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圆柱壳体动力响应中的模态参与问题研究

振动工程学报 2024年第1期37卷 83-94页

作者：徐港辉祝长生浙江大学电气工程学院浙江杭州310027

以两端简支圆柱壳体为例,研究了考虑正、余弦模态成分影响的圆柱壳体动力响应中的模态参与问题,提出了根据模态参与因子的分布特征判定模态截断阶次的方法,采用正、余弦模态叠加得到了圆柱壳体在冲击激励及旋转行波激励作用下的动力响应... 详细信息

以两端简支圆柱壳体为例,研究了考虑正、余弦模态成分影响的圆柱壳体动力响应中的模态参与问题,提出了根据模态参与因子的分布特征判定模态截断阶次的方法,采用正、余弦模态叠加得到了圆柱壳体在冲击激励及旋转行波激励作用下的动力响应,基于响应的收敛性验证了判定方法的可靠性。理论计算与有限元仿真结果表明,与圆柱壳体模态特性分析不同,在求解圆柱壳体动力响应时必须同时考虑正、余弦模态成分的影响;冲击激励作用下,圆柱壳体各阶正、余弦模态在响应中的参与程度与激振点和观测点的位置相关;旋转行波激励作用下,圆柱壳体各阶正、余弦模态在响应中的参与程度与激励的阶次和频率密切相关。

关键词：圆柱壳体正余弦模态模态参与模态叠加模态截断动力响应

基于准三维电磁场模型的电机电磁振动磁–固双向耦合分析方法

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中国电机工程学报 2024年

作者：徐晨期祝长生浙江大学电气工程学院

本文提出了一种基于准三维电磁场模型的电机电磁振动磁–固双向耦合分析方法，能够考虑转子轴向偏心和端部效应的影响。首先，建立了电机的磁–固双向耦合动力学模型，分析了耦合计算过程中的各类激励力。然后，提出了一种准三维电磁场... 详细信息

本文提出了一种基于准三维电磁场模型的电机电磁振动磁–固双向耦合分析方法，能够考虑转子轴向偏心和端部效应的影响。首先，建立了电机的磁–固双向耦合动力学模型，分析了耦合计算过程中的各类激励力。然后，提出了一种准三维电磁场模型，将转子轴向偏心问题轴向分段简化，并用修正函数来考虑端部效应的影响。其次，提出了一种结构场与电磁场的初始网格划分和网格节点标记方法，实现了不同物理场在双向耦合计算中的数据快速、精确传递，并通过循环迭代计算的方式实现了基于准三维模型的磁–固双向耦合计算。最后，利用本文提出的电机磁–固双向耦合电磁振动分析方法对一台MW级永磁同步电机的电磁振动特性进行了定量分析，并与试验结果进行了比较，验证了本方法的准确性。

关键词：电机电磁振动磁–固双向耦合准三维模型转子轴向偏心端部效应

基于磁-固-路双向耦合的电机电磁振动分析方法

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机械工程学报 2024年

作者：徐晨期祝长生浙江大学电气工程学院

电机的电磁振动是由电机的电磁场与结构场之间的相互作用产生的，研究电机的电磁振动就必须考虑这种磁-固双向耦合的影响。结合电机驱动与控制系统，提出了一种磁-固-路双向耦合的电机电磁振动分析方法。首先建立了电机转子及定子在磁-... 详细信息

电机的电磁振动是由电机的电磁场与结构场之间的相互作用产生的，研究电机的电磁振动就必须考虑这种磁-固双向耦合的影响。结合电机驱动与控制系统，提出了一种磁-固-路双向耦合的电机电磁振动分析方法。首先建立了电机转子及定子在磁-固双向耦合条件下的动力学模型，基于场路耦合方程建立了电机驱动与控制系统和电磁场之间的联系。然后提出了电机电磁振动的磁-固-路双向耦合循环迭代方法，分析了多场路双向耦合分析中需要解决的关键问题。接着提出了一种多场耦合分析的节点标记方法，实现了电机电磁场与结构场间数据的快速、准确传递和交换。最后以一台1 MW-4极72槽永磁同步电机为例，进行了电机振动的分析及试验测试，对电机电磁振动磁-固-路双向耦合循环迭代分析方法的可行性和准确性进行了验证。结果表明，提出的节点标记及磁-固-路双向耦合循环迭代分析方法能够实现不同场网格节点间信息的准确传递，能考虑转子偏心、结构、轴承、驱动及控制系统等对电机电磁振动特性的影响，为精确预测电机的电磁振动和噪声提供了一种可行的方法。

关键词：电机电磁振动磁-固双向耦合场路耦合

主动磁悬浮轴承非奇异快速终端滑模转子位置控制

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西南交通大学学报 2024年

作者：巩磊何派石勇祝长生陕西科技大学电气与控制工程学院浙江大学电气工程学院

针对主动磁悬浮轴承转子位置控制中存在响应速度慢、抗干扰能力弱两个问题，本文提出将非奇异快速终端滑模面与改进超螺旋趋近律相结合的位置控制方法，以获得快速、精确的动态响应控制效果。此外，由于系统内扰和外扰的存在，需要对滑... 详细信息

针对主动磁悬浮轴承转子位置控制中存在响应速度慢、抗干扰能力弱两个问题，本文提出将非奇异快速终端滑模面与改进超螺旋趋近律相结合的位置控制方法，以获得快速、精确的动态响应控制效果。此外，由于系统内扰和外扰的存在，需要对滑模趋近律增加常值切换增益以保证系统的强鲁棒性，但会使得系统抖振进一步变大。因此，本文进一步采用非线性扩张状态观测器对干扰进行实时观测并动态补偿，折衷了抖振与抗干扰性之间的矛盾。之后，通过李雅普诺夫稳定性理论证明了所提方法的稳定性。最后，对提出的控制方法进行仿真与实验验证。实验结果表明，与传统的滑模控制器相比，所设计的控制器具有更快的响应速度和更强的抖振抑制能力，转子达到目标位置的时间缩短了56.4，系统动态性能得到改善；控制电流的平均值减小了68.5，表明系统抑制抖振的能力增强，即算法具有较强的鲁棒性。

关键词：主动磁悬浮轴承非奇异快速终端位置控制扩张状态观测器

基于无模型自适应算法的主控式干摩擦阻尼器-双转子系统振动主动控制

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机械工程学报 2024年

作者：张鹏蒋明宏李翁衡祝长生浙江大学电气工程学院

干摩擦阻尼器能够通过摩擦副的接触产生摩擦阻尼，在转子振动抑制方面有着广阔的应用前景。为了实现对摩擦阻尼的主动控制，设计了一种电磁型主控式弹性环干摩擦阻尼器(Active magnetic dry friction damper, AMERDFD)，通过电磁执行器... 详细信息

干摩擦阻尼器能够通过摩擦副的接触产生摩擦阻尼，在转子振动抑制方面有着广阔的应用前景。为了实现对摩擦阻尼的主动控制，设计了一种电磁型主控式弹性环干摩擦阻尼器(Active magnetic dry friction damper, AMERDFD)，通过电磁执行器来实现对阻尼器正压力的主动调节。然后，建立了AMERDFD–双转子系统的动力学模型，分析了不同支承位置的阻尼器对双转子系统振动影响的灵敏度。基于灵敏度分析结果，确定使用低压风扇轴前轴颈以及低压涡轮轴后轴颈位置的AMERDFD来抑制转子系统的振动。之后，采用跟踪滤波器、最小均方根算法与无模型自适应算法串联的控制结构，对双转子系统的振动主动控制进行了仿真分析。最后，在AMERDFD–双转子系统试验台上，进行了双转子系统加速过临界以及恒速条件下的振动主动控制试验。结果表明，基于所设计的串联控制器，AMERDFD能够明显地抑制双转子系统通过各阶临界转速时的振动，振动抑制最大可达87.5%。此外，所设计的串联控制器也能够在不明显改变其余测点振幅的情况下，有效地抑制恒速条件下转子目标位置的振动。

关键词：电磁型主控式弹性环干摩擦阻尼器双转子系统无模型自适应控制振动抑制

基于增广卡尔曼滤波器的柔性转子系统振动信息的联合重构

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机械工程学报 2024年

作者：蒋明宏高象宏张鹏李翁衡陈武龙祝长生浙江大学电气工程学院浙江省涡轮机械与推进系统研究院

评估或抑制转子系统振动需要知道目标位置处转子的振动，然而转子结构或工作环境等因素可能导致目标位置难以安装振动传感器。为了用非目标位置传感器的信息重构目标位置处转子的振动，提出了将增广卡尔曼滤波器(Augmented Kalman filte... 详细信息

评估或抑制转子系统振动需要知道目标位置处转子的振动，然而转子结构或工作环境等因素可能导致目标位置难以安装振动传感器。为了用非目标位置传感器的信息重构目标位置处转子的振动，提出了将增广卡尔曼滤波器(Augmented Kalman filter,AKF)应用于柔性转子系统振动及不平衡激励的联合实时重构策略。首先，分析了转子系统不平衡激励对经典Luenberger观测器振动重构结果的影响，说明了过高增益可能导致的观测器不稳定问题；然后，将不平衡激励表示为不平衡参数分量设计了增广状态变量，建立了该增广系统的离散状态方程；最后，设计AKF来对该增广系统状态进行实时估计，通过仿真和实验验证了该策略的有效性。结果表明，各重构方法收敛速度快于转子系统动态变化速度，能够用于振动实时重构；不平衡激励将影响振动重构方法的精度，考虑了不平衡激励影响的AKF精度高于传统Luenberger观测器；通过将不平衡参数分量而不是不平衡激励值作为增广变量，所提出的AKF能够在较大的转速范围内实现对转子系统振动的实时重构。

关键词：增广卡尔曼滤波器振动-激励力联合重构柔性转子不平衡干摩擦阻尼器

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磁阻式旋转变压器解码系统设计

传感器与微系统 2024年第1期43卷 111-114,119页

作者：钟旺陈亮亮祝长生伍家驹危水根南昌航空大学信息工程学院江西南昌330063 浙江大学电气工程学院浙江杭州310027

在高性能电机的闭环控制系统中,旋转变压器(简称旋变)常用于测量电机转子的位置与速度信息,设计了一种以专用旋变数字转换芯片为核心的磁阻式旋变解码系统,用于将旋变输出的正余弦信号解码为转子的位置信息。解码系统包括主芯片模块、... 详细信息

在高性能电机的闭环控制系统中,旋转变压器(简称旋变)常用于测量电机转子的位置与速度信息,设计了一种以专用旋变数字转换芯片为核心的磁阻式旋变解码系统,用于将旋变输出的正余弦信号解码为转子的位置信息。解码系统包括主芯片模块、旋变输入信号调理模块、励磁缓冲电路模块和电源模块等,将各功能模块集成在一块印刷电路板(PCB)上,并通过实验验证了设计方案的有效性。实验结果表明:设计的磁阻式旋变解码系统运行稳定,能实时准确地输出电机转子的位置与速度信息。

关键词：磁阻式旋转变压器旋变数字转换芯片电路设计解码器

基础摆动条件下主动电磁轴承-柔性转子系统的稳定性

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机械工程学报 2023年第5期59卷 167-179页

作者：张鹏祝长生浙江大学电气工程学院杭州310027

与基础平动不同,基础摆动不仅会给转子系统产生额外的激励力,而且还会改变转子系统的阻尼及刚度特性,对系统的稳定性产生影响。以电磁轴承支承的柔性转子系统为例,研究了基础摆动条件下转子系统的稳定性。首先,用有限元法建立了基础摆... 详细信息

与基础平动不同,基础摆动不仅会给转子系统产生额外的激励力,而且还会改变转子系统的阻尼及刚度特性,对系统的稳定性产生影响。以电磁轴承支承的柔性转子系统为例,研究了基础摆动条件下转子系统的稳定性。首先,用有限元法建立了基础摆动条件下电磁轴承–柔性转子系统的动力学模型,然后基于Routh-Hurwitz准则推导了基础恒定摆动条件下转子系统的稳定性条件,并用特征根轨迹进行分析。之后,基于Floquet理论研究了基础正弦摆动对电磁轴承柔性转子系统稳定性的影响,得到了系统的稳定性边界,并利用转子系统响应进行了验证。最后,研究了PID控制器参数对基础摆动条件下电磁轴承–柔性转子系统稳定性的影响,针对基础正弦摆动,提出了使用相位补偿器补偿转子系统稳定性的方法。研究结果表明,基础恒定摆动条件下,主动柔性转子系统的稳定性与摆动的幅值有关;基础正弦摆动条件下,转子系统的稳定性与摆动的幅值和频率有关。合理地选择PID控制器的参数能够改善转子系统的稳定性。PID控制器串联相位补偿器,对于基础正弦摆动条件下电磁轴承–柔性转子系统的稳定性具有良好的补偿效果。

关键词：电磁轴承基础激励稳定性根轨迹相位补偿

基于特征结构配置的电磁轴承高速电机刚性转子系统鲁棒输出反馈控制器的设计

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中国电机工程学报 2022年第10期42卷 3775-3785页

作者：周天豪祝长生浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027

特征结构配置法直接建立反馈控制器参数与闭环系统特征结构之间的联系,物理意义明确且适用性强,在飞行器、振动主动控制等对象的控制器设计中得到广泛的应用。针对电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)高速电机刚性转子系统,提出一种... 详细信息

特征结构配置法直接建立反馈控制器参数与闭环系统特征结构之间的联系,物理意义明确且适用性强,在飞行器、振动主动控制等对象的控制器设计中得到广泛的应用。针对电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)高速电机刚性转子系统,提出一种基于特征结构配置的鲁棒输出反馈控制器的设计方法。首先,引入交叉微分反馈,建立两自由度简化转子模型。然后,给出特征结构配置的具体步骤,并从稳定性和动态性能、偏置电流变化对系统性能的影响、不平衡振动响应以及控制能量这4个角度选择优化目标以设计鲁棒比例微分控制器。最后,进行数值仿真和实验,发现鲁棒输出反馈控制下的AMB转子系统不仅能够在不同偏置电流条件下0.1s内快速起浮,而且在全转速范围内最大振幅不超过0.04mm,远小于转子与保护轴承之间的径向间隙,验证该控制器的有效性。

关键词：电磁轴承刚性转子特征结构配置输出反馈控制不平衡振动抑制