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磁悬浮转子不平衡振动控制研究综述（三）

发布时间：

2023-01-13

来源：

网络

转子不平衡补偿信号的相位决定了不平衡补偿力的方向，理想状态下，补偿力应与不平衡力方向相反大小相等。由于不平衡力作用在磁悬浮转子上使转子产生振动，磁悬浮转子不平衡振动的同频位移为正弦信号，形如X(t)=Asin(ωt+φ)。因此，现有方法多采用参考信号法估计不平衡补偿相位，通过位移传感器获取转子实时位移信息，提取由不平衡振动产生的同频振动位移，以此为参考信号从而获取相位信息。目前采用较多的算法有LMS算法、陷波器滤波、基于傅里叶系数的迭代逼近算法，滤波算法等。

2.2.2 转子不平衡补偿相位估计

文献[26]提出了一种基于频域自适应的LMS算法，单一通道不平衡振动自适应控制框图如图14所示，其以谐波振动作为输入，参考输入为引入的与传感器跳动具有相同分量的正弦信号，仿真结果表明该方法能有效提取磁悬浮转子不平衡同频振动信号。

文献[38]提出了一种基于LMS算法的快速相位追踪算法，其补偿算法框架如图15所示，将PID和可变步长LMS算法控制策略结合，在过滤器中补加追踪算法直到转子速度达到一定值，在DSP架构下的实时试验验证了该算法的相位跟踪性能。

LMS算法在转子不平衡补偿相位估计中应用较多，可以理解为对特定频率信号的一种陷波算法，除此之外，还有其他的滤波算法用于磁轴承转子不平衡的补偿相位估计。文献[39]利用卡尔曼滤波方法提取不平衡位移量，根据不平衡位移经线性高斯状态反馈控制器提升刚度，减小振动。文献[40]将较广的应用于电动机控制的同步旋转坐标系(SRF)应用于磁轴承控制，采用如图16所示的前馈控制回路，通过单相的位移误差信号构造2路正交信号作为SRF变换的输入，将同频位移误差转变为直流量，从而对变换后的直流误差进行无静差的跟踪控制。文献[41]提出了一种相位补偿方法以提升柔性转子在第一弯曲临界转速附近的阻尼水平，其在控制器中加入相位补偿算法使得转子系统整体的阻尼增加，仿真和试验结果表明相位补偿能够明显提升转子的一阶弯曲模态阻尼，有效抑制转子的共振振动，使转子顺利通过一阶弯曲临界转速，实现超临界运行。

2.3 算法切换控制

轴承电磁力小算法与转子位移小算法是2种完全相对的控制方法，各有优势，也各有缺陷。轴承电磁力小控制算法存在低转速时闭环系统不稳定的问题，转子位移小算法虽然能够实现转子的高精度旋转，但在高转速工况下容易致使功放饱和且放大转子振动相位与不平衡力的相位差，通常适用于转速较低的情况。对于2种算法的切换控制，有一些学者展开了研究：文献[42]利用广义根轨迹分析了引入补偿后系统的闭环稳定性，通过切换引入补偿的极性穿越临界转频，从而实现引入LMS反馈补偿后全转速闭环稳定；文献[43]提出了一种新型多谐振控制器，可在不同转速下实行分段切换策略，实现抑制基波和谐波电流；文献[44]则提出了基于极性切换陷波器的方法。

2.4 智能控制算法

近年来，在前人研究成果的基础上，一些新兴算法也被提出，如迭代学习算法、神经网络算法等智能算法以及多算法融合控制等。文献[45]针对磁悬浮转子提出基于学习策略的不平衡补偿PID控制策略，试验结果表明该算法在较大转速范围内的扰动跟踪效果良好，而通过采用不同的方法进行分析，该文献认为相对于采用遗忘因子，使用非因果低通滤波器的效果较好。

文献[46]利用深度学习理论设计了一种补偿控制器并将其加入PID反馈控制中，其采用具有2个隐含层的深度神经网络建立了补偿控制器的结构，通过设计的运行算法仿真了不同控制器在固定转速下的不平衡振动控制，通过不平衡振动分析和控制电流分析验证了所提控制器的控制效果，但该算法的试验效果还有待进一步验证。

3、研究方向与展望

经过众多学者多年的研究，磁悬浮转子不平衡振动控制领域早已硕果累累，但仍然有以下几点待开展研究。

3.1 转子跨阶时的不平衡补偿

当转子跨越临界转速(跨阶)时，根据受迫振动响应规律可知，此时转子的振动幅值与相位都会发生剧烈变化，且由于转子发生弯曲形变，转子的不平衡状态会发生改变，现有的算法如自适应迭代算法、影响系数法等可能会失效。而且，目前大多数研究都是针对刚性转子或跨阶后处于稳定状态的转子。如何设计控制器，使不平衡补偿在转子跨阶时也能有效运行，降低转子在跨阶时的振动，辅助转子跨越临界转速，需进一步开展研究。

3.2 基础激励等外界干扰时的不平衡振动控制

当转子受到如基础激励等外界干扰时，由叠加原理可知转子的振动是外界激励响应与不平衡响应的叠加，转子的不平衡响应可能被外界干扰产生的振动所覆盖，特别是当外界激励与转速同频时，转子的不平衡振动信息难以提取，如何提取该状态下的转子不平衡振动信息，实现不平衡振动的控制也有待研究。

3.3 磁轴承＋辅助支承时的不平衡振动控制

传统意义上的磁悬浮转子不平衡补偿多是考虑磁轴承单独支承的情况，对于磁轴承为主要支承，其他支承方式为辅助支承情况下的不平衡振动控制，尚未见相关研究。例如，近年来兴起的磁＋气混合轴承支承，转子不仅受到电磁力，还受到动压效应产生的气浮力，转子的不平衡周期振动在受到控制器周期控制力的同时，还受到由于气隙周期变化产生的周期性波动气浮力的影响，对于此类支承方式下的转子，首先需要通过研究其动力学特性获取转子的不平衡振动特征，然后进行不平衡振动的控制，这一研究仍待开展。

3.4 智能控制算法与现有算法的结合

智能控制算法在磁轴承上的应用还处于起步阶段，随着智能控制理论的进一步发展，将智能控制引入磁悬浮转子不平衡振动的研究对提升磁悬浮转子性能具有重要意义。目前，这个方向的研究内容在于如何结合现有的控制算法，利用机器学习神经网络等智能算法增强不平衡振动控制算法的自适应能力与鲁棒性。

4、磁悬浮转子系统简介

多年来，经过国内外众多学者在磁悬浮转子不平衡振动控制方法上的研究，取得了许多成果，大大拓展了磁轴承在现代工业技术、医疗器械以及航空航天等领域的应用范围。本文针对磁悬浮转子的不平衡振动控制问题，介绍了国内外的研究发展情况，对不同的控制算法进行分类，综述了部分学者的研究成果并讨论了各方法之间的相同与不同之处，这些成果基于不同的控制算法以及控制策略，针对不同的实际问题，算法间既有相通之处，又有各自的应用场合与优势。在实际的应用中，如何针对具体的控制对象研究不同的控制方法，以实现期望的效果，仍然是一个巨大的挑战。

（参考文献略）

文章发表于2022年3期《轴承》——磁力轴承专题

关键词：主轴轴承、特种轴承