一种主被动磁悬浮转子系统静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法
【专利摘要】本发明公开了一种主被动磁悬浮转子系统静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法，首先，建立转子静不平衡和磁中心偏移的数学模型，在此基础上建立系统的动力学模型，然后对主被动磁悬浮转子系统进行零位移控制，导出磁轴承同频控制电流与转子静不平衡和磁中心偏移的关系，分别在两个不同的转速下测量磁轴承控制电流的同频成分，最后，根据两次所得到的同频电流解算转子静不平衡量及磁中心偏移的大小和相位。本发明解决了主被动磁悬浮转子系统静不平衡和磁中心偏移的分别辨识问题，为转子的主动振动控制和在线动平衡打下了基础，本方法简便易行，适用于实际的主被动磁悬浮转子系统。
【专利说明】一种主被动磁悬浮转子系统静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种主被动磁悬浮转子静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法，用于主被动磁悬浮转子在线动平衡或主动振动控制中对静不平衡和磁中心偏移的分离，尤其适用于磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高速磁悬浮转子系统。
【背景技术】
[0002]磁悬浮轴承是一种新型高性能轴承，具有无接触、不需润滑等优点，是高精度、长寿命、高速转子系统的理想支承方式。磁悬浮轴承根据悬浮力的提供形式可分为电磁轴承和永磁轴承，其中电磁轴承可以通过控制电流改变悬浮力的大小，因此又称其为主动磁轴承；永磁轴承悬浮力不可以主动控制，因此又称其为被动磁轴承。主动磁轴承结构复杂，且需要一套由传感器、控制器、功放等组成的完整的控制系统，其悬浮精度和稳定裕度等控制性能要比被动磁轴承高；被动磁轴承悬浮精度不如主动磁轴承高，但是其结构简单，不需要控制系统，不消耗能量。主被动磁轴承结合了两者优点，在精度要求高的自由度采用主动磁轴承控制，在控制性能要求不严格的自由度采用被动磁轴承控制，实现整体最优。
[0003]由于加工误差，材料密度不均匀，材料变形等原因，转子存在残余不平衡。高速旋转时，不平衡质量产生的离心力通过磁轴承的支承作用传递到基座。不平衡振动一方面会增加系统的功耗，使功放饱和而降低磁轴承控制系统的稳定裕度；另一方面不平衡振动产生噪声污染，剧烈的振动影响设备的安全运行。为减小转子的不平衡振动，通常对转子进行在线的或离线的动平衡，离线动平衡将转子在动平衡机上单独进行动平衡，操作环境与转子的工作状态有差别，因此平衡精度一般不高；在线动平衡利用磁轴承系统自有的传感器，通过测量转子的不平衡响应，解算不平衡量的大小和相位。磁轴承转子系统另一种消除转子不平衡振动的方式为主动振动控制，通过控制转子绕惯性主轴旋转，避免磁轴承向外传递不平衡力。对于主被动混合支承的磁悬浮转子系统，除转子不平衡导致的同频振动外，还有被动磁轴承磁中心的偏移导致的同频振动力。由于永磁磁钢充磁不均匀、安装误差等原因，永磁磁环的磁中心与其几何中心不重合，当转子带动永磁磁环旋转时，被动磁轴承向外输出与转速同频的磁力。为提高在线动平衡或主动振动控制的精度，有必要对转子不平衡和磁中心偏移进行区分和辨识。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:对主被动混合支承的磁悬浮转子系统，同时存在转子不平衡和磁中心偏移，提供一种转子静不平衡和磁中心偏移的在线辨识方法。
[0005]本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:一种主被动磁悬浮转子静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法，其特征在于包括以下步骤:
[0006]步骤(I)、建立磁悬浮转子静不平衡和磁中心偏移的数学模型
[0007]静不平衡为转子质心相对于几何中心的位移，磁中心偏移为永磁环磁中心相对于其几何中心的位移；静不平衡在转子随动坐标系ο ξ η中表示为:
【权利要求】
1.一种主被动磁悬浮转子系统静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤(1)、建立磁悬浮转子的静不平衡和磁中心偏移的数学模型； 静不平衡为转子质心相对于几何中心的位移，磁中心偏移为永磁环磁中心相对于几何中心的位移；静不平衡在转子随动坐标系ο ξ η中表示为:
其中，I是转子几何中心与质心的距离，Θ是I与坐标轴O ξ的夹角，1、Θ是表征转子静不平衡的相关参数，rx为I在O ξ轴的分量，ry为I在O η轴的分量； 磁中心偏移在转子随动坐标系Oξ η中表不为:
其中，a是转子中心平面内转子永磁环磁中心与几何中心的距离，P是a与坐标轴O ξ的夹角，a、P是表征磁中心偏移的相关参数，px为a在O ξ轴的分量，Py为a在O η轴的分量; 在转速Ω下，利用所建立的静不平衡模型和磁中心偏移模型，建立磁轴承转子系统的动力学模型:
其中，m为转子质量，X、Y为转子几何中心在固定坐标系NXY中NX轴和NY轴的分量，kj为主动磁轴承电流刚度，kh为主动磁轴承和被动磁轴承的综合位移刚度，kp为被动磁轴承径向位移刚度，ix、iy为磁轴承X通道和Y通道的控制电流，t为时间； 步骤(2)、对系统进行零位移控制； 通过对转子几何中心的零位移控制，使X、Y恒等于零，带入系统动力学模型，得到磁轴承控制电流的数学模型
步骤(3)、第一次升速测量磁轴承控制电流的同频量； 保持转子零位移控制，在转速Q1时测量磁轴承控制电流与转速同频的成分:
其中，ixlc> iylc和iXlS、iyls分别表示X通道和Y通道磁轴承同频控制电流ixl、Iyl的余弦分量和正弦分量； 步骤(4)、第二次升速测量磁轴承控制电流的同频量；改变转子转速，在转速Ω2时测量磁轴承控制电流与转速同频的成分:
其中，iX2c> iy2c和iX2S、iy2s分别表示X通道和Y通道磁轴承同频控制电流U、Iy2的余弦分量和正弦分量； 步骤(5)、根据步骤(3)、(4)测得的同频电流，分别求出静不平衡量和磁中心偏移量。
2.根据权利要求1所述的一种主被动磁悬浮转子静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法，其特征在于:所述的步骤(2)采用通用陷波器的方法对系统进行零位移控制，陷波参数矩阵选为T = S—1 (j Ω )。
3.根据权利要求1所述的一种主被动磁悬浮转子静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法，其特征在于:所述的步骤(3)、(4)同频电流由同频陷波器在线获得。
4.根据权利要求1所述的一种主被动磁悬浮转子静不平衡和磁中心偏移在线辨识方法，其特征在于:所述的步骤(5)静不平衡和磁中心偏移的解算算法为:
【文档编号】G01M1/12GK104198118SQ201410366789
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】刘刚, 刘超, 盖玉欢, 崔健 申请人:北京航空航天大学