申请/专利权人：北京航空航天大学

申请日：2022-01-07

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN114326409B

主分类号：G05B13/04

分类号：G05B13/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2022.04.29#实质审查的生效;2022.04.12#公开

摘要：本发明公开了一种基于双通道谐波重构的磁悬浮转子直接振动力抑制方法，首先建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型，然后采用基于DCHR控制器的磁悬浮转子直接振动力抑制方法。其中，DCHR能够快速准确地估计并抑制系统振动力。同时，DCHR使用振动力作为同频输入补偿位移刚度力，使用双频幅度补偿提升谐波检测性能，使用补偿相位角保证系统全转速范围内的稳定性。本发明中的DCHR控制器结构简单，硬件计算负担小，能对磁悬浮转子中的谐波振动力有效抑制，适用于含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子系统振动力抑制。

主权项：1.一种基于双通道谐波重构的磁悬浮转子直接振动力抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型和转子磁轴承力模型；应用对象为五自由度全主动磁轴承转子系统，包含有轴向平动和径向X,Y两个方向的平动与转动，只考虑径向四个自由度，对转子轴向的平动暂不考虑，整个系统包括磁悬浮高速转子、径向磁铁、轴向磁铁、位移传感器、控制器、H桥功率放大器；根据陀螺技术方程和牛顿第二定律，磁轴承转子系统径向动力学矩阵方程如下： 其中，M是广义质量矩阵，包含质量和转动惯量参数；hI是磁悬浮转子惯性轴位移；G是陀螺矩阵；f是广义力矢量，包含磁轴承合力和力矩；设定转子悬浮在平衡位置时仅发生微小的位移运动，并且四个通道的磁轴承参数假设完全相同，因非线性磁轴承力方程经Taylor展开得到近似的线性化方程为：fm＝Kiim+Khhm其中，Ki和Kh分别为电流刚度系数和位移刚度系数，im为径向磁轴承线圈电流，hm为磁轴承坐标系下转子的几何位移；联立上述两个方程，并结合磁轴承转子系统其余组成部分，最终得到含转子质量不平衡和传感器谐波的磁轴承转子系统的动力学方程如下： 其中，Gcs和Gws分别为控制器和功率放大器的传递函数矩阵；Ks表示传感器增益系数，表示磁轴承坐标系即m系、传感器坐标系s系和广义坐标系即i系两两之间位移的坐标变换关系；Δh为转子的不平衡质量，hsr为传感器谐波误差；由磁轴承转子系统动力学方程进一步得到磁轴承力模型如下： 其中，Ss表示系统灵敏度函数：根据产生形式的不同，磁轴承力分为电流刚度力fii和位移刚度力fih如下： 根据振动频率的不同，磁轴承力分为同频力fsyn和倍频力fhar如下： 步骤2：设计基于双通道谐波重构的磁悬浮转子直接振动力抑制方法；多个双通道谐波重构控制器DCHR并联以负反馈的形式接入原闭环系统，采用构建的等效振动力作为同频振动抑制的输入，采用电流作为倍频振动抑制的输入，其输出反馈接入磁悬浮转子系统的功放输入端，该振动力抑制方法的具体实现包括如下三个方面：1双通道谐波重构控制器DCHR：根据磁悬浮转子系统X和Y通道方向信号幅值相等，相位相差90°的正交特性，利用一个控制器实现对双通道的谐波重构；使用coskΩt实现与参考信号同频的谐波信号的检测，通过低通滤波器完成直流信号的提取，使用和平方和反正切直接求出谐波的幅值和相位，利用幅值和相位信息完成对谐波的重构；同时在coskΩt中添加相位补偿角提高系统的稳定裕度，根据稳定性条件在各个转速范围内给予不同的附加相位角输入，确保磁轴承转子系统全转速内的绝对稳定；2双频幅度补偿环节：在DCHR控制器的内部，提出并引入了双频幅度补偿环节，即构造对滤波性能影响较大的双频干扰项，并在滤波前进行剔除，有效降低低通滤波器的负担，提高谐波的检测性能；3DCHR控制器的输入：磁轴承转子系统需要分别设计针对同频和倍频振动力的多个并联DCHR控制器，根据步骤1建模得到的磁轴承力线性化公式fm＝Kiim+Khhm，提出构建等效振动力作为同频振动抑制的输入，解决功率放大器在转子高速时的幅值衰减和相位滞后；使用电流作为倍频振动抑制的输入，有效抑制3次、5次和7次等阶次谐波振动力；所述的步骤2振动力抑制方法为：①DCHR：DCHR的谐波重构过程如下： 其中，fxd、fxq分别代表X和Y通道经过余弦相敏检测后的信号，fx_d、fx_q分别表示经过低通滤波器后的提取直流分量，φ表示附加相位角，k表示谐波阶次，Vm表示谐波幅值，θ表示谐波的初始相位，Ω表示磁悬浮转子转速；②双频幅度补偿环节为保证低通滤波器的谐波检测效果，提出在滤波器之前构造双频幅度补偿，对高振幅干扰项进行滤除，构造环节如下：对X和Y通道相敏检测后的信号fxd、fxq进行展开如下： 利用低通滤波器的输出fx_d、fx_q，以反馈的形式，分别在X和Y通道构造fdco、fqco进行补偿：fdco＝-fx_d×cos2kΩt+2θ+fx_q×sin2kΩt+2θfqco＝-fx_d×sin2kΩt+2θ-fx_q×cos2kΩt+2θ③DCHR控制器的输入分别搭建同频振动抑制和倍频振动抑制的DCHR控制器，使用直接振动力作为同频振动抑制的输入，使用电流作为倍频振动抑制的输入，经控制器后的输出为：ftp＝Kiix+KhxGtpibp＝ixGbp其中，Gtp、Gbp为设计的同频和倍频控制器传递函数；磁悬浮转子系统功放的输出电流为：-Khx+KiixGtp+ixGbpGw-KsxGcGw＝ix 其中，Gc、Gw分别为PID控制器和功放的传递函数，x为磁轴承转子的几何位移。

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权利要求：

百度查询： 北京航空航天大学 基于双通道谐波重构的磁悬浮转子直接振动力抑制方法

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