基于电磁力的球轴承外圈微弱故障主动感知实验研究

针对深沟球轴承外圈早期微弱故障监测信号弱、特征信息不明显等问题,通过实验研究,探索一种基于非接触式可控电磁力的深沟球轴承外圈早期微弱故障主动感知方法。在轴承-转子系统运行过程中,利用电磁轴承主动施加径向非接触式电磁力,从而放大深沟球轴承外圈滚道早期微弱故障在监测信号中的表现。通过搭建测试实验台,并利用激光加工模拟轴承外圈滚道微米级缺陷故障,对提出的主动感知方法进行了详细实验研究。

主动磁轴承系统建模与准谐振自抗扰振动抑制

为了建立更准确的磁轴承数学模型,优化其控制性能,对磁轴承的电磁力非线性特性和系统固有干扰源进行了分析,通过转子动力学分析建立了含干扰源的主动磁轴承径向耦合系统模型。为抑制系统的振动,提出了一种磁轴承准谐振自抗扰振动抑制方法。通过扩张状态观测器实现系统解耦,简化控制流程,提升系统抗干扰能力;在此基础上,并入准谐振控制器对正弦周期性振动进行抑制。与传统方法相比,该方法控制结构简单,所需整定参数较少。仿真与试验结果表明,所提方法可以有效降低转子位移振动幅值,系统内常见的1、3、5倍频周期性振动得到显著抑制,具有良好的振动抑制效果。

主动电磁轴承–柔性转子系统过多个临界转速区的同频振动抑制

为了对电磁轴承(active magnetic bearings,AMBs)–柔性转子系统在多阶弯曲临界转速范围内的同频不平衡振动行有效控制,首先建立AMBs–柔性转子系统的动力学模型,分析线性自抗扰控制器和相位偏移最小均方(least mean square,LMS)算法。然后,提出一种基于相位偏移LMS的扰动跟踪补偿方法,并将相位偏移LMS算法用在同频扰动的跟踪中,以解决扩展状态观测器不能准确估计高频同频不平衡扰动的问题。接着,从补偿方法、补偿有效性和闭环系统稳定性等方面分析相位偏移LMS的补偿特性。最后,在AMBs–多盘柔性转子系统试验台上进行试验。结果表明,所提出的基于相位偏移LMS扰动补偿策略无需切换极性和相位,就能够有效地抑制柔性转子在跨越系统的刚体平动、刚体锥动、一阶弯曲和二阶弯曲临界转速区的同频不平衡振动,使转子系统在高于二阶弯曲临界转速的转速区稳定工作。

基于有限元方法的主动磁悬浮轴承电磁性能仿真分析

磁悬浮轴承利用电磁力实现定子与转子间的无接触悬浮,集机械、电子、自动控制和电气于一身,是复杂的机电一体化产品,包括了复杂的机械结构和电气控制系统。在根据磁路解析法对主动磁悬浮轴承进行各部分参数的设计时,其磁饱和、磁滞效应以及漏磁等非线性因素均无法考虑,但在实际工程应用中磁轴承的实际性能与这些非线性因素息息相关。结合有限元方法对已设计的磁轴承结构进行电磁性能的仿真分析,研究主动磁悬浮轴承内部的电磁性能并进行结构上的设计校核,为磁悬浮轴承的正确设计提供了理论基础。

主动电磁轴承-柔性转子系统振动位移的高精度跟踪和估计方法

工作在弯曲临界转速区的主动电磁轴承(AMBs)-柔性转子系统不能通过简单的几何关系从传感器位置的转子振动得到转子上目标位置的振动。为了实现转子系统的振动位移跟踪和估计,针对Luenberger状态观测器的观测滞后和观测器匹配条件难以满足等问题,基于二阶导数构建辅助输出,提出一种未知输入观测器(UIO)的柔性转子振动位移的高精度跟踪和估计方法。首先建立AMBs-柔性转子系统的动力学模型,阐述了Luenberger状态观测器获取转子系统振动位移的方法和滞后的不足;然后推导了基于二阶导数构建辅助输出的UIO,通过跟踪特性对比分析了UIO的优点,研究了模态可观性问题;最后在AMB-多盘柔性转子系统上进行了仿真和试验验证。结果表明,所提出的UIO能在0~6000 r/min包括刚体和一阶弯曲临界转速的全转速范围内准确地跟踪系统输出信号,并可高精度地估计转子在目标位置的振动位移。

主动电磁轴承-柔性转子系统的不同位效应

在电磁轴承支承的柔性转子系统中,由于结构的限制,位移传感器无法安装在电磁轴承的中心位置,因而产生了传感器中心位置与电磁轴承中心位置的不同位问题。电磁轴承和位移传感器的不同位不仅会影响转子系统的振动控制性能,还会导致控制系统失稳。应用有限元法建立了电磁轴承-柔性转子系统的动力学模型;从转子系统动力学特性、开环传递函数的零极点、频率响应曲线以及根轨迹等四个角度分析了不同位对电磁轴承-柔性转子系统动力学特性的影响;用多输入多输出的状态方程确定了不稳定模态特征值的具体位置,提出了减小控制器增益和插入式自适应陷波器等抑制不稳定弯曲模态的方法;在电磁轴承-柔性转子试验台上进行了试验。仿真和试验结果表明:不同位效应会通过影响模态信号的衰减而影响转子系统的稳定性,所提出的方法可在一定程度上抑制不同位导致的弯曲模态的不稳定。

电动机选用主动磁轴承支撑的优缺点分析

论述了主动磁轴承的原理和结构,并对其优缺点进行分析。

主动电磁轴承的自适应离散滑模控制器设计与仿真

为提高主动电磁轴承离散滑模控制系统的控制精度,设计了一种改进自适应离散滑模控制方法。采用切换增益自适应方法迫使滑模切换区渐进收缩于原点以降低滑模运动中后期抖振振幅,采用边界层自适应连续函数替代传统符号函数以降低滑模运动前期较大振幅,且保证滑模运动各阶段具有良好的鲁棒性。经启浮工况和位置跟踪工况仿真试验验证,设计的改进自适应离散滑模控制方法使系统具有较低的抖振、较高的控制精度以及良好的鲁棒性。

考虑涡流的自传感主动电磁轴承转子位置估计策略

自传感主动电磁轴承不需要独立的位移传感器,相比传统电磁轴承具有成本低、集成度高和结构紧凑等优点,其技术关键在于利用电磁轴承的可测物理量(如线圈电压、电流等)进行转子位置的准确估计。涡流作为电磁轴承中一个重要的非线性因素,会对自传感转子位置估计的精度、线性度产生重要影响。首先考虑了涡流影响下电磁轴承电感相对气隙长度的灵敏度,分析了在自传感电磁轴承中采用叠片结构铁心相比采用实心结构铁心的优势。然后利用一种单匝虚拟绕组模型,分析了叠片结构铁心电磁轴承中涡流对电流纹波特性的影响,并提出了一种考虑了涡流影响的基于电流纹波解调的自传感转子位置估计策略。最后在刚性转子-四自由度径向自传感电磁轴承实验平台上验证了上述自传感位置估计策略的有效性。

非磁饱和偏置下自传感主动电磁轴承的转子位移协同估计

基于电磁轴承差动控制模式,首次提出一种转子位移的协同估计策略。在非饱和偏置磁通的条件下,相对磁极必有一个处于非饱和状态。通过对控制电流的极性判断来动态追踪没有饱和的磁极,始终采用未饱和磁极端所估计得到的转子位移作为系统反馈。论述了非饱和偏置磁通的基本原理,并给出了非饱和最大偏置电流的实验测量方法。在四自由度电磁轴承系统平台上,对提出的相对磁极协同位移估计策略进行了静态悬浮饱和实验以及动态悬浮旋转实验。实验结果证明,使用该策略的自传感电磁轴承系统具有更强的抗磁饱和能力,同时也间接地提高了电磁轴承系统抵抗外力扰动的能力,增强了系统的稳定性。

电磁轴承的主动控制研究

鉴于磁力轴承本质上是不稳定的，因而引入闭环主动控制后的主动型电磁轴承（简称电磁轴承），就成为人们关注和研究的重点．本文在介绍电磁轴承工作原理的基础上分析和给出了单自由度磁悬浮系统的数学模型及相应的闭环控制方块图．结合一个设计实例，给出了确定控制器参数的稳定范围的方法，并讨论了控制器参数对电磁轴承系统动态参数的影响等．

电磁轴承-柔性转子系统多目标加权的主动振动控制

为了避免影响系数法求解出一个过大的校正力计算结果,解决由此造成的电磁力饱和以及转子悬浮失稳问题,拓展基于最小二乘法的影响系数法,提出多目标价值函数混合加权的柔性转子振动主动控制方法.利用多个目标价值函数的加权设计,不仅实现了多个节点振动之间按权值实现振动抑制,而且能够在不同量纲的振动幅值和所需电磁力之间实现权衡.算例仿真表明,提出的控制方法可以在实现转子振动控制的同时,顾及到电磁轴承(AMB)电磁力的能力极限.在转子振动能够控制在允许的范围内,适当减小对电磁力的需求,降低对电磁轴承的功率要求.

基于在线识别对转速不敏感的主动电磁轴承转子系统不平衡振动控制

提出一种基于振动识别的主动电磁轴承转子系统不平衡补偿控制方法。该方法的最大特点是能够不依赖控制对象的传递函数,在线识别出转子等效不平衡质量的大小和位置,然后根据识别结果计算出精确的控制信号,迫使转子绕其几何轴旋转。当转子转速变化时,尽管不平衡力随之变化,但不平衡质量的大小和相位特性不会改变,因此无需重新识别不平衡量,大大提高了在变转速情况下对转子不平衡的控制性能,同时减轻了控制器的计算负担。对算法的控制效果进行了实验测试,结果表明提出的对转速不敏感的基于振动识别的主动电磁轴承转子系统不平衡补偿控制方法对不平衡振动的抑制取得了很好的效果,并在转速变化情况下能大幅减少重新识别不平衡量的次数。

基于不平衡识别的主动电磁轴承转子系统自动平衡

转子不平衡引起的同步振动是主动电磁轴承转子系统高速运行面临的一个主要激振源。通过对转子系统不平衡特性的分析,提出了一种基于不平衡识别的主动电磁轴承转子系统自适应自动平衡控制方法。该方法无需控制对象的传递函数,亦不影响原控制系统稳定的频率边界,通过对主动电磁轴承在线施加试探性激振信号,同时检测控制电流响应中不平衡频率成分的幅值和相位变化,直接识别出不平衡干扰的Fourier系数,产生精确的补偿信号,从而使转子绕其质心轴旋转。实验测试结果表明提出的自适应自动平衡方法对不平衡干扰有显著的抑制作用。

采用磁通观测器的主动电磁轴承用功率放大器

功率放大器作为主动电磁轴承中的关键环节,其控制方式和控制性能对主动电磁轴承的性能有着极大的影响。目前使用较多的是电流控制型功率放大器,但其存在着电流与电磁力的关系依赖材料的电磁特性、负的开环刚度等问题。在分析磁通控制型功率放大器的工作原理和结构的基础上,提出了一种基于磁通观测器的磁通控制型功率放大器。利用磁通控制型功率放大器的状态方程,建立了线性化的数学模型。根据该数学模型,得到了磁通控制型功率放大器的力增益和开环刚度,并与电流控制型功率放大器进行比较分析。在一个单自由度磁悬浮悬梁实验系统上对磁通控制型功率放大器的可行性和理论分析结果进行了验证。

主动电磁轴承电流型开关功率放大器的调制技术

功率放大器作为主动电磁轴承中的重要环节,其性能的好坏对主动电磁轴承系统有着较大的影响。目前主动电磁轴承系统大多采用电流型开关功率放大器,电流型开关功率放大器的性能除了与电流控制器的参数有关外,与调制技术也有非常大的关系。对目前使用最多的三角波比较法、滞环比较法及采样保持法等3种调制技术进行比较研究。在介绍每种调制技术运行原理的基础上,对其静态性能、动态性能和谐波含量等特性进行重点的分析。利用Simulink建立仿真模型并制作试验样板,仿真与试验的结果表明:与滞环比较法、采样保持法相比,三角波比较法的开关频率恒定、谐波含量少、可靠性高,其综合性能比较好,对主动电磁轴承用功率放大器的设计制作有一定的指导意义。

主动电磁轴承失效后转子坠落在备用轴承过程中的非线性动力学

用有限元法建立了任意个由滚动轴承组成的固定间隙备用轴承-主动电磁轴承-多盘多质量转子系统在主动电磁轴承失效前后的动力学方程,以一个多盘转子系统为例分析了主动电磁轴承失效后转子坠落在备用轴承过程中的瞬态非线性动力学特性,讨论了柔性备用轴承的支撑刚度、支撑阻尼和间隙对转子在坠落过程中动力特性的影响。结果表明采用具有较大阻尼柔性结构的备用轴承能够显著地改善转子坠落在备用轴承上的瞬态动力特性,抑制转子在坠落过程中可能出现具有较大振动和冲击力的全间隙区的涡动运动,减小转子坠落对备用轴承寿命和可靠性的影响。柔性结构备用轴承的支撑阻尼越大,支撑刚度越小,间隙越大,转子坠落后出现全间隙区涡动运动的可能性越小。

主动电磁轴承失效后转子坠落在备用轴承上的动力学

采用有限元法建立了由滚动轴承组成的具有固定间隙的备用轴承-电磁轴承-柔性转子系统在电磁轴承失效前后的动力学方程,分析了转子的初始坠落位置、转速、转子不平衡量以及备用轴承的支撑阻尼和刚度对转子在坠落过程中的瞬态动力特性的影响.结果表明,即便转子系统在工作时的振动很小,初始脱离位置对转子在坠落过程中的动力特性具有明显的影响;柔性备用轴承的采用,特别是具有较大阻尼的备用轴承,不仅可以减小电磁轴承失效后转子在坠落过程中的振动及碰撞力,而且能够抑制在长时间内具有较大振动和碰撞力的在全间隙范围内的反向回转运动;随着转子不平衡量、备用轴承的支撑刚度及转子转速的增大,在坠落过程中备用轴承所受到的碰撞力和转子在全间隙范围内出现回转运动的可能性增大.

基于主动电磁控制的滑动轴承-转子系统自激振动抑制数值仿真

本文以滑动轴承支承的柔性转子系统为研究对象,仿真模拟实际机组高速旋转时滑动轴承-转子系统的自激振动情况。首先,基于有限元法建立单圆盘转子动力学模型,轴承非线性油膜力模型采用短轴承油膜力模型,主动电磁控制采用闭环控制策略,通过PID控制器参数得到其等效的刚度和阻尼;然后,采用四阶龙格-库塔法求解转子系统动力学模型,通过对转子施加主动电磁控制抑制其发生自激振动,对比分析转子升速过程中未采用主动电磁控制和采用主动电磁控制时轴承处的振动变化情况。仿真结果表明:未采用主动电磁控制时,自激振动发生在约2倍的一阶临界转速附近,而采用主动电磁控制不但降低了过临界时的振动幅值,还有效抑制了自激振动的发生。

电磁轴承-挤压油膜阻尼器支承转子系统的主动控制

转子系统的许多非线性因素由于转子偏心的存在而得到放大 .文中将电磁轴承控制与挤压油膜阻尼器相结合 ,用于转子系统的控制 .这种控制方法可以对转子系统不平衡所引起的离心力进行主动控制 ,避免出现转子与静子之间的碰磨 .给出了系统动力学模型、系统控制框图 ,并进行了仿真计算 .仿真结果验证了这一控制方案的可行性 .