[发明专利]基于锁相环与TD滤波器的磁轴承转子振动前馈补偿控制器

说明书

本发明公开一种基于锁相环与TD滤波器的磁轴承转子振动前馈补偿控制器，由力/电流转换模块、第一、第二PID控制器和前馈补偿控制模块组成，前馈补偿控制模块由依次串接的电压比较器、PLL模块、FFT算法模块、坐标变换模块、TD滤波器以及坐标反变换模块组成，PLL模块由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、1/N分频器组成，鉴相器、环路滤波器和压控振荡器次串接，1/N分频器输入端连接压控振荡器输出端，1/N分频器输出端连接鉴相器输入端；在快速傅里叶变换进行频域分析提取振动信号之前加入设置好的锁相环倍频电路，利用锁相环倍频电路实现了整周期采样，保证振动信号的周期完整，抑制栅栏效应与泄露效应，准确反映转子的当前振动状况，提高振动的补偿精度。

技术领域

本发明是属于磁悬浮轴承控制领域，具体是二自由度六极混合磁悬浮轴承的转子不平衡振动补偿控制器，对二自由度六极混合磁轴承转子的振动实现前馈补偿。

背景技术

磁悬浮轴承(简称磁轴承)是利用线圈中的电流或永磁体产生电磁力，使转子悬浮于空间中，实现转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承。由于磁轴承具有无摩擦、无损耗、无需润滑和密封、可支承转速高、回转精度高、无污染、使用寿命长等优点，从根本上改变了传统的支承形式，特别适用于高速、超洁净、真空等要求非常高的场合。由于磁轴承转子能达到数万转以上的速度，在高速旋转会带来一系列问题，其中最主要的是转子自身不平衡引发的问题，即周期性振动问题。目前，振动补偿即是通过一定控制策略把磁轴承系统转子转动时产生的与转速同频的周期位移或激振力补偿掉。针对周期性位移力对磁轴承系统的不同影响出现两种不同补偿方案：1、针对位移进行补偿的策略称为位移最小补偿，即让转子绕几何中心旋转。此类补偿方法有影响系数法、开环前馈法、迭代学习控制法等，目的是提高转子回转精度，如磁悬浮加工主轴应用等，但是其控制电流易饱和，使转速不易提高，阻碍加工效率提高。2、针对振动力进行的补偿称为惯性力最小补偿，即让转子绕其惯性中心旋转。常采用的方法有凹陷滤波器法、频域跟踪法、力自动平衡法、自适应滤波法等，目的是通过减小磁轴承线圈电流波动，降低系统不平衡激振力响应，增强系统稳定性，提高转子速度等。

《现代电子技术》2017年10月1日第40卷第19期出版的文献《基于自抗扰控制器和坐标变换的BSRM转子不平衡振动补偿控制》中利用快速傅里叶变换从位移传感器采集到的位移信号中提取出与转速同频率的同步振动信号，在进行低通滤波和坐标变换后，将得到的补偿信号求反叠加到原来的信号之上，减弱或消除该频段内的信号，即达到减小或消除振动的目的。但是由于采样频率固定，不能跟踪转子转速变化，导致对位移信号进行FFT频谱分析时产生栅栏效应与泄漏效应，不能准确反映转子的当前振动状况，导致振动补偿缺乏实时性，且补偿效果欠佳。所以，为了保证振动信号的周期完整，抑制栅栏效应与泄露效应，必须采用整周期采样。整周期采样是指系统的采样频率动态地跟踪信号频率的变化，信号频率高，则采样间隔短，反之采样间隔长，即采样频率是周期信号频率的整数倍。实现整周期采样的关键是锁相环倍频电路的设置。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于锁相环倍频电路与TD滤波器的二自由度六级混合磁轴承转子不平衡振动前馈补偿控制器，实现整周期采样，保证振动信号的周期完整，抑制栅栏效应与泄露效应，确保提取的振动信号的实时性与可靠性，提高补偿效果。