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磁悬浮转子不平衡振动控制研究综述（一）

发布时间：

2023-01-13

来源：

网络

在磁悬浮转子不平衡振动控制的相关研究基础上，阐述了磁悬浮转子不平衡振动的产生原因、控制原理以及处理方法，讨论了基于轴承电磁力小和转子振动位移小这2种控制策略的不平衡振动控制方法，并介绍了该技术在旋转机械中的典型应用案例，后展望了磁悬浮转子不平衡振动控制研究的未来方向。

由于设计和加工缺陷、材质不均匀、热变形等原因使得转子不可避免地存在质量不平衡，从而会产生与转速同频的离心力，该离心力与转子转速平方成正比且使转子产生振动。当旋转机械高速运转时，微小的残余不平衡质量也会给系统带来严重影响。据相关统计，旋转机械故障中约三分之一来自转子不平衡，因此，转子的动平衡以及不平衡振动控制技术对于高速旋转机械具有非常重大的意义。

传统结构轴承作为支承时不具备主动控制特性，由其支承的转子只能在实际运行前进行离线动平衡，而且转子经过动平衡后仍存在残余不平衡量，当转子因负载变化或生锈等原因导致不平衡情况发生改变时，动平衡将失效。磁轴承的刚度相对于传统结构轴承较小且悬浮气隙较大，当转子不平衡力较大时，转子振动会更加剧烈；但磁轴承控制参数与控制电流可调，使其具备实时主动控制能力，为转子的不平衡振动控制提供可能。

本文基于大量文献调研，在磁悬浮转子不平衡振动控制发展、研究现状、算法分类等方面展开讨论，并提出了未来可能的研究方向。

1、磁悬浮转子系统简介

磁悬浮柔性转子系统是典型的机电一体化系统，包括控制器、D/A转换模块、功率放大器、转子、定子、电涡流位移传感器和A/D转换模块，典型的磁悬浮转子系统结构如图1所示。磁悬浮转子的闭环控制系统原理如图2所示：电涡流位移传感器检测转子相对于参考位置r的偏移e，经A/D转换后作为数字量输入到控制器，控制器经过相应的控制算法运算输出控制信号u，经D/A转换后输入到功率放大器，功率放大器产生控制电流i并使转子稳定在平衡位置。

2、磁悬浮转子不平衡控制方法

目前，磁悬浮转子不平衡振动控制策略有轴承电磁力小控制和转子位移小控制这2种。

轴承电磁力小控制也称为自动平衡(Auto Balance)，即通过一定的滤波算法将反馈位移信号中的不平衡量滤除，降低控制电流中不平衡同频分量的幅值以减弱磁轴承的主动控制作用，从而使转子尽可能地绕其惯性主轴转动，此时转子的不平衡控制力小。通过对转子的不平衡力进行控制，可以使其自由地绕惯性主轴旋转，减小不平衡力的同时消除传递至支承基础的同频振动力。有效利用不平衡力控制算法减小转子的同频振动力，对提升磁轴承系统性能及可靠性，降低磁轴承功耗等均有重要意义。

转子位移小控制也称为不平衡补偿(Unbalance Compensation)，即通过一定措施或补偿算法增大控制电流，从而增强磁轴承的主动控制作用，增加系统动刚度，使转子尽可能绕其磁轴承定子的几何中心转动，以实现减小转子位移振动的目的，此时转子振动位移小。利用不平衡位移控制算法减小转子的不平衡位移，对增加磁轴承动态刚度，提升系统输出精度等具有重要意义。

上述2种振动补偿所实现的目的和达到的效果相反，也是说在主动磁轴承系统中不能同时实现惯性力小和位移小。如图3所示，2种不平衡控制策略的区别在于虚线框中的不平衡滤波器或补偿器在磁悬浮转子控制框图中的位置，2种控制策略分别在控制器前、后引入控制，事实上针对2种控制策略所设计的控制算法大多也是在虚线框内进行。

关键词：主轴轴承、特种轴承