文档介绍：第 43 卷第 6 期机械工程学报 Vol . 43
2007 年 6 月 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Jun. 2007
磁悬浮飞轮结构模态振动控制
张剀 1 张小章 1 赵雷 2 赵鸿宾 1
( 100084;
100084)

摘要:磁悬浮动量轮系统中,为避免中频段存在的两个结构模态振动破坏系统的稳定运行,采用特殊的控制方法
对其进行抑制。为获取结构振动参数,通过一种非参数频域辨识方法对系统模型进行辨识,辨识结果显示其中一
个结构共振频率随控制器刚度变化而发生显著变化。由于理论建模存在困难,使用一种基于叠代过程的方法抑制
共振,叠代过程包括辨识与控制器参数的调整。在进行控制器设计时,分别采用基于零极点对与µ 综合的方法进
行控制器设计。试验证明叠代过程是有效的,两种方法设计出来的控制器均可以很好地抑制系统结构模态的振动。
关键词:磁悬浮轴承飞轮振动控制
中图分类号:
示中频段存在两个结构模态振动峰,这两个峰明显
0 前言* 影响了系统稳定性,需对其进行有效抑制。另外,
其中的一个共振峰的位置会随控制器刚度变化而显
磁轴承由于具有非接触、不需润滑系统、低功著改变,由于建模困难,实际工作中采用了一种基
耗、能进行主动平衡以及可通过控制器改变系统动于叠代过程的方法来抑制共振,叠代过程包括系统
力学特性等优势,在高速机车、离心压缩机、磨床辨识和控制器参数调整。进行控制器设计时,分别
电主轴、储能飞轮、动量轮等领域获得越来越广泛采用了基于零极点对和µ 综合的控制器设计方法进
的应用[1-2]。磁悬浮轴承应用于航天动量轮和储能飞行控制器设计。两种方法均能设计出性能优良的控
轮是近几年的一个研究热点[2-5]。国外在 20 世纪 80 制器。试验证明了叠代设计过程的有效性,且两种
年代便成功将此技术应用于卫星导航,而国内在这方法设计的控制器均能有效抑制系统结构模态振动。
方面的研究尚处于起步阶段。
动量轮系统除去转子、轴承定子、电动机定子 1 研究对象
等部分,还包括支架和壳体等固定部分,现将这些
固定部分称为结构。设计系统组件时,应仔细考虑动量轮系统采用了外转子结构,其结构简图如
结构引入的振动模态,以免对转子运行造成影响。图 1,外观如图 2。图 1 中 x1、y1、x2、y2 分别为固
结构刚度通常会设计得足够高,避免引入中频模态。定在上下径向磁铁中心处的径向坐标。
为保证结构刚度,结构往往要占用较多空间,自身
质量也较大。对动量轮系统而言,由于是在空间中
应用,其结构通常设计得很紧凑。结构的某些部分
不得不设计得较薄,其模态频率就很可能接近转子
工作转速。在这样一个系统中,需要对结构模态振
动的抑制引起重视[4]。倘若在设计控制器时,忽视
了存在的中频结构模态,它们将很容易被激发出来,

甚至在转子静态悬浮时破坏系统的稳定性。通常, 图 1 飞轮结构简图
仅使用 PID 控制算法来抑制这些振动并达到一定的
性能指标是困难的。这种情况下,需要采用一些先
进的控制方法,有效抑制结