CN112953344B - 一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法,通过位移传感器获取的转子位移信号,通过滤波器提取转子不平衡振动基频信号;将转子位移变化量与阈值比较作为判断依据,通过PD迭代算法计算补偿信号;坐标系搜寻算法是利用具有方向性的可变步长参数替代PD迭代算法中的定步长参数,以快速搜寻最佳补偿值,以实现转子振动的快速有效抑制。
Description
技术领域
本发明属于电气传动控制设备的技术领域,尤其是涉及了一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿方法。
背景技术
无轴承异步电机是电机领域的一项技术革新,它改变了传统电机转子的支撑方式,不仅兼具异步电机优点,而且具有磁轴承无机械接触、无摩擦、无需润滑等优点,能满足洁净、腐蚀环境、高速超高速等特殊环境的无轴承支撑运行,该电机在飞轮储能、化工化学、交通运输以及航空航天等领域具有巨大的应用前景。
由于转子质量分布不均匀、加工误差以及旋转过程中产生形变,转子质心偏离定子几何中心,此时会产生与转速同频的不平衡激振力,引起转子系统的不平衡振动,且这种不平衡振动力与转速的平方成正比,电机高速运行时,转子将不能稳定悬浮甚至会造成定、转子间摩擦,转子质心偏移不仅限制了转速的进一步提升,而且严重影响到电机悬浮性能和运行安全。因此,对无轴承异步电机转子不平衡振动抑制的研究具有重要的理论价值和现实意义。
目前,目前不平衡位移补偿控制的方法主要有广义陷波器、最小均方算法等。陷波滤波器可有效抑制转子振动,但由于陷波滤波器需设置中心频率,且只能在此频率附近工作,因此不适用于电机转速变化的场合;基于最小均方算法的自适应滤波器算法较为复杂,且需要昂贵控制器,增加了系统成本,且其迭代算法中的迭代步长为固定值,不能在保证算法的辨识精度的同时加快算法的收敛速度。因此为提高无轴承异步电机不平衡振动抑制的速度和精度,需要设计出简便实用的不平衡振动抑制方法,这是当前业界急需改进的目标。
发明内容
为了克服无轴承异步电机转子不平衡振动的问题,本发明提供一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法,通过在线搜寻转子不平衡补偿信号,对无轴承异步电机转子不平衡振动进行主动补偿。
本发明所采用的技术方案如下:
一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法,包括如下步骤:
S1、利用位移传感器获取的转子振动信号x,y,基于不平衡振动信号x,y提取得到转子径向两端的转子振动信号中x轴方向的基频信号ex(t)和y轴方向的基频信号ey(t);
S2、将S1中得到的转子振动信号中的基频信号ex(t)和ey(t)作为判断依据,通过PD迭代算法迭代计算并输出转子的不平衡补偿信号系数[αc,βc]。
进一步,所述S1中提取基频信号ex(t)和ey(t)的方法为:
S1.1、位移传感器所测得的不平衡振动信号x、y;
S1.2、引入与转子同频的参考信号分别与不平衡振动信号x、y相乘,经过乘法器相乘后直流分量中包含了基频信号的幅值和相位;并将不平衡振动信号与转子同频的参考信号的乘积输入低通滤波器,利用低通滤波器可以滤除交流成分,保留直流成分;
S1.3、再将直流信号分别与之对应的sin(ωrt)、cos(ωrt)相乘后即可得到传感器检测到的位移信号中的基频信号ex(t)和ey(t),表示为:。
其中,ωr为电机旋转角速度;t为时间;Rx1、Rx2分别是x方向的直流信号,Ry1、Ry2分别是y方向的直流信号;A0、B0分别为基频信号的幅值,φ0为基频信号的相位。
进一步,S2中计算并输出转子的不平衡补偿信号系数的方法为:
S2.1、基于电机径向悬浮力绕组电流is2d和is2q构建补偿信号ic(t):
ic(t)=acsin(ωt+φ)+βccos(ωt+φ);
其中,αc,βc均为补偿信号系数,ω为电机角速度,φ为相位角;
S2.2、通过PD迭代算法迭代更新补偿信号系数αc、βc,在迭代更新的过程中以转子位移变化量ek(t)作为判断依据。
进一步,S2.2中迭代更新补偿信号系数的过程为
S2.2.1、预设补偿信号系数αc、βc所对应的补偿量分别为Sα、Sβ;
S2.2.2、在原补偿信号系数αc、βc上分别叠加补偿量Sα和Sβ,得到新的补偿信号系数表示为:ac+Sα和βc+Sβ;并将新的补偿信号系数代入补偿信号ic(t)得到新的补偿信号;
S2.2.3、将新的补偿电流输入电机悬浮力控制模块,同时检测在x、y方向上的位移变化量Δae、Δβe并基于Δae、Δβe计算转子位移变化量ek(t),
S2.2.4、若增加补偿量Sα和Sβ后使转子位移变化量ek(t)变小,则保存叠加补偿量后的补偿信号系数,即保存ac+Sα和βc+Sβ;并将叠加补偿量后的补偿信号系数进行PD迭代,如下式:
其中,αk、βk为迭代k次时补偿信号系数,即αk=ac+Sα;βk=βc+Sβ;kp、k'p分别为比例系数;GP、G'P为调节比例环节权重的权系数矩阵;GD、G'D为调节微分环节权重的权系数矩阵;A(s)为由Sα和Sβ组成的满秩矩阵;并重复步骤2.2.2~2.2.3进行下一周期的补偿计算。
若增加补偿量Sα和Sβ后使转子位移变化量ek(t)变大,则不保存叠加补偿量后的补偿信号系数,即不保存ac+Sα和βc+Sβ;并重复步骤2.2.2~2.2.3进行下一周期的补偿计算。
当迭代满足迭代结束条件时停止迭代,并输出此时的不平衡补偿信号系数[αc,βc]。在本申请中,PD迭代算法的结束条件是当输入第k次补偿信号后转子位移x、y能满足所设电机运行精度要求时,迭代算法停止。
进一步,S2.2.3中计算转子位移变化量ek(t)的方法为:
其中,T为采样周期,N为采样周期次数,aek、βek分别为第k次采样周期内在x、y方向上转子位移值,ex(t)、ey(t)分别为在x、y方向转子基频位移实时测量值。
进一步,利用坐标系搜寻算法具有方向性可变步长替代S2中不变的步长参数,与PD迭代算法结合,加速对转子不平衡振动补偿信号的计算;
进一步,利用具有方向性的可变步长R替代S2不变的预设补偿量,再结合上述PD迭代法计算补偿信号系数的具体过程如下:
S3.1、用可变步长R叠加到预设补偿量[Sα,Sβ]中,初始状态下,设置初始补偿量(S0,S0)=(α0,β0)=(0,0),令(S1,S1)=(S0,S0)+R0,R0设为10-5∠0°即(0.00001,0),每步比较值为:设算法阈值为E;
将(S1,S1)作为步长参数输入电机PD迭代补偿算法中,若测得的E1(t)-E0(t)≤E,则不改变当前搜索方向且继续按照当前方向增加步长,同时令R1=R0=10-5∠0;
第Na步时,若Ea(t)-E(a-1)(t)>E,则调整搜索方向,即令Ra=10-5∠120°,此时会沿着120°方向继续搜寻补偿系数的值,(Sa,Sa)=(Sa-1,Sa-1)+10-5∠120°;
第Nb步时,若在120°方向上不满足Eb(t)-E(b-1)(t)≤E时,则继续调整方向,即令Rb=10-5∠240°继续搜寻,(Sb,Sb)=(Sb-1,Sb-1)+10-5∠240°;
第Nc步时,若在240°方向上不满足Ec(t)-E(c-1)(t)≤E时,则调整方向继续搜寻;
S3.2、为避免搜寻结果在一个三角形内循环,方向每转换一个圆周,搜寻步长R变为:
其中,n为转换圆周次数,当转子偏移ek(t)较大时,R以较大步长快速搜寻,当转子偏移ek(t)较小时,R以较小步长精确搜寻,因此避免了算法搜寻区域的重复及加速系数收敛;
S3.3、当转子位移x,y能满足所设电机运行精度要求时,算法停止计算,将此时的不平衡补偿电流输入到电机悬浮绕组中,实现转子的不平衡振动抑制。
进一步,算法阈值取E=1.5×10-5。
进一步,位移传感器采用非接触式位移传感器。
本发明的有益效果:
1、本发明适用于无轴承电机转子振动抑制,在无轴承异步电机工作过程中,通过具有方向性的可变步长参数的迭代算法,迭代计算补偿信号,在兼顾补偿精度的同时提升了不平衡补偿信号的计算速度。
2、本发明的步长因子调整函数具有算法简便、计算量小的特点,可有效提高补偿信号计算的实时性,本发明中的坐标系迭代搜寻方法,算法简单,易于实现,在现有的常规数字控制器中即可运行,因此能有效降低系统成本。
3、本发明所述的转子不平衡振动抑制方法,可有效抑制由于质心偏移引起的不平衡振动,实现电机的良好运行,而且适应于其它类型的无轴承电机以及磁轴承支撑的各种类型电机,因此具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是转子位移基频信号提取原理图;
图2是振动补偿信号计算等效模型;
图3是搜寻算法示意图;
图4是坐标系搜寻算法流程框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
如图2所示的一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿方法,包括如下步骤:
S1、获取不平衡振动信号:利用位移传感器获取的转子振动信号x,y,基于不平衡振动信号x,y提取得到转子径向两端的转子振动信号中x轴方向的基频信号ex(t)和y轴方向的基频信号ey(t)。如图1所示的具体过程为:
S1.1、在转轴的旋转运动过程中,转子质量偏心会激发沿偏心方向、正比于转速平方的激振力,在静止坐标系下为与转速同频的周期性正弦信号。鉴于无轴承电机结构的对称性,该激振力将使转子轴心产生不平衡振动位移,其沿水平方向和垂直方向的不平衡位移信号呈同频变化。据此,构造不平衡振动位移基频信号的特征模型结构为:
其中,xm和ym分别为构造的x方向和y方向的位移;A和B分别是x、y方向上基频信号幅值;ω为角速度;t为时间;θ为相位。
位移传感器所测得的不平衡振动信号x,y中,除所需的基频信号以外,还有影响反馈精度的直流、不同倍频谐波信号、一定带宽的随机噪声等,表示为:
其中,C为位移信号的直流成分;N(t)为随机噪声;A0sin(ω0t+φ0)、B0cos(ω0t+φ0)为基频信号,A0、B0分别为基频信号的幅值,ω0为基频信号的角速度,φ0为基频信号的相位;Aisin(ωit+φi)、Bicos(ωit+φi)分别为各种倍频的谐波集合,Ai、Bi为第i种倍频信号的幅值,ωi为第i种倍频信号的角速度,φi为第i种倍频信号的相位;t为时间;n为频率倍数。
S1.2、引入与转子同频的参考信号分别与不平衡振动信号相乘,经过乘法器相乘后直流分量中包含了基频信号的幅值A0和相位φ0。不平衡振动信号x对应的参考信号分别为:x1(t)=sin(ωrt)、x2(t)=cos(ωrt),将不平衡振动信号x输入乘法器分别与参考信号x1(t)、x2(t)相乘,得到下式:
同理,不平衡振动信号y对应的参考信号分别为:y1(t)=sin(ωrt)、y2(t)=cos(ωrt),将不平衡振动信号y输入乘法器分别与参考信号y1(t)、y2(t)相乘,得到下式:
其中,ωr为电机旋转角速度;x1(t)、x2(t)、y1(t)、y2(t)分别是不平衡振动信号x和y的参考信号。将式(3)、(4)中所得到的乘积输入低通滤波器,利用低通滤波器可以滤除交流成分,只保留直流成分分别为:
其中,Rx1、Rx2分别是x方向的直流信号,Ry1、Ry2分别是y方向的直流信号。
S1.3、再将两个方向的直流信号分别与之对应的sin(ωrt)、cos(ωrt)相乘后即可得到传感器检测到的位移信号中的基频信号ex(t)和ey(t),表示为:。
在本实施例中所选用的位移传感器采用非接触式位移传感器。
S2、计算不平衡振动补偿信号:将S1中得到的转子振动信号中的基频信号ex(t)和ey(t)作为判断依据,通过PD迭代算法迭代计算并输出转子的不平衡补偿信号系数[αc,βc]。具体过程为:
S2.1、电机径向悬浮力方程为:从电机径向悬浮力方程可以看出,通过改变径向悬浮力绕组电流is2d和is2q的大小即可以实现对悬浮力进行控制。所以基于径向悬浮力绕组电流is2d和is2q构建补偿信号ic(t):
ic(t)=acsin(ωt+φ)+βccos(ωt+φ) (7)
其中,αc,βc均为补偿信号系数,ω为电机角速度,φ为相位角。
S2.2、通过改变某一时刻补偿信号系数αc、βc会引起转子径向偏移的幅值的变化,因此通过PD迭代算法迭代更新补偿信号系数αc、βc,在迭代更新的过程中以转子位移变化量ek(t)作为判断依据。迭代更新补偿信号系数的具体过程为:
S2.2.1、预设补偿信号系数αc、βc所对应的补偿量分别为Sα、Sβ;
S2.2.2、在PD迭代计算中,原补偿信号系数αc、βc上分别叠加补偿量Sα和Sβ,即得到新的补偿信号系数:ac+Sα和βc+Sβ;并将新的补偿信号系数代入式(7)得到新的补偿信号ic(t)表示为:
ic(t)=(ac+Sα)sin(ωt+φ)+(βc+Sβ)cos(ωt+φ) (8)
S2.2.3、将式(8)中新的补偿电流输入电机悬浮力控制模块,同时检测在x、y方向上的位移变化量Δae、Δβe并基于Δae、Δβe计算转子位移变化量ek(t),表示如下:
其中,T为采样周期,N为采样周期次数,aek、βek分别为第k次采样周期内在x、y方向上转子位移值,ex(t)、ey(t)分别为在x、y方向转子基频位移实时测量值。
S2.2.4、若增加补偿量Sα和Sβ后使转子位移变化量ek(t)变小,则保存叠加补偿量后的补偿信号系数(即保存ac+Sα和βc+Sβ);并将叠加补偿量后的补偿信号系数进行PD迭代,如下式:
其中,αk、βk为迭代k次时补偿信号系数,即αk=ac+Sα;βk=βc+Sβ;kp、k'p分别为比例系数;GP、G'P为调节比例环节权重的权系数矩阵;GD、G'D为调节微分环节权重的权系数矩阵;A(s)为由Sα和Sβ组成的满秩矩阵;并重复步骤2.2.2~2.2.3进行下一周期的补偿计算。
若增加补偿量Sα和Sβ后使转子位移变化量ek(t)变大,则不保存叠加补偿量后的补偿信号系数(即不保存ac+Sα和βc+Sβ);并重复步骤2.2.2~2.2.3进行下一周期的补偿计算。
当迭代满足迭代结束条件时停止迭代,并输出此时的不平衡补偿信号系数[αc,βc]。在本申请中,PD迭代算法的结束条件是当输入第k次补偿信号后转子位移x、y能满足所设电机运行精度要求时,迭代算法停止。
为了提高上述方法S2中获得不平衡补偿信号系数的速度,本发明还提出了一种优化方案,利用坐标系搜寻算法具有方向性可变步长替代S2中不变的步长参数,与PD迭代算法结合,加速对转子不平衡振动补偿信号的计算。具体过程如下:
S3.1、如图3所示建立直角坐标系,利用具有方向性的可变步长R替代S2不变的预设补偿量,再结合上述PD迭代法计算补偿信号系数。用可变步长R叠加到预设补偿量[Sα,Sβ]中,初始状态下,设置初始补偿量(S0,S0)=(α0,β0)=(0,0),令(S1,S1)=(S0,S0)+R0,R0设为10-5∠0°即(0.00001,0),每步比较值为:算法阈值为E=1.5×10-5。
将(S1,S1)作为步长参数输入电机PD迭代补偿算法中,若测得的E1(t)-E0(t)≤E,则不改变当前搜索方向且继续按照当前方向增加步长,同时令R1=R0=10-5∠0。
第Na步时,若Ea(t)-E(a-1)(t)>E,则调整搜索方向,即令Ra=10-5∠120°,此时会沿着120°方向继续搜寻补偿系数的值,(Sa,Sa)=(Sa-1,Sa-1)+10-5∠120°。
第Nb步时,若在120°方向上不满足Eb(t)-E(b-1)(t)≤E时,则继续调整方向,即令Rb=10-5∠240°继续搜寻,(Sb,Sb)=(Sb-1,Sb-1)+10-5∠240°。
第Nc步时,若在240°方向上不满足Ec(t)-E(c-1)(t)≤E时,则调整方向继续搜寻。
S3.2、为避免搜寻结果在一个三角形内循环,方向每转换一个圆周,搜寻步长R变为:
其中,n为转换圆周次数,当转子偏移ek(t)较大时,R以较大步长快速搜寻,当转子偏移ek(t)较小时,R以较小步长精确搜寻,因此避免了算法搜寻区域的重复及加速系数收敛。
S3.3、当转子位移x,y能满足所设电机运行精度要求时,算法停止计算,将此时的不平衡补偿电流输入到电机悬浮绕组中,实现转子的不平衡振动抑制。算法流程图如图4所示。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,本发明的保护范围不限于上述实施例。所以,凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰,均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、利用位移传感器获取的转子振动信号x,y,基于不平衡振动信号x,y提取得到转子径向两端的转子振动信号中x轴方向的基频信号ex(t)和y轴方向的基频信号ey(t);
S2、将S1中得到的转子振动信号中的基频信号ex(t)和ey(t)作为判断依据,通过PD迭代算法迭代计算并输出转子的不平衡补偿信号系数αc和βc;S2中计算并输出转子的不平衡补偿信号系数的方法为:
S2.1、基于电机径向悬浮力绕组电流is2d和is2q构建补偿信号ic(t):
ic(t)=acsin(ωt+φ)+βccos(ωt+φ);
其中,αc、βc均为补偿信号系数,ω为电机角速度,φ为相位角,t为时间;
S2.2、通过PD迭代算法迭代更新补偿信号系数αc、βc,在迭代更新的过程中以转子位移变化量ek(t)作为判断依据;
S2.2中迭代更新补偿信号系数的过程为:
S2.2.1、预设补偿信号系数αc、βc所对应的补偿量分别为Sα、Sβ;
S2.2.2、在原补偿信号系数αc、βc上分别叠加补偿量Sα和Sβ,得到新的补偿信号系数表示为:ac+Sα和βc+Sβ;并将新的补偿信号系数代入补偿信号ic(t)得到新的补偿信号;
S2.2.3、将新的补偿电流输入电机悬浮力控制模块,同时检测在x、y方向上的位移变化量Δae、Δβe并基于Δae、Δβe计算转子位移变化量ek(t);S2.2.3中计算转子位移变化量ek(t)的方法为:
其中,T为采样周期,N为采样周期次数,aek、βek分别为第k次采样周期内在x、y方向上转子位移值,ae(k-1)、βe(k-1)分别为第k-1次采样周期内在x、y方向上转子位移值,ex(t)、ey(t)分别为在x、y方向转子基频位移实时测量值;
S2.2.4、若增加补偿量Sα和Sβ后使转子位移变化量ek(t)变小,则保存叠加补偿量后的补偿信号系数,即保存ac+Sα和βc+Sβ;并将叠加补偿量后的补偿信号系数进行PD迭代,如下式:
其中,αk、βk为迭代k次时补偿信号系数,即αk=ac+Sα;βk=βc+Sβ;αk+1、βk+1为迭代k+1次时补偿信号系数;kp、k'p分别为比例系数;GP、G'P为调节比例环节权重的权系数矩阵;GD、G'D为调节微分环节权重的权系数矩阵;A(s)为由Sα和Sβ组成的满秩矩阵;并重复步骤S 2.2.2~2.2.3进行下一周期的补偿计算;
若增加补偿量Sα和Sβ后使转子位移变化量ek(t)变大,则不保存叠加补偿量后的补偿信号系数,即不保存ac+Sα和βc+Sβ;并重复步骤S 2.2.2~2.2.3进行下一周期的补偿计算;
当迭代满足迭代结束条件时停止迭代,并输出此时的不平衡补偿信号系数[αc,βc];PD迭代算法的结束条件是当输入第k次补偿信号后转子位移x、y能满足所设电机运行精度要求时,迭代算法停止。
2.根据权利要求1所述的一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法,其特征在于,所述S1中提取基频信号ex(t)和ey(t)的方法为:
S1.1、位移传感器所测得的不平衡振动信号x、y;
S1.2、引入与转子同频的参考信号分别与不平衡振动信号x、y相乘,经过乘法器相乘后直流分量中包含了基频信号的幅值和相位;并将不平衡振动信号与转子同频的参考信号的乘积输入低通滤波器,利用低通滤波器可以滤除交流成分,保留直流成分;
S1.3、再将直流信号分别与之对应的sin(ωrt)、cos(ωrt)相乘后即可得到传感器检测到的位移信号中的基频信号ex(t)和ey(t),表示为:
其中,ωr为电机旋转角速度;t为时间;Rx1、Rx2分别是x方向的直流信号,Ry1、Ry2分别是y方向的直流信号;A0、B0分别为基频信号的幅值,φ0为基频信号的相位。
3.根据权利要求1所述的一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法,其特征在于,利用具有方向性的可变步长R替代S2不变的预设补偿量,再结合PD迭代法计算补偿信号系数的具体过程如下:
S3.1、用可变步长R叠加到预设补偿量[Sα,Sβ]中,初始状态下,设置初始补偿量(S0,S0)=(α0,β0)=(0,0),令(S1,S1)=(S0,S0)+R0,R0设为10-5∠0°即(0.00001,0),每步比较值为:设算法阈值为E;T为采样周期,N为采样周期次数;
将(S1,S1)作为步长参数输入电机PD迭代补偿算法中,若测得的E1(t)-E0(t)≤E,则不改变当前搜索方向且继续按照当前方向增加步长,同时令R1=R0=10-5∠0;
第N=a步时,若Ea(t)-E(a-1)(t)>E,则调整搜索方向,即令Ra=10-5∠120°,此时会沿着120°方向继续搜寻补偿系数的值,(Sa,Sa)=(Sa-1,Sa-1)+10-5∠120°;
第N=b步时,若在120°方向上不满足Eb(t)-E(b-1)(t)≤E时,则继续调整方向,即令Rb=10-5∠240°继续搜寻,(Sb,Sb)=(Sb-1,Sb-1)+10-5∠240°;
第N=c步时,若在240°方向上不满足Ec(t)-E(c-1)(t)≤E时,则调整方向继续搜寻;
S3.2、为避免搜寻结果在一个三角形内循环,方向每转换一个圆周,搜寻步长R变为:
其中,n为转换圆周次数,当转子偏移ek(t)较大时,R以较大步长快速搜寻,当转子偏移ek(t)较小时,R以较小步长精确搜寻,因此避免了算法搜寻区域的重复及加速系数收敛;
S3.3、当转子位移x,y能满足所设电机运行精度要求时,算法停止计算,将此时的不平衡补偿电流输入到电机悬浮绕组中,实现转子的不平衡振动抑制。
4.根据权利要求3所述的一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法,其特征在于,算法阈值取E=1.5×10-5。
5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法,其特征在于,位移传感器采用非接触式位移传感器。
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