基于转子不平衡响应的磁轴承磁力参数辨识

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1、2015年7月第41卷第7期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJuly2015V01．41No．7http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．onDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0516基于转子不平衡响应的磁轴承磁力参数辨识刘超1’2，刘刚“’2(1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191；2．北京航空航天大学惯性技术重点实验室

2、，北京100191)摘要：针对磁轴承磁力参数理论设计值不精确的问题，提出了一种基于不平衡响应的磁力参数实验辨识方法．利用转子的质量不平衡在高速转动时的离心力效应，通过检测磁轴承在零电流控制状态下的同频位移响应和零位移控制状态下的同频电流响应，解算磁轴承磁力参数．设计了基于通用陷波器原理的零位移控制器和零电流控制器，并通过设置r矩阵保证闭环系统稳定．实验结果表明：基于不平衡响应的磁力参数辨识方法，辨识结果与理论设计值差别在20％之内，证明了该方法的正确性和改进磁轴承力学参数的有效性．关键词：磁轴承；参数辨

3、识；不平衡响应；电流刚度；位移刚度中图分类号：V448．22文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)07-1246-07主动磁轴承(简称磁轴承)是一种非接触的新型支承方式，具有无摩擦、转子转速高及转子动态特性主动可控等优点，在惯性动量轮、控制力矩陀螺及高能量密度电机等精密仪器设备中得到了大量应用’1。1．由于磁轴承本身是一个开环不稳定的非线性系统，需要设计控制器实现闭环镇定控制，而磁轴承的磁力模型是控制器设计的基础．当磁轴承工作在平衡位置附近时，一般将其线性化得到近似的线性模型H1，其中的

4、电流刚度和位移刚度是2个有待确定的磁力模型参数．对于如何获得较精确的磁力模型参数，国内外学者进行了大量的研究，主要包括2种途径：理论计算法和实验辨识法．理论计算法一般用于磁轴承的设计阶段，它根据理想的磁路模型或有限元模型，计算出磁力模型的电流刚度和位移刚度¨4。．为计算方便，磁路模型建立在一系列的假设基础上，如忽略导磁材料的磁阻及忽略漏磁等；而有限元模型网格划分不可能无限细，同时材料属性设置也是基于理想情况，因此理论计算得到的模型参数精度较差，通常只用于控制器的初步设计．实验辨识法通过实验获得测试数据，

5、经过一定方式的处理得到磁力模型参数．文献[8]对磁力、转子位移和磁轴承电流进行测量，然后通过改进的LMS(LeastMeanSquare)算法在线辨识磁力模型参数；文献[9]采用磁力测量法和自由振荡法对磁力模型参数进行精确辨识；文献[10]提出了一种基于简谐运动的磁力参数辨识方法，与自由振荡法较为相似．基于磁力直接测量的辨识方法一方面其辨识精度取决于测力计的测量精度，另一方面受安装空间的限制，应用不便；而自由振荡法容易受系统固有频率的影响，需要避开系统的共振频率，对数据的差分运算也容易放大误差．文献[1

6、1]通过控制磁轴承定子的支承角度，利用转子的重力间接获得磁轴承的磁力．但是转子的支承角度难免存在误差，同时为提高辨识精度需要多次测量，此方法比较适用于基座不固定的小型磁悬浮转子系统．文献[12]提出了一种基于在线动平衡的磁力参数辨识方法，需要使用动平衡收稿日期：2014-08-20；录用日期：2014—10．11；网络出版时间：2014-12-0210：19网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0516．html基金项目：国家

7、自然科学基金(61374029)作者简介：刘超(1987一)，男，山东德州人，博士研究生，zjhbliu@sina．cam}通讯作者：刘刚(1970一)，男，山东济南人，教授，lgang@buaa．edu．cn，研究方向为航天器惯性执行机构设计制造及应用技术．引用格式：刘窟，刘刚．基于转子不平衡响应的磁轴承磁力参教辨识fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41(7)：1246—1252．LiuC．LiuG．Parameteridentificationofmagneticbearingbasedonr

8、otorunbalanceresponsesCJj．JournalofBeljingUnivemityofAeronauticsandAstronautics，2015，41f7)：1246—1252(inChinese)．第7期刘超，等：基于转子不平衡响应的磁轴承磁力参数辨识1247仪等专用设备对转子进行精确的动平衡，然后通过多次加重测试，计算磁力模型参数，过程较为复杂．本文提出了一种基于不平衡响应的磁力参数辨识方法，利用转子的质量不平衡