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        磁懸浮軸承剛度、阻尼特性研究

        2023-11-01 06:53:02李峰巖胡叨福
        日用電器 2023年9期
        關(guān)鍵詞:磁懸浮阻尼線圈

        李 雪 李峰巖 趙 聰 胡叨福

        (珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)

        引言

        磁懸浮軸承通過電磁鐵,電渦流位移傳感器和功率放大器等環(huán)節(jié),在反饋控制的作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮,具有無機(jī)械磨損、不需要潤滑、噪聲低的技術(shù)優(yōu)勢(shì),在現(xiàn)代工業(yè)被廣泛應(yīng)用[1-3]。相比于傳統(tǒng)機(jī)械軸承,磁懸浮軸承的剛度、阻尼具有在線校正控制的特點(diǎn),可在線控制也是磁懸浮軸承的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中,不確定的干擾力或沖擊力會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)子懸浮精度等產(chǎn)生非常大的影響,控制系統(tǒng)需要提供不同的剛度、阻尼去應(yīng)對(duì)不同的外界擾動(dòng),而控制器不同,系統(tǒng)的等效剛度、等效阻尼將大不相同。因此,在磁懸浮系統(tǒng)中,探究控制系統(tǒng)中各控制環(huán)節(jié)對(duì)磁懸浮軸承剛度、阻尼的變化趨勢(shì)的影響至關(guān)重要。

        汪希平[4]以單自由度磁懸浮軸承角度分析了系統(tǒng)的剛度、阻尼系數(shù)與軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制器響應(yīng)之間的關(guān)系,并提出了復(fù)阻尼的概念。趙雷[5]基于獨(dú)立PID 控制的磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng),提出磁懸浮軸承的剛度、阻尼與所使用的校正控制器形式有關(guān),并對(duì)各控制環(huán)節(jié)對(duì)剛度、阻尼的影響進(jìn)行了分析。蔣科堅(jiān)[6]提出一種不依賴于控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的剛度、阻尼在線測(cè)量方法,通過閉環(huán)測(cè)試,反向推算開環(huán)特性,實(shí)現(xiàn)磁懸浮系統(tǒng)等效剛度、等效阻尼的辨識(shí)。吳華春[7]分別對(duì)控制器、傳感器滯后、功率放大器衰減等因素進(jìn)行了分析,基于頻域等效法對(duì)磁懸浮軸承的支承特性進(jìn)行了深入研究。而通過工程實(shí)驗(yàn)可知,電流環(huán)帶寬是磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中非常重要的因素,但目前對(duì)磁懸浮軸承等效剛度和阻比特性研究的文獻(xiàn)多未考慮電流環(huán)帶寬對(duì)其的影響,因此需要開展進(jìn)一步的研究。

        1 磁懸浮軸承數(shù)學(xué)模型

        磁懸浮軸承本質(zhì)上是一個(gè)非線性被控對(duì)象,電磁力是關(guān)于電磁間隙與軸承線圈電流的二次方函數(shù),即非線性關(guān)系表示為:

        式中:

        k—力系數(shù);

        i—線圈電流;

        x—電磁間隙。

        磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中,以主動(dòng)式徑向磁懸浮軸承為例進(jìn)行分析,每個(gè)自由度均采用差動(dòng)勵(lì)磁方式,偏置電流與控制器輸出的控制電流共同作用于軸承線圈,軸承線圈1 和軸承線圈2 產(chǎn)生的電磁力分別作用于轉(zhuǎn)子,于是轉(zhuǎn)子受到的總電磁力為:

        式中:

        I0—偏置電流;

        ic—控制電流;

        x0—額定間隙;

        x—轉(zhuǎn)子位移;

        μ0—真空中的磁導(dǎo)率;

        A0—電磁鐵的磁極面積;

        N—線圈匝數(shù)。

        數(shù)學(xué)建模與仿真分析過程中,線性運(yùn)算分析是控制系統(tǒng)的首選。當(dāng)轉(zhuǎn)子懸浮精度較好時(shí),可將非線性模型等效成線性模型,這樣可以更加方便的對(duì)轉(zhuǎn)子受力進(jìn)行分析。通常將方程(2)在平衡點(diǎn)處附近作泰勒展開并略去高階無窮小量,得到平衡工作點(diǎn)下的磁軸承電磁力線性化方程,表達(dá)式如下:

        式中:

        ki—電流剛度系數(shù);

        kx—位移剛度系數(shù)。

        方程(3)為受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上,加入磁懸浮軸承系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì),便形成整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。磁懸浮控制系統(tǒng)由外環(huán)位移控制和內(nèi)環(huán)電流控制構(gòu)成,其中,外環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)子參考位移的跟蹤,內(nèi)環(huán)電流控制是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的重要因素,其帶寬直接決定了軸承線圈電流的跟蹤與抗擾動(dòng)能力。因此,有必要對(duì)磁懸浮軸承電流內(nèi)環(huán)控制進(jìn)行研究分析,將電流環(huán)帶寬與磁懸浮軸承的等效剛度、等效阻尼建立關(guān)聯(lián),從更多的維度進(jìn)行磁軸承的剛度阻尼特性分析。

        電流環(huán)控制環(huán)路框圖如圖1 所示,參考電流為外環(huán)位置環(huán)的輸出,軸承線圈等效為一階慣性環(huán)節(jié),電流調(diào)節(jié)器采用PI 控制器,參考電流與反饋電流之間的幅值和相位誤差決定了電流環(huán)的跟蹤性能。

        圖1 電流環(huán)控制環(huán)路

        由圖1,電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

        式中:

        kp—比例系數(shù);

        ki—積分系數(shù);

        L—線圈電感;

        R—線圈電阻。

        根據(jù)方程(4),可得電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

        考慮到磁懸浮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),電流環(huán)的響應(yīng)速度要足夠快,因此,將電流環(huán)閉環(huán)二階系統(tǒng)進(jìn)行零極點(diǎn)對(duì)消,將電流環(huán)降階成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。將方程(5)進(jìn)行變形整理,可得到:

        式中:

        令p1=1z,p1p2=Kz1,則此時(shí)電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

        式中:

        ωb=p2—帶寬。

        此外,由p1=1z,可得:

        由ωb=p2,聯(lián)立方程(8),可得:

        由方程(8)、(9)可知,電流環(huán)帶寬與PI 參數(shù)和電感有直接的關(guān)系,電感不變的情況下提高電流環(huán)kp可有效拓展電流環(huán)帶寬。

        2 等效剛度和阻尼理論表達(dá)式

        忽略高轉(zhuǎn)速下的陀螺效應(yīng),磁懸浮軸承五自由度控制均采用分散控制,因此,以單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行分析磁懸浮系統(tǒng)的等效剛度、等效阻尼,擾動(dòng)力作用下,根據(jù)牛頓第二定律對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行拉式變換,可得:

        式中:

        m—轉(zhuǎn)子質(zhì)量;

        Fd—擾動(dòng)力。

        控制過程中,電渦流位移傳感器實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)子位置信息,在控制器和功率放大器等環(huán)節(jié)的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)子控制電流,因此,轉(zhuǎn)子控制電流與位移關(guān)系可以表示為:

        式中:

        Gs(s)—傳感器;

        G(s)—控制器;

        X(s)—振動(dòng)位移;

        Gp(s)—功率放大器。

        不失一般性,將傳感器Gs、控制器G 和功率放大器Gp均表示為復(fù)數(shù)形式,則控制電流與位移關(guān)系的頻率特性函數(shù)可表示為:

        M(ω)、N(ω)分別為等效傳遞函數(shù)Go的實(shí)部與虛部,將方程(12)代入方程(10),并將方程(10)表示為頻率特性函數(shù),可得:

        相比于二階力學(xué)系統(tǒng)中外力與彈簧剛度、阻尼的頻率特性函數(shù):

        式中:

        k—彈簧剛度;

        c—彈簧阻尼;

        F—外力。

        通過類比,對(duì)應(yīng)k 的是電磁軸承系統(tǒng)的等效剛度系數(shù),記作Ke;對(duì)應(yīng)c 的是電磁軸承系統(tǒng)的等效阻尼系數(shù),記作Ce。即:

        由方程(15)可知,磁懸浮軸承的等效剛度和等效阻尼并不是一個(gè)常量。在某一轉(zhuǎn)速下,Gs、G 和Gp等環(huán)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)直接影響磁懸浮系統(tǒng)的剛度與阻尼特性響應(yīng)。

        為了抑制轉(zhuǎn)子位移誤差突變產(chǎn)生的高頻信號(hào)擾動(dòng)及系統(tǒng)中的高頻噪聲,控制器環(huán)節(jié)采用不完全微分PID 控制器,表達(dá)式為:

        式中:

        Td—微分時(shí)間系數(shù);

        Tf—濾波時(shí)間系數(shù)。

        功率放大器環(huán)節(jié)根據(jù)電流環(huán)等效傳遞函數(shù)可以表示為一階慣性環(huán)節(jié),表達(dá)式為:

        在小量程位移變化范圍內(nèi),傳感器輸出電壓與位移變化成線性關(guān)系,因此,可將傳感器環(huán)節(jié)等效為比例環(huán)節(jié),用常系數(shù)進(jìn)行表示,表達(dá)式為:

        因此,將方程(16)、(17)、(18)分別表示為頻率特性函數(shù),并代入方程方程(15),得到磁懸浮系統(tǒng)的等效剛度、等效阻尼,表達(dá)式如下:

        3 各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)等效剛度和阻尼的影響分析

        根據(jù)方程(19)、(20)中各參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的等效剛度、等效阻尼的影響趨勢(shì)進(jìn)行分析,解析計(jì)算得到數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖處理,見圖2。

        圖2 各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)等效剛度、等效阻尼的影響

        從圖2 可以看出,不完全微分PID 控制器中kp、Td對(duì)軸承系統(tǒng)等效剛度、等效阻尼影響較大,可以明顯看出變化趨勢(shì),變kp、Td參數(shù)控制便是基于此原理。而同一頻率下,不同Ti幾乎對(duì)等效剛度、等效阻尼無影響,所以實(shí)際調(diào)試過程中,找到一個(gè)合適的Ti后便不再發(fā)生改變。同時(shí)可以看出電流環(huán)bω對(duì)系統(tǒng)的等效剛度、等效阻尼影響也很明顯,帶寬為中高頻時(shí),系統(tǒng)的等效剛度、等效阻尼數(shù)值比較大,高剛度,大阻尼有利于磁懸浮系統(tǒng)的抗沖擊控制,因此,控制系統(tǒng)中在不加強(qiáng)噪聲影響的前提下盡量提高電流環(huán)帶寬。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        在磁懸浮壓縮機(jī)平臺(tái)上驗(yàn)證了控制參數(shù)對(duì)磁懸浮軸承等效剛度、等效阻尼的影響。實(shí)驗(yàn)過程中,已將電流環(huán)帶寬調(diào)整到最優(yōu)值。圖3 中,上面兩條曲線依次轉(zhuǎn)子前徑向、后徑向轉(zhuǎn)子懸浮位移,升頻過程轉(zhuǎn)子懸浮精度比較差,為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要進(jìn)行磁懸浮軸承的變剛度、阻尼控制,通過切換控制參數(shù)kp、Td,轉(zhuǎn)子懸浮精度大幅提高,特別是后徑向轉(zhuǎn)子懸浮位移由793 mV 降低到333 mV,位移精度提高了約58 %。因此,在PID 控制框架下,通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)的變等效剛度、等效阻尼控制可有效提高轉(zhuǎn)子支承能力,改善轉(zhuǎn)子懸浮精度,提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

        圖3 磁懸浮軸承變剛度、阻尼實(shí)驗(yàn)

        5 結(jié)論

        本文分別對(duì)磁懸浮系統(tǒng)中的各控制環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,以不完全微分PID 控制為基礎(chǔ)從理論上分析了控制參數(shù)、激振頻率、電流環(huán)帶寬對(duì)磁懸浮軸承等效剛度和等效阻尼的影響,同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)證明了不同參數(shù)下的磁懸浮軸承支承能力不同,具有較強(qiáng)的工程實(shí)用意義。

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