- 頭條磁懸浮高速電機剛性轉子的自動平衡方法2021-05-18 作者：鞏磊 楊智 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語浙江大學電氣工程學院、中國船舶重工集團第704研究所的研究人員鞏磊、楊智、祝長生、李鵬飛，在2020年第7期《電工技術學報》上撰文，針對磁懸浮高速電機剛性轉子的不平衡振動，提出一種基于極性切換自適應陷波器的自動平衡方法。研究表明該控制策略能夠有效地抑制轉子系統的不平衡同步振動及對基礎的傳遞力。
主動電磁軸承（Active Magnetic Bearing, AMB）具有無摩擦、適合高速運行以及使用壽命長等優點。采用主動電磁軸承的高速電機具有體積小、功率密度高等優點，額定轉速可達每分鐘幾萬甚至十幾萬轉，因此AMB廣泛應用于渦輪分子泵、壓縮機、飛輪儲能等高速旋轉機械領域。
在旋轉機械中，轉子不平衡產生的離心力將引起轉子的不平衡振動，轉速越高，不平衡激勵力就越大，引起轉子的振動就越劇烈。因此有必要采取主動控制策略對轉子的不平衡振動進行抑制。不平衡補償和自動平衡是AMB剛性轉子系統不平衡振動主動控制的兩種有效方法。
不平衡補償是通過對位移進行補償，實現位移最小控制，能夠提高轉子的轉動精度。不平衡補償既可以直接對轉子的不平衡力進行補償，也可以對轉子的不平衡位移進行補償，前者與轉子的轉速相關，而后者與轉子的轉速無關。
- 毛川等提出了一種基于實時變步長的轉子等效不平衡力系數的多邊形迭代尋優算法，使AMB產生一個與等效不平衡力大小相同、相位相反的補償力，以有效地減少轉子的振動。
- 蔣科堅等根據轉子不平衡質量的實時位置，進而產生控制信號，對不平衡質量位置進行補償，從而克服了控制器連續頻繁計算，實現了轉子不平衡的補償。
- N. Taiki等研究了AMB剛性轉子系統不平衡振動的補償器峰值增益控制和相變控制方法，并證明了峰值增益控制可以有效抑制不平衡振動。
- Fang Jiancheng等基于帶通濾波器提出了一種不平衡補償控制策略，使轉子繞其幾何軸旋轉。
- 孫玉坤等針對傳統磁懸浮開關磁阻電機存在的多變量非線性強耦合問題，提出一種混合雙定子磁懸浮開關磁阻電機。
- 藍益鵬等采用混合靈敏度H∞控制策略設計了魯棒控制器，孫鯤鵬等和孫玉坤等分別基于無速度傳感器控制和滑模控制算法設計了魯棒控制器，均可實現高速電機的穩定運行。
- 宋騰等研究了基于最小位移的AMB轉子變極性最小均方（Least Mean Square, LMS）反饋不平衡補償方法來抑制轉子不平衡振動。
這些研究結果均表明，不平衡補償雖然提高了轉子旋轉的精度，但高速時易造成功放飽和，甚至導致系統失穩。另外，引入的不平衡補償器也增加了控制系統的復雜性和設計難度。
自動平衡是通過對電流或者電磁力進行補償，實現電流或者電磁力的最小控制。
- 宋立偉等分析了力耦合特性對混合式磁軸承的影響。
- D. Saito等將傳統轉子系統徑向不平衡振動控制的增益峰值控制、自動平衡控制和相位變量控制等方法用于軸向振動的控制。
- S. L. Chen等采用侵入流不變型原理研究了三磁極結構AMB轉子系統的自適應不平衡力補償，但分析過程十分復雜。
- S. K. Mohamed等將不平衡力看作是導致轉子在旋轉過程中的周期性諧波擾動，用二階滑模控制器來實現AMB轉子系統在寬速度范圍內的穩定運行，但滑模面的高頻切換容易引起高頻振蕩，引入高頻噪聲且不易消除。
- Zheng Shiqiang等研究了基于同步旋轉框架變換的AMB轉子自動平衡新方法，通過優化電磁力以抑制不平衡力。
- N. Amin等研究了一種多輸入多輸出AMB轉子系統的辨識與魯棒控制，既考慮了轉子靜止時的恒定擾動，又考慮了旋轉時離心力和質量不平衡引起的正弦擾動，但該模型過于依賴系統的建模。
- Lin Chao等提出了一種基于自定心控制等效電磁力的剛性轉子在線動平衡方法，有效地消除了轉子不平衡對系統穩定性和運動精度的影響。
- Gao Hui等將LMS算法與不平衡前饋補償相結合，并引入H∞控制，實現自動平衡。
- Zheng Shiqiang等提出一種基于坐標變換的陷波器結合前饋補償的方法，但適用于轉速變化不大的情況。
- Chen Qi等將自適應陷波器和自適應頻率估計器用于自動平衡，但需調整兩個參數，而且僅在恒定轉速下進行了驗證。
針對以上研究中存在的問題，本文將極性切換自適應陷波器應用于磁懸浮高速電機剛性轉子系統的自動平衡控制。
圖1 磁懸浮高速電機剛性轉子結構
其創新點體現在兩個方面：
- 第一，為實時有效地消除由不平衡力產生的與轉速同頻的徑向振動分量，設計了自適應陷波器，以實現最小電流或電磁力控制，提高轉子在高速區懸浮的穩定性；
- 第二，針對磁懸浮剛性轉子在徑向剛體臨界轉速附近運行時系統閉環穩定性條件不同的問題，提出了基于極性切換的自動平衡控制，并結合自適應陷波器實現AMB高速電機剛性轉子系統在包含剛體臨界的全轉速范圍內的穩定運行。
圖2 磁懸浮高速電機轉子系統實驗平臺
圖3 系統試驗平臺原理示意圖
研究人員針對磁懸浮高速電機剛性轉子系統的不平衡振動，建立了磁懸浮高速電機剛性轉子系統的徑向動力學模型，通過分析自適應陷波器的原理提出了基于極性切換自適應陷波器的自動平衡策略，利用閉環系統的根軌跡得到了極性切換規律，進而構造陷波器反饋控制和前饋控制，實現磁懸浮高速電機剛性轉子系統徑向電磁力最小控制和在包含剛體臨界的全轉速范圍內穩定運行。
仿真和實驗均驗證了多種工況下基于自適應陷波器自動平衡控制策略能夠有效地抑制磁懸浮高速電機剛性轉子系統不平衡同步振動及傳遞力。
以上研究成果發表在2020年第7期《電工技術學報》，論文標題為“基于極性切換自適應陷波器的磁懸浮高速電機剛性轉子自動平衡”，作者為鞏磊、楊智、祝長生、李鵬飛。
