【摘要】：主動電磁軸承可以為轉(zhuǎn)子提供一種無接觸支承結(jié)構(gòu),具有無機械摩擦、無需潤滑等特點,同時還可以通過控制策略對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的特性進行主動控制。目前,主動電磁軸承已成為如高速電機、高速飛輪儲能等高速旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備中的主要支承單元。本文旨在對主動電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的主動控制進行研究。首先,介紹了主動電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成,并對主動電磁軸承徑向電磁力進行了線性化建模。然后在對平面二自由度單盤轉(zhuǎn)子(平面轉(zhuǎn)子)模型進行分析的基礎(chǔ)上,建立了含有轉(zhuǎn)子不平衡的徑向四自由度主動電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學模型,理論上研究了主動電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、不平衡振動及多頻振動主動控制策略。針對主動電磁軸承-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,針對目前主動電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分散PID控制器參數(shù)缺少整定過程和設(shè)計依據(jù)的問題,基于PID控制器參數(shù)對轉(zhuǎn)子運動特性影響的分析,給出一種分散PID控制器的設(shè)計方法,為分散PID控制提供參數(shù)選取依據(jù)。然后,針對轉(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,通過仿真對兩種穩(wěn)定性控制策略的有效性進行了驗證。針對主動電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動控制,研究了一種基于不平衡系數(shù)辨識的不平衡振動位移控制策略,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子振動位移最小化。首先分析了補償電流的具體形式同時定義了不平衡系數(shù),然后給出了不平衡系數(shù)辨識方程并分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,建立了磁懸浮飛輪儲能仿真模型對該不平衡振動位移控制算法進行了恒轉(zhuǎn)速、恒加速以及抗噪聲能力的仿真驗證。針對主動電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的多頻振動問題,首先給出了多頻振動的抑制方法同時定義了多頻電流系數(shù),提出了一種基于變步長三角形迭代搜索的多頻電流系數(shù)辨識算法,然后采用了在多個頻率點執(zhí)行同樣的單頻振動控制的方法組成多頻電流控制器,實現(xiàn)控制電流最小化并有效降低轉(zhuǎn)子的多頻振動的方案,最后以磁懸浮高速電機轉(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和磁懸浮飛輪儲能實驗平臺上,分別完成主動電磁軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、不平衡振動以及多頻振動控制的實驗驗證。
【圖文】：

主動電磁軸承－剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是涵蓋機械、電氣以及計算機等領(lǐng)域的復(fù)雜機電一體化系逡逑統(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電磁軸承－剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，永磁軸承承擔對轉(zhuǎn)子軸向運動的約束，其轉(zhuǎn)動由逡逑變頻器驅(qū)動，因此想要使該系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮，必須對剩余的四個徑向自由度進行有效控制。逡逑當轉(zhuǎn)子的實時位置與目標位置存在偏差時，控制器會接收由位移傳感器傳回的轉(zhuǎn)子實時位逡逑置信號，并按照設(shè)定算法發(fā)出控制信號，經(jīng)由功率放大器放大后驅(qū)動電磁軸承，調(diào)節(jié)電磁逡逑力的大小，從而對轉(zhuǎn)子位置進行實時修正，使其可以在理想位置處穩(wěn)定的懸浮。逡逑推力盤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穩(wěn)定的關(guān)鍵，是主動電磁軸承系統(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響應(yīng)的功逡逑能

所以一般采取線性化模型來近似。因此在建立主動電磁軸承－剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)學模型前，逡逑對電磁軸承的電磁力進行推導(dǎo)，并在工作點附近對其進行線性化建模。逡逑當電磁軸承結(jié)構(gòu)為圖２－２所示的八極Ｃ型電磁軸承時，轉(zhuǎn)子在某一自由度的運動將由逡逑對置的兩對磁極共同控制，通常采用圖２－３所示的差動驅(qū)動控制。所謂差動控制即一端磁逡逑極的驅(qū)動電流為偏置電流／0和控制電流＆之和（／0＋／ｘ），其對端的驅(qū)動電流為／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，還可以減小工作點漂移、工作溫逡逑度等因素對電磁力控制的影響。逡逑（１）電磁力表達式逡逑以圖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，每對逡逑定子極上的線圈匝數(shù)均為２？，得磁感應(yīng)強度為逡逑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
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH113

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本文編號：2661515