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磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)控制研究綜述（一）
發(fā)布時(shí)間：
2023-01-13
來源：
網(wǎng)絡(luò)
在磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)控制的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，闡述了磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的產(chǎn)生原因、控制原理以及處理方法，討論了基于軸承電磁力小和轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移小這2種控制策略的不平衡振動(dòng)控制方法，并介紹了該技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的典型應(yīng)用案例，后展望了磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)控制研究的未來方向。
在磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)控制的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，闡述了磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的產(chǎn)生原因、控制原理以及處理方法，討論了基于軸承電磁力小和轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移小這2種控制策略的不平衡振動(dòng)控制方法，并介紹了該技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的典型應(yīng)用案例，后展望了磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)控制研究的未來方向。
由于設(shè)計(jì)和加工缺陷、材質(zhì)不均勻、熱變形等原因使得轉(zhuǎn)子不可避免地存在質(zhì)量不平衡，從而會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速同頻的離心力，該離心力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速平方成正比且使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，微小的殘余不平衡質(zhì)量也會(huì)給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障中約三分之一來自轉(zhuǎn)子不平衡，因此，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡以及不平衡振動(dòng)控制技術(shù)對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有非常重大的意義。
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)軸承作為支承時(shí)不具備主動(dòng)控制特性，由其支承的轉(zhuǎn)子只能在實(shí)際運(yùn)行前進(jìn)行離線動(dòng)平衡，而且轉(zhuǎn)子經(jīng)過動(dòng)平衡后仍存在殘余不平衡量，當(dāng)轉(zhuǎn)子因負(fù)載變化或生銹等原因?qū)е虏黄胶馇闆r發(fā)生改變時(shí)，動(dòng)平衡將失效。磁軸承的剛度相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)軸承較小且懸浮氣隙較大，當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡力較大時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)更加劇烈；但磁軸承控制參數(shù)與控制電流可調(diào)，使其具備實(shí)時(shí)主動(dòng)控制能力，為轉(zhuǎn)子的不平衡振動(dòng)控制提供可能。
本文基于大量文獻(xiàn)調(diào)研，在磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)控制發(fā)展、研究現(xiàn)狀、算法分類等方面展開討論，并提出了未來可能的研究方向。
1、磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)介
磁懸浮柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，包括控制器、D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器、轉(zhuǎn)子、定子、電渦流位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊，典型的磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁懸浮轉(zhuǎn)子的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖2所示：電渦流位移傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于參考位置r的偏移e，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后作為數(shù)字量輸入到控制器，控制器經(jīng)過相應(yīng)的控制算法運(yùn)算輸出控制信號(hào)u，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸入到功率放大器，功率放大器產(chǎn)生控制電流i并使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在平衡位置。
2、磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡控制方法
目前，磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)控制策略有軸承電磁力小控制和轉(zhuǎn)子位移小控制這2種。
軸承電磁力小控制也稱為自動(dòng)平衡(Auto Balance)，即通過一定的濾波算法將反饋位移信號(hào)中的不平衡量濾除，降低控制電流中不平衡同頻分量的幅值以減弱磁軸承的主動(dòng)控制作用，從而使轉(zhuǎn)子盡可能地繞其慣性主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子的不平衡控制力小。通過對(duì)轉(zhuǎn)子的不平衡力進(jìn)行控制，可以使其自由地繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)，減小不平衡力的同時(shí)消除傳遞至支承基礎(chǔ)的同頻振動(dòng)力。有效利用不平衡力控制算法減小轉(zhuǎn)子的同頻振動(dòng)力，對(duì)提升磁軸承系統(tǒng)性能及可靠性，降低磁軸承功耗等均有重要意義。
轉(zhuǎn)子位移小控制也稱為不平衡補(bǔ)償(Unbalance Compensation)，即通過一定措施或補(bǔ)償算法增大控制電流，從而增強(qiáng)磁軸承的主動(dòng)控制作用，增加系統(tǒng)動(dòng)剛度，使轉(zhuǎn)子盡可能繞其磁軸承定子的幾何中心轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)減小轉(zhuǎn)子位移振動(dòng)的目的，此時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移小。利用不平衡位移控制算法減小轉(zhuǎn)子的不平衡位移，對(duì)增加磁軸承動(dòng)態(tài)剛度，提升系統(tǒng)輸出精度等具有重要意義。
上述2種振動(dòng)補(bǔ)償所實(shí)現(xiàn)的目的和達(dá)到的效果相反，也是說在主動(dòng)磁軸承系統(tǒng)中不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)慣性力小和位移小。如圖3所示，2種不平衡控制策略的區(qū)別在于虛線框中的不平衡濾波器或補(bǔ)償器在磁懸浮轉(zhuǎn)子控制框圖中的位置，2種控制策略分別在控制器前、后引入控制，事實(shí)上針對(duì)2種控制策略所設(shè)計(jì)的控制算法大多也是在虛線框內(nèi)進(jìn)行。
關(guān)鍵詞：主軸軸承、特種軸承
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