题目：磁悬浮挠性转子过临界转速控制及实验研究

随着我国经济的持续高速发展，能源、资源紧缺问题日益突出，高压风机、压缩机等设备对电机体积重量、能耗和寿命的要求越来越高。而普通轴承支承电机因受极限转速的限制多采用多级式驱动，系统体积庞大、系统能耗高、噪声污染严重。磁悬浮支承相对于传统机械轴承支承具有无接触、无磨损等特点，功耗低、允许高速旋转、可主动振动控制，具有广阔的应用前景。挠性转子磁悬浮电机因转子外径小，电机护套安全系数高、效率高、能量密度高、动态响应能力强，是磁悬浮电机的重要发展方向。过挠性临界转速控制是挠性转子磁悬浮电机研制的关键技术，本文以磁悬浮挠性转子为研究对象，从磁悬浮挠性转子系统建模及系统辨识、转子刚性动平衡、转子挠性动平衡、过挠性临界转速控制算法和控制系统实现及系统化测试五个方面进行了深入研究。

1、针对磁悬浮挠性转子系统精确建模及系统辨识问题，建立了磁轴承的磁力模型，分析其磁力饱和特性。讨论了功放系统模型，着重分析了功放电压电流饱和特性以及绕组供电电压设计。分析了刚性转子模型，给出模型详细结构表达形式。建立了基于Timoshenko梁有限元的转子模型，对所得模型进行降阶处理，得到磁悬浮挠性转子的状态空间方程。通过鲁棒自适应辨识方法校正了转子系统理论模型与实际模型的偏差，得到较为精确的辨识模型。

2、针对现有方法无法同时实现高效高精度刚性动平衡的问题，提出了一种基于零位移控制的磁悬浮转子在线动平衡方法。在极坐标系中建立了磁悬浮转子的静/动不平衡模型，推导出校正质量与磁悬浮系统参数的关系。对比各种控制模式下校正质量的表征特点，得出：在零位移模式下，电磁力与不平衡离心力相互抵消，且电磁力是控制电流的线性函数，因此可使用控制电流直接解算校正质量。使用广义选频器控制转子绕其几何轴旋转，获得零位移状态，提取绕组同频控制电流解算校正质量。针对电流刚度获知误差问题，通过离线测试和在线校正转换系数阵方法对其进行修正。最终实现了高效高精度动平衡，达到了磁悬浮转子系统零位移零电流运行状态。

3、针对现有高效挠性动平衡方法对转子轴承系统模型的依赖程度高、精度低的问题，提出了一种基于虚拟试重法的磁悬浮挠性转子现场动平衡方法。通过磁轴承给转子提供初始相角可调的恒幅同频电磁力模拟试重质量。在旋转坐标系中连续调整电磁力初始相角，根据转子振动幅度的变化，使用相关拟合方法解算转子挠性不平衡。对模拟试重产生的附加影响—对刚性平衡状态的影响和绕组反电动势所导致的线圈电流变化—分别进行了针对性修正。在未获知转子轴承系统精确模型情况下，一次启车配重就可大幅降低转子的挠性不平衡。

4、为利用有限电磁力最大限度地降低转子在临界转速处的挠性变形，研究了磁悬浮挠性转子过临界转速控制方法。给出挠性转子临界失效状态的描述，并提出了一种评价磁轴承系统抑制挠性变形能力的方法。针对一端传感器处于振形节点上的磁悬浮电机，提出一种模态分离控制方法，充分发挥每个磁轴承的作用，大幅提高其抑制变形的能力。以增加磁轴承控制效能为目的，提出一种最优相位补偿方法，从理论模型出发推导磁悬浮控制器的最优补偿相位，然后辨识现有系统从转子挠性变形到电磁力的控制相位，最后用PBF相位补偿器补偿相应角度，实现最优相位补偿控制。最终稳定穿越高速挠性临界转速，并把转子振幅控制在10 μm以内。

最后，设计了以DSP和FPGA为核心的集成化、低功耗磁轴承数字控制系统，采用同步协调法降低开关功放对AD采样的干扰。对转子系统和功放系统特性进行了离线和在线测试，并对动平衡前后、过临界转速时的磁悬浮转子运行情况进行了测试。

本文所取得的研究成果已成功应用于多种规格磁悬浮电机原理样机上，为挠性转子磁悬浮电机的应用奠定了理论和技术基础。