磁悬浮轴承柔性转子系统变参数控制

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1、磁悬浮轴承柔性转子系统变参数控制牟伟兴谢振宇（南京航空航天大学机电学院，江苏南京，210016）摘要：建立了五自由度磁悬浮柔性转子系统实验台，分析了系统在不同控制参数下的模态频率、模态阵型以及稳态不平衡响应。分析结果和初步实验表明，在不同的转速区段采用不同的控制参数能够较好的改善系统的动态性能，抑制转子的不平衡振动。有利于系统更平稳越过高阶临界弯曲转速。关键词:磁悬浮轴承；柔性转子系统；不平衡响应；临界转速VariationalParametersControlofActiveMagnetic-BearingFlexibleRotorSystemMouWeixingXieZhen

2、yu(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,210016,China)Abstract:The5-DOFmagnetic-bearingflexiblerotorsystemexperimentaltablewasestablished,andthemodalfrequencies,themodalvectorsandthesteadyunbalanceresponsewithdifferentcontrolparamete

3、rswereanalyzedbychangingactivemagnetic-bearingsystem’scontrolparameters.TheanalysisresultsandpreliminaryexperimentsshowthatItcangreatlyimprovethesystem’sdynamicperformancebyadoptingdifferentcontrolparametersbasedontherotor’sspeed,andreducetherotor’sunbalancevibrationeffectively.Andit’sbenefic

4、ialforthesystemtopasshighercriticalspeedssteadily.Keywords:Activemagneticbearing；Flexiblerotorsystem；Unbalanceresponse；Criticalspeed10引言随着工业技术的发展，旋转机械的转子正在向着高速、细长的柔性转子方向发展。如何将磁悬浮轴承成功的运用到柔性转子系统中逐渐成为了磁悬浮领域的一个研究热点。在国外，日本学者ItoM等采用模态分离控制方法实现了柔性转子顺利越过了三阶弯曲临界转速[2]。在国内，清华大学的谷会东、赵雷等人对主动磁轴承支承下的柔性转子在过临界

5、转速时的控制器设计进行了研究，实验表明该控制器很好的抑制了转子在临界转速下的振动[3]。文献[6]通过在一般磁悬浮柔性转子系统的基础上安装阻尼器来提高系统支承阻尼，实现了系统更平稳的越过临界弯曲转速。由于柔性转子系统的失稳往往是因为系统在某个临界转速下的不平衡振动过大而造成的。因此，如何较好的抑制系统的不平衡振动便成为了问题的关键。众所周知，在单一的控制参数下，磁悬浮轴承的等效刚度和等效阻尼很难保证在整个转速区段都能保持较合理的取值。因此，本文通过在不同的转速区段采用不同的控制参数，目的是使得磁悬浮轴承系统能够在不同的转速下都能具有较合适的支承刚度和支承阻尼来更好的抑制柔性转子在

6、整个转速区段特别是在临界转速下的不平衡振动。通过理论分析系统在不同控制参数下的稳态不平衡响应和初步实验验证，得到了不同转速区段下较好的控制参数，组合后得到了在各转速区段性能都较优的稳态不平衡响应。同时给出了进一步实验验证的方法。1实验系统介绍1本实验系统采用两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承来实现转子的稳定悬浮。通过变频电机带动转子高速旋转。在每个径向轴承的两侧和转子的两端装有差动电涡流传感器来实时检测转子的不平衡振动。图1为系统的机械结构图。其中，1.轴向传感器定位架，2.左端径向磁悬浮轴承（径向1、2路），3.基座，4.轴向磁悬浮轴承（轴向5路），5.电机组件，6.实心转子，7.

7、右端径向磁悬浮轴承（径向3、4路）。11图1系统机械结构图1图2单自由度系统传递函数框112系统等效刚度和等效阻尼图2为单自由度磁悬浮系统的传递函数框图。其中，分别为系统的传感器环节传递函数、控制器环节传递函数和功放环节传递函数。依次为系统电流刚度系数和位移刚度系数。为转子当量质量。表示转子位置设定量。为干扰力。表示转子偏移量。易知系统的传递函数为：（1）由式（1）易知系统的等效刚度和等效阻尼如下：（2）（3）其中表示传递函数的实部，表示虚部。为转子的激振频率（振动频率）。若系统