轴向磁悬浮轴承刚度辨识及高刚度控制方法研究

作     者：李婧熠 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周瑾;董继勇

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：磁悬浮轴承 刚度辨识 遗传算法 支承特性 自适应振动 

摘      要：磁悬浮轴承因无机械接触、无摩擦、无磨损、高效率、低噪音等优点,在旋转机械领域得到广泛的应用,其系统刚度可调的特点为机械加工中的高精度要求提供保障。然而,磁悬浮轴承刚度通常情况下低于一般机械轴承。为了提高系统的性能和高速旋转机械的精度,本文以轴向磁悬浮轴承为对象,研究刚度的辨识方法,以及有效的控制方法来提高轴承刚度,具体开展了以下几个工作:首先,将轴向磁悬浮轴承转化为单自由度磁悬浮轴承系统,分别进行电磁力、位移传感器和功率放大器的建模;根据轴向磁悬浮轴承支承特性的定义,进行动力学分析得到PID控制律下的支承特性表达式;分析电控系统中控制器、传感器、功率放大器各参数以及偏置电流对等效刚度与等效阻尼的影响趋势。由于磁悬浮转子系统的支承特性受多方面影响,仅从建模的角度难以准确求取系统参数,所以本文从刚度阻尼的物理定义入手,结合遗传算法的全局优化能力、自组织、自适应和自学习性、并行性等优点,研究基于遗传算法的支承特性辨识方法。通过模型仿真得到,激振频率在10～230Hz范围的理论刚度阻尼值和辨识的刚度阻尼值可以较好地吻合,误差在2%的理想范围内。然后,为了提高轴向磁悬浮轴承支承刚度,提出一种通过主动调节输入参考位置来补偿转子在磁悬浮轴承系统中不平衡的方法-自适应振动控制。分别进行PID控制和自适应振动控制的仿真,分析得到的理论刚度阻尼值和辨识的刚度阻尼值可知,自适应振动控制下的等效刚度大于PID控制下等效刚度的2.5倍。最后,基于d SPACE建立提高轴向磁悬浮轴承刚度的控制平台;在转子静态悬浮的情况下,分别进行PID控制和自适应振动控制试验,在使用激振器对转子轴向施加正弦信号的激励的情况下,采集转子位移响应信号、力传感器信号及加速度信号,辨识出轴向磁悬浮轴承的刚度和阻尼。可得,等效刚度随着激振频率的增加而提高;与PID控制下的等效刚度值相比,自适应振动控制后的等效刚度大约提高了8%,验证了自适应振动的控制方法是可以提高磁悬浮轴承刚度的。