无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制关键技术发展

无轴承电动机利用一套新的悬浮力绕组产生悬浮力,使无轴承电动机成为一种多变量、强耦合的非线性系统,如何实现转速与径向位移以及径向位移之间的动态解耦控制是无轴承电动机稳定运行的关键要素之一。神经网络逆系统具有以任意精度逼近非线性函数的能力,可以有效实现无轴承电动机的解耦控制。阐述了无轴承电动机悬浮力产生的原理以及神经网络逆系统解耦原理,从纯神经网络逆系统、神经网络逆系统结合智能控制器等方面分析了国内外无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制策略的研究现状,归纳了无轴承电动机在使用神经网络逆系统进行解耦控制时的共同和不足之处,总结了无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制的一般设计方法,并对神经网络优化、在线训练、抗干扰能力等关键技术发展趋势进行了展望。

磁力轴承——过去、现在和未来

磁力轴承是集电磁学、转子动力学、传感技术、控制工程等学科知识为一体的典型机电一体化产品,在高速、洁净、低功耗、低振动等应用场景具有机械轴承无法比拟的优势,但同样存在诸多技术难点。基于磁力轴承的发展历程,重点对磁力轴承的类型、工作原理、控制算法、控制硬件进行了综述和分析;介绍了磁力轴承功率放大器技术、控制技术、监测技术,以及设计、制造、系统集成等方面的关键技术;对磁力轴承目前在高速电动机、透平机械、人工心脏、储能飞轮、磁悬浮推进器、磁悬浮高速电主轴等方面的应用情况进行了梳理;提出了磁力轴承承载力、精度及可靠性、跌落保护、环境适应性、标准化、成本等面临的问题,并预测了磁力轴承的未来发展趋势。

基于ICPSO优化的PMa-BSynRM神经网络逆系统解耦控制

针对永磁辅助式无轴承同步磁阻电动机(PMa-BSynRM)存在的强耦合和非线性问题,以及神经网络逆系统解耦控制收敛速度慢和易陷入局部极值的问题,提出了一种将BP神经网络与改进混沌粒子群优化(ICPSO)算法相结合的PMa-BSynRM解耦控制方法。基于PMa-BSynRM的结构和工作原理建立转矩和悬浮力的数学模型并进行可逆性分析,再建立BP神经网络作为逆系统,利用ICPSO算法优化其初始连接权值,通过仿真验证优化效果,经过充分训练后,将BP神经网络与原系统串联形成伪线性系统,从而实现PMa-BSynRM的解耦控制。仿真及试验结果表明,采用ICPSO算法优化的BP神经网络逆系统收敛速度和解耦性能均优于传统神经网络逆系统,改善了PMa-BSynRM的动态与静态性能。

基于等价输入干扰滑模观测器的磁悬浮轴承控制

针对磁悬浮轴承受到未知干扰而使转子偏离理想位置导致控制性能下降的问题,建立了存在未知干扰的磁悬浮轴承模型,基于模型设计了等价输入干扰系统,利用积分滑模观测器对系统状态量进行观测并结合等价输入干扰估计器协同实现对未知干扰的实时精准估计,通过控制端对等价输入干扰估计值进行前馈补偿,设计转子位置环的滑模控制器,通过复合控制提高系统的鲁棒性。与其他方法的仿真对比结果表明,所提方法能够提高轴承系统的抗扰性能,实现对转子位置的高精度控制。

基于μ分析的鲁棒控制器在磁悬浮轴承中的应用

针对磁悬浮轴承电磁力线性化和位移传感器温漂现象等不确定性,建立了考虑参数不确定性的磁悬浮轴承-转子系统的摄动模型,基于该模型设计了一种基于结构奇异值μ分析的鲁棒控制器并进行仿真分析,结果表明控制器降阶前后转子能稳定悬浮在平衡位置,且对正弦干扰有一定抑制作用。在转子试验台上进行了悬浮和激振试验,结果表明:与传统PID控制方法相比,μ综合控制下转子起浮调节时间缩短了95%,稳定时抵抗内部激振扰动的能力均有较大改善,且在0.5 mm,40 Hz和0.5 mm,60 Hz正弦干扰下,μ综合控制下转子位移幅值分别降低了36.4%和40%,说明考虑模型参数不确定性情况下设计的μ综合控制器使系统具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。

飞轮储能用磁轴承综述

磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间,实现定子与转子之间无机械接触的一种新型支承轴承,在飞轮储能领域具有非常广阔的应用前景。阐述了飞轮储能工作原理以及常见的4种磁轴承支承方式,根据偏置磁通产生方式、受控自由度数量、磁极数量对磁轴承结构进行分类介绍,并对磁轴承关键技术参数优化、无传感控制技术以及解耦控制技术进行综述,指出磁轴承关键技术的未来发展趋势是使用智能算法建立模型求最优解。

自润滑关节轴承成形技术研究进展

为缓解关节轴承成形过程中因应力集中导致的衬垫损伤和废品率高等问题,研究人员分析了关节轴承在模具挤压合套过程中的塑性变形规律、应力分布、内外圈游隙与挤压力的关系,以及内外圈尺寸形状对成形的影响。大量研究者通过关节轴承挤压成形的有限元模拟获得了不同条件下挤压成形关节轴承的试验数据,为试验提供理论支持与指导。综述了基于模具挤压合套和无模具装配技术的研究进展,讨论分析了模具内腔形状和外圈坯料尺寸对成形过程和成形后关节轴承力学性能、寿命等方面的影响。同时提出整体式关节轴承新型成形技术的研究发展方向,为关节轴承制造工艺全过程一体化联动调控理论与技术发展提供了参考。

紊流润滑滑动轴承壁面压力脉动效应研究

壁面压力脉动是紊流润滑滑动轴承随机振动的主要激励源之一,建立紊流激励特性和轴承结构动力学响应之间的关联,对高转速、低黏度润滑滑动轴承的状态监测和故障诊断具有重要意义。为研究紊流润滑滑动轴承的壁面压力脉动效应,考虑流体油膜中存在逆压力梯度的影响,选用Rozenberg模型和广义Corcos模型表征壁面压力脉动的自功率谱和互功率谱,采用波数域模态叠加法求解滑动轴承紊流壁面压力脉动模型,分析滑动轴承在不同工况参数下壁面压力脉动的激励特性以及结构的响应特性。结果表明:低波数区域紊流脉动压力是轴承结构高频随机振动的主要因素;随着润滑油黏度的降低,高频范围内的轴承模态响应幅值增大,共振峰值附近产生较宽的频带和较高的振幅;随着轴颈转速和径向载荷的升高,紊流压力梯度增大,高频范围内的轴承模态响应幅值也随之增大。

基于改进模型辅助ESO的磁轴承-转子系统自抗扰控制

为降低磁轴承-转子系统运行过程中多种干扰对控制系统控制精度和稳定性的影响,进一步提高磁轴承抗扰能力,提出一种基于改进模型辅助的自抗扰控制方法。建立轴向磁轴承-转子系统数学模型,将模型信息引入扩张状态观测器(ESO)的设计中,提出一种线性/非线性切换模型辅助扩张状态观测器(SMESO),并使用等效增益法分析了SMESO的稳定性,通过仿真试验对比MESO与SMESO的自抗扰控制器在阶跃与正弦扰动下的抗扰能力,结果表明基于SMESO的自抗扰控制方法具有更快的响应速度和更强的抗扰能力。

考虑瓦块磨损的可倾瓦径向轴承-转子系统动态特性研究

针对含有瓦块磨损故障的可倾瓦径向轴承-转子系统润滑和振动特性耦合建模问题,考虑了瓦块磨损、转子与瓦块平摆振动和轴承混合润滑的影响,提出了可倾瓦径向轴承-转子系统的混合润滑动力学模型,研究了不同磨损率下转子振动特性和轴承润滑性能的动态响应,探明了转子偏心量、转速和预载荷系数等参数与磨损率的耦合作用对轴承-转子系统动态特性的影响。结果表明:转子在磨损瓦块位置的振动位移和振动加速度随磨损率的增加而增大;与无磨损轴承相比,磨损轴承的转子加速度峰值频率会额外激起转频的偶次倍频;多瓦块磨损会导致转子振动响应和轴承油膜压力显著增大。该研究结果可为可倾瓦径向轴承-转子系统的状态监测及故障识别提供理论参考依据。

多源信息融合的核电循泵轴承健康状态增量评估

针对基于深度学习的导轴承健康状态评估模型在增量学习新任务后,几乎彻底遗忘之前学习的内容,导致模型对旧任务评估准确率下降的问题,提出一种多源信息融合的核电循环水泵导轴承健康状态增量评估方法。首先,设计多源信息融合网络,提取反映导轴承健康状态的高维融合特征;其次,通过减小多源信息融合网络的分类损失及蒸馏损失保留新旧任务知识,设计范例管理策略及最邻近均值分类器实现导轴承健康状态增量评估;最后,在核电循环水泵实验台架采集导轴承劣化数据,并对所提方法进行实验验证及对比分析。实验结果表明,所提出方法的准确率可达94%以上。

基于改进变步长LMS算法的储能飞轮主动磁轴承-转子系统振动控制

针对储能飞轮主动磁轴承-转子系统的振动控制,在变步长最小均方差(LMS)算法的基础上采用一种改进的步长因子并对其可变参数和算法效果进行对比分析,改进算法在提高迭代收敛速度的同时还能保持一定的稳态误差。对基于有限铁木辛柯梁单元法建立的轴承-转子系统动力学模型的仿真结果表明,在转子的振动位移反馈信号进入控制器前,利用基于改进步长因子LMS算法的自适应滤波器可以有效识别并滤除与转子同频的信号分量,从而实现储能飞轮主动磁轴承-转子系统的不平衡振动控制。

基于部分模型辅助LADRC的电磁轴承-飞轮转子系统振动抑制

针对电磁轴承支承的飞轮转子系统振动抑制问题,提出了一种部分模型辅助线性自抗扰控制方法,建立考虑陀螺效应和不平衡力的刚性飞轮转子系统径向四自由度二阶数学模型,将各自由度二阶模型中的本自由度项作为已知信息辅助线性扩张状态观测器的设计,其他自由度项和不平衡力作为外界扰动,并设计线性状态误差反馈控制律对总扰动进行实时补偿。仿真结果表明,所提方法能以更低的观测器带宽达到与线性自抗扰控制相同的控制性能,并实现飞轮转子径向4个自由度之间的有效解耦,比分散PID控制具有更好的动态性能和抗干扰能力,可实现转子全转速范围内振动的有效抑制。

顶置磁力搅拌器磁悬浮支承结构设计与仿真分析

针对顶置磁力搅拌器陶瓷轴承内部结构复杂,存在接触摩擦和润滑,且不利于在位清洗和在位灭菌的问题,对磁力搅拌器的载荷组成及搅拌轴支承布局进行分析,采用磁悬浮支承技术,增大主动磁轴承转子的轴向长度,确保转子在产生轴向位移时能被稳定支承;不考虑被动磁轴承与磁力联轴器因不对中产生的径向力,建立搅拌器转子的四自由度支承刚性转子模型,研究不同外部载荷对搅拌器转子的动态响应和线圈控制电流的影响,结果表明:外部载荷越大,外部载荷在长悬臂结构上的力矩作用效果越明显,主动磁轴承需提供的电磁力越大,对磁轴承功率放大器的要求越高。

向心透平发电膨胀机静压气体轴承设计与承载特性分析

为提升有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统向心透平发电膨胀机静压气体轴承的承载力与刚度,采用表压比法设计了以R245fa为润滑工质的静压气体轴承,分析转子偏心率、供气孔尺寸、进气压力对静压气体轴承承载力与刚度的影响。实验结果表明:在相同供气压力下,轴承承载力与刚度随着转速的增大而增大;在相同转速下,0.7 MPa供气压力相对于其他气体供气压力轴承的承载力与刚度略高;静压气体轴承的偏心率越大承载力越大;相同供气孔直径下,静压气体轴承的承载力与刚度随着转速的升高而升高;随供气孔直径增大,静压气体轴承的承载力和刚度也随之增大。

新型可变可控三油楔轴承结构设计及静态特性分析

传统三油楔轴承结构形状固定,且运转工况单一,为适合变化的工况,提出一种可变可控三油楔轴承。将压电叠堆引入轴承结构中,压电叠堆在直流驱动电压作用下产生驱动力,使轴瓦内表面由圆形变为三油楔形状,且通过改变电压可以控制轴瓦变形大小。介绍该轴承的结构和工作原理,采用CREO软件建立不同驱动电压下油膜的几何模型并导入前处理软件ICEM中进行结构化网格划分,基于FLUENT软件中的两相流模型计算分析不同电压、偏心距和转速下轴承静态特性。结果表明:改变驱动电压可改变三油楔轴承油膜间隙,进而调控油膜压力分布和静态特性;在相同转速和偏心距下,随着驱动电压的升高,可变三油楔轴承变形加大,承载力和摩擦力逐渐减小,流量逐渐增大。

不同控制器对基础移动的电磁轴承-转子系统的减振效果

为探究线性自抗扰控制器(LADRC)、H∞控制器和分散PID控制器对基础移动的电磁轴承-转子系统的减振效果,建立了基础移动工况下的电磁轴承-转子系统动力学模型,模拟了飞机俯冲-拉升和水平转弯2种工况并计算了3种控制下的转子振动响应及控制电流。结果表明:H∞控制器对基础移动干扰的抑制性能最好,LADRC次之,分散PID控制器最弱;当飞行速度与最大滚翻角增大时,3种控制下的转子最大位移及最大控制电流均会增大,LADRC和H∞控制下的最大控制电流相差不多且均小于PID控制;LADRC和H∞控制下的转子最大位移也比PID控制更小。

非线性支承下磁悬浮转子系统μ综合控制的研究

针对磁悬浮转子系统支承力的非线性和不平衡扰动问题,采用μ综合控制方法对系统进行控制。根据磁悬浮转子系统模型推导出系统状态空间方程,并对其中的非线性支承力进行平衡点线性化,对状态空间方程进行模态分析,得到低阶控制模型,再通过D-K迭代法得到μ综合控制器,并将其应用于非线性支承下的磁悬浮转子系统。结果表明:μ综合控制下的闭环转子系统具有良好的起浮性能和抗干扰性能;与PID控制比较,μ综合控制下转子系统不平衡响应基频幅值和倍频幅值显著降低;系统不平衡扰动和非线性效应得到了抑制。

静动压油膜轴承油腔结构优化设计

静动压油膜轴承作为无头轧制粗轧机组支承传动轴的部件,在低速重载工况下建立动压油膜困难,静压支承供油系统需长期连续工作。静压油腔压力流量特性直接影响静压支承性能,设计满足工况的静压油腔结构并与供油参数的相互匹配尤为重要。设计了一种非对称三油腔静动压油膜轴承结构,以静压油腔包角、宽度、中心间距、周向夹角、节流器尺寸为影响因素,通过封油面流量法建立以静压油腔压力、流量为目标函数的优化模型,基于正交试验法对轴承结构参数进行优化设计及多因素方差分析。研究结果表明:非对称三油腔轴承,采用恒流量供油,静压油腔压力大;减小静压油腔包角、宽度,周向夹角,增大中心间距有利于提高静压油腔压力和承载力。

两相无轴承电动机驱动拓扑及控制策略优化设计

从逆变拓扑选型、调制策略设计及调节器结构优化3个角度出发,对两相无轴承电动机驱动系统进行优化设计。详细对比分析了两相无轴承电动机的逆变拓扑形式,为保证电动机高性能运行的同时尽可能降低硬件成本,采用交错并联式逆变拓扑结构;在此基础上,提出了一种基于交错并联式拓扑的双空间矢量脉宽调制策略,并给出了详细的设计过程;为进一步提升无轴承电动机驱动系统的动/稳态性能,基于无差拍思想提出了一种混合型调节器结构优化设计方案,该方案针对无差拍的控制延迟问题,采用基于史密斯预估器的电流预测方案补偿延时影响,对于参数误差问题,对d,q轴电流分别采取适合各自特点的控制策略,并利用误差累积效应补偿参数误差造成的电流跟踪静差;最后,使用无轴承试验样机的仿真及试验验证了所提驱动系统优化设计方案的有效性。