[发明专利]一种设计磁悬浮扁平高速转子系统陷波器参数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陷波器参数设计方法，可以用于具有强陀螺效应的磁悬浮扁平高速转子系统弹性自激振动抑制用陷波器参数的设计。

背景技术

相对于传统的机械滚珠轴承，磁轴承具有无接触、刚度和阻尼主动可控等突出优点，因而没有摩擦和磨损，也无需润滑、允许转子高速旋转、振动小、支承精度高，特别适合于超净环境设备、高转速设备和要求低振动、高精度、长寿命的航天设备。目前，磁悬浮高速转子系统已经在离心机、高精度数控车床、透平机、储能飞轮，以及磁悬浮飞轮和磁悬浮控制力矩陀螺等民用和航天设备中得到日益广泛的应用，并有取代机械轴承的趋势。

但是，磁悬浮扁平高速转子存在一阶弹性模态不稳定而导致的高频自激振动问题。一方面，扁平圆盘结构降低了转子的低阶弹性模态频率，另一方面，转子额定转速较高，相应要求磁轴承具有较高的控制带宽，两方面因素使转子一阶模态频率靠近磁轴承控制带宽范围，在强陀螺效应、功放非线性和轴承力非线性等因素作用下，转子出现一阶弹性自激振荡，影响了磁悬浮转子系统的正常功能。

磁悬浮转子弹性自激振荡的抑制主要有陷波器校正、LQ控制、LPV控制、H_∞控制等方法，其中在控制通道中串入陷波器是最为有效的方法。但由于自激振荡频率随着转子转速和磁轴承控制律的变化而变化，要在任意转速下保证弹性模态稳定，陷波器参数设计仍然是一个难题。现有技术采用经典Bode图和Nyquist曲线设计陷波器，虽然具有很好的实际效果，但只适用于陀螺效应较弱、可近似解耦为单变量的磁悬浮细长转子系统，而不适用于具有强陀螺效应耦合的磁悬浮扁平高速转子。此外还有采用闭环仿真方法确定陷波器参数的方法，但只是一种试凑，还没有完全实现参数设计，也无法保证稳定裕度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有方法只能对弱陀螺效应磁悬浮转子系统陷波器参数进行设计的缺陷，提出采用双频Bode图设计具有强陀螺效应的磁悬浮扁平高速转子一阶弹性模态自激振动抑制用陷波器参数，解决了强陀螺效应磁悬浮弹性转子系统的以弹性模态稳定裕度为目标的陷波器参数设计的问题，确保磁悬浮高速转子系统弹性模态的稳定性和稳定裕度。

本发明的技术解决方案是：首先将考虑一阶弹性模态的磁悬浮扁平高速转子系统动力学模型转化为复系数单变量开环传递函数形式，然后绘制不同转速时复系数开环传递函数的双频Bode图，利用双频Bode图计算各转速下弹性模态的相角裕度，最后根据相角裕度设计抑制用陷波器的串连级数、中心频率和极点阻尼。

动力学模型转化为复系数单变量开环传递函数的原理是：根据陀螺技术方程建立磁悬浮扁平高速转子系统考虑一阶弹性模态的径向转动动力学微分方程模型