【摘要】：主動(dòng)電磁軸承可以為轉(zhuǎn)子提供一種無(wú)接觸支承結(jié)構(gòu),具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑等特點(diǎn),同時(shí)還可以通過(guò)控制策略對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的特性進(jìn)行主動(dòng)控制。目前,主動(dòng)電磁軸承已成為如高速電機(jī)、高速飛輪儲(chǔ)能等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中的主要支承單元。本文旨在對(duì)主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)的主動(dòng)控制進(jìn)行研究。首先,介紹了主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成,并對(duì)主動(dòng)電磁軸承徑向電磁力進(jìn)行了線性化建模。然后在對(duì)平面二自由度單盤(pán)轉(zhuǎn)子(平面轉(zhuǎn)子)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,建立了含有轉(zhuǎn)子不平衡的徑向四自由度主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,理論上研究了主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、不平衡振動(dòng)及多頻振動(dòng)主動(dòng)控制策略。針對(duì)主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制,提出了分散PID控制和線性狀態(tài)反饋反饋解耦控制策略。首先,針對(duì)目前主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分散PID控制器參數(shù)缺少整定過(guò)程和設(shè)計(jì)依據(jù)的問(wèn)題,基于PID控制器參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性影響的分析,給出一種分散PID控制器的設(shè)計(jì)方法,為分散PID控制提供參數(shù)選取依據(jù)。然后,針對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)陀螺耦合影響,提出了一種基于線性狀態(tài)反饋解耦的控制策略。最后,通過(guò)仿真對(duì)兩種穩(wěn)定性控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)控制,研究了一種基于不平衡系數(shù)辨識(shí)的不平衡振動(dòng)位移控制策略,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移最小化。首先分析了補(bǔ)償電流的具體形式同時(shí)定義了不平衡系數(shù),然后給出了不平衡系數(shù)辨識(shí)方程并分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,建立了磁懸浮飛輪儲(chǔ)能仿真模型對(duì)該不平衡振動(dòng)位移控制算法進(jìn)行了恒轉(zhuǎn)速、恒加速以及抗噪聲能力的仿真驗(yàn)證。針對(duì)主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的多頻振動(dòng)問(wèn)題,首先給出了多頻振動(dòng)的抑制方法同時(shí)定義了多頻電流系數(shù),提出了一種基于變步長(zhǎng)三角形迭代搜索的多頻電流系數(shù)辨識(shí)算法,然后采用了在多個(gè)頻率點(diǎn)執(zhí)行同樣的單頻振動(dòng)控制的方法組成多頻電流控制器,實(shí)現(xiàn)控制電流最小化并有效降低轉(zhuǎn)子的多頻振動(dòng)的方案,最后以磁懸浮高速電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為模型,分別在恒轉(zhuǎn)速、恒加速以及抗噪聲能力方面證明了其有效性;最后,在以dSPACE為核心的磁懸浮高速電機(jī)和磁懸浮飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,分別完成主動(dòng)電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、不平衡振動(dòng)以及多頻振動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【圖文】：

主動(dòng)電磁軸承－剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是涵蓋機(jī)械、電氣以及計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的復(fù)雜機(jī)電一體化系逡逑統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包含了：由定、轉(zhuǎn)子構(gòu)成的機(jī)械部分，以及由控制器、功率放大器、位移傳感逡逑器傳感器（和速度傳感器）以及電磁軸承等構(gòu)成的電氣部分。圖２－１為典型的徑向四自由度主逡逑動(dòng)電磁軸承－剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，永磁軸承承擔(dān)對(duì)轉(zhuǎn)子軸向運(yùn)動(dòng)的約束，其轉(zhuǎn)動(dòng)由逡逑變頻器驅(qū)動(dòng)，因此想要使該系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮，必須對(duì)剩余的四個(gè)徑向自由度進(jìn)行有效控制。逡逑當(dāng)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置與目標(biāo)位置存在偏差時(shí)，控制器會(huì)接收由位移傳感器傳回的轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位逡逑置信號(hào)，并按照設(shè)定算法發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)由功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)電磁軸承，調(diào)節(jié)電磁逡逑力的大小，從而對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使其可以在理想位置處穩(wěn)定的懸浮。逡逑推力盤(pán)逡逑徑向電磁軸承邐軸向永磁徑向電磁軸承逡逑區(qū)｜邐Ｓ邋區(qū)逡逑邐邐逡逑邐ａ邋—逡逑ｇ￣＾邐￣邋￣邐＾￣＾速度傳感器逡逑位移傳感器丫邋Ｘ邐＾邐Ｘ邋丫位移傳感器逡逑人功率放大器／＼逡逑邐？控制器＊逡逑圖２－１．主動(dòng)電磁軸承－剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)組成框圖逡逑（１）控制器逡逑控制器是保證轉(zhuǎn)子可以在期望位置漸進(jìn)穩(wěn)定的關(guān)鍵，是主動(dòng)電磁軸承系統(tǒng)的功能核心。逡逑控制器除保證系統(tǒng)穩(wěn)定外，還具有調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼、剛度、轉(zhuǎn)子位置精度以及振動(dòng)響應(yīng)的功逡逑能

所以一般采取線性化模型來(lái)近似。因此在建立主動(dòng)電磁軸承－剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型前，逡逑對(duì)電磁軸承的電磁力進(jìn)行推導(dǎo)，并在工作點(diǎn)附近對(duì)其進(jìn)行線性化建模。逡逑當(dāng)電磁軸承結(jié)構(gòu)為圖２－２所示的八極Ｃ型電磁軸承時(shí)，轉(zhuǎn)子在某一自由度的運(yùn)動(dòng)將由逡逑對(duì)置的兩對(duì)磁極共同控制，通常采用圖２－３所示的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制。所謂差動(dòng)控制即一端磁逡逑極的驅(qū)動(dòng)電流為偏置電流／0和控制電流＆之和（／0＋／ｘ），其對(duì)端的驅(qū)動(dòng)電流為／0與＆之差（／0－＆）。逡逑不僅可以使電磁軸承具備產(chǎn)生正向和反向作用力的能力，還可以減小工作點(diǎn)漂移、工作溫逡逑度等因素對(duì)電磁力控制的影響。逡逑（１）電磁力表達(dá)式逡逑以圖２－３為例，假定電磁軸承中，轉(zhuǎn)子表面與任何磁極間都具有相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，逡逑漏磁與鐵心磁化的影響可以忽略，氣隙為ｃｏ，，磁極橫截面積為尤真空磁導(dǎo)率為凡，每對(duì)逡逑定子極上的線圈匝數(shù)均為２？，得磁感應(yīng)強(qiáng)度為逡逑５邋＝邋＾．＾邋＝邋＾—邐（２．１）逡逑２ｃ０邋ｃ０逡逑由于電磁軸承采用八極Ｃ型結(jié)構(gòu)，因此周向磁極呈均勻排布，定子中軸線和磁極中心逡逑線間的夾角為ａ
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TH113

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5 徐e

本文編號(hào)：2661515