轉(zhuǎn)子的不平衡周期振動在受到控制器周期控制力的同時，還受到由于氣隙周期變化產(chǎn)生的周期性波動氣浮力的影響，對于此類支承方式下的轉(zhuǎn)子，首先需要通過研究其動力學(xué)特性獲取轉(zhuǎn)子的不平衡振動特征，然后進(jìn)行不平衡振動的控制，這一研究仍待開展。

3.4 智能控制算法與現(xiàn)有算法的結(jié)合

智能控制算法在磁軸承上的應(yīng)用還處于起步階段，隨著智能控制理論的進(jìn)一步發(fā)展，將智能控制引入磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動的研究對提升磁懸浮轉(zhuǎn)子性能具有重要意義。目前，這個方向的研究內(nèi)容在于如何結(jié)合現(xiàn)有的控制算法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法增強(qiáng)不平衡振動控制算法的自適應(yīng)能力與魯棒性。

4、磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡介

多年來，經(jīng)過國內(nèi)外眾多學(xué)者在磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動控制方法上的研究，取得了許多成果，大大拓展了磁軸承在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)、醫(yī)療器械以及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。本文針對磁懸浮轉(zhuǎn)子的不平衡振動控制問題，介紹了國內(nèi)外的研究發(fā)展情況，對不同的控制算法進(jìn)行分類，綜述了部分學(xué)者的研究成果并討論了各方法之間的相同與不同之處，這些成果基于不同的控制算法以及控制策略，針對不同的實(shí)際問題，算法間既有相通之處，又有各自的應(yīng)用場合與優(yōu)勢。在實(shí)際的應(yīng)用中，如何針對具體的控制對象研究不同的控制方法，以實(shí)現(xiàn)期望的效果，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

（參考文獻(xiàn)略）

文章發(fā)表于2022年3期《軸承》——磁力軸承專題

關(guān)鍵詞：主軸軸承、特種軸承

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