一种非对称磁悬浮转子偏置自解耦抑振控制方法

本发明涉及磁悬浮动力学控制与复杂机电系统抑振，尤其涉及一种非对称磁悬浮转子偏置自解耦抑振控制方法。

背景技术：

1、主动磁轴承利用可控电磁力实现转子的无接触支承，具有无摩擦、长寿命及主动可调等优势，广泛应用于高速储能飞轮、离心压缩机及大功率微网发电机等高端能源与工业装备中。在理想状态下，磁悬浮转子常被等效为对称模型进行理论分析；但在实际工程应用中，受限于转子系统的质量分布、非均匀载荷以及受限的安装空间，转子两端磁轴承至质心的作用力臂、原始位移刚度与电流刚度往往存在客观差异。这种物理层面的“非对称”特性打破了传统转子动力学的独立性，导致转子的径向平动与角向转动产生强烈的交叉耦合。

2、更为严峻的是，当此类非对称转子处于超高速旋转工况时，强烈的陀螺效应会激发复杂的角向涡动模态，包括正向涡动的进动模态与反向涡动的章动模态。机械结构不对称导致的强耦合与高频陀螺效应相叠加，不仅导致系统在章动频段内的阻尼急剧衰减、极易诱发高频共振甚至失稳，还大幅增加了系统动力学建模与全转速维稳控制的复杂度。

3、针对非对称磁悬浮转子的强耦合与高频失稳问题，现有技术多侧重于在控制算法软件层进行解耦与补偿调优，例如采用高维度的多变量鲁棒控制、基于复杂观测器的状态反馈或基于实系数模型的参数在线辨识等。然而，此类常规方法在实际工程落地时普遍存在两大局限：

4、其一，现有的电磁驱动拓扑默认转子两端磁轴承采用相等的静态偏置电流。这种同质化的静态电磁作动方式，无法从物理根源上消除因机械力臂不对称所引发的力矩偏差。底层物理源头未实现解耦，导致上层控制系统的动刚度与抗外部扰动能力先天受限；其二，纯粹依赖上层算法进行强耦合网络补偿，往往会引入冗长复杂的矩阵运算；且此类方法对微观参数摄动、功率放大器的固有相位滞后极其敏感，在边缘侧实时控制硬件中极易引发微秒级延迟，难以兼顾低频主通道的基础支承稳定性与高频章动模态的极限抑振需求。

5、因此，如何在底层物理驱动与上层控制拓扑之间建立协同，从电磁作动的物理源头上实现非对称系统的低成本结构性解耦，并结合异构控制通道实现转子全转速范围（特别是章动频段）的高效抑振，是突破非对称磁悬浮转子高速稳定运行瓶颈、实现系统全局调度的亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种非对称磁悬浮转子偏置自解耦抑振控制方法，围绕工程非对称结构转子平动-转动强耦合、超高速陀螺诱发章涡失稳难题，构建了从异质参数提取、静态偏置物理解耦、双通道控制搭建、高通相位补偿到边缘硬件并行运算的完整技术方案，实现底层电磁解耦与上层动态抑振协同配合，克服了现有技术仅依靠软件算法补偿、受制于等偏置先天缺陷、算力开销大且难以兼顾全转速抑振的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种非对称磁悬浮转子偏置自解耦抑振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤s1：异质参数感知与耦合状态确立，感知并提取非对称磁悬浮转子系统在径向自由度上的几何与电磁异质性参数，确立由于机械力臂不对称导致的平动-转动强耦合状态基准；

5、步骤s2：偏置电流配置与底层物理解耦，根据上、下端主动磁轴承至转子质心的几何力臂截距，配置两端主动磁轴承的静态偏置电流，使其静态偏置电流比例与所述几何力臂截距成反比关系，在物理作动源头实现电磁层自解耦；

6、步骤s3：并联双通道复合控制拓扑构建，在完成底层物理解耦的上层差动控制回路中，构建动态并联的异构双通道复合控制拓扑；所述复合控制拓扑包括负责输出基础控制电流分量的主控制通道，以及专门应对高频角向涡动模态的并联交叉反馈分支；

7、步骤s4：高通交叉滤波与超前相位补偿，在所述并联交叉反馈分支中嵌入具备高频相位超前特性的高通滤波器传递函数，利用预设固化的控制参数，在转子高频章动模态附近提供超前相位补偿，并衰减隔离低频干涉信号，计算得到交叉反馈电流分量；

8、步骤s5：边缘侧硬件解算与全转速抑振，实时采集转子位移变量，通过边缘侧硬件计算平台同步执行所述主控制通道与所述并联交叉反馈分支的解算，将计算所得的所述基础控制电流分量与所述交叉反馈电流分量进行矢量叠加生成复合差动控制电流，并结合底层的所述静态偏置电流驱动功率放大器作动，抑制高速旋转下的涡动发散。

9、进一步的，步骤s1中所述提取几何与电磁异质性参数及确立强耦合状态基准的具体过程为：

10、建立以转子质心为原点的坐标系，定义转子绕径向两轴的角位移变量分别为和；

11、提取上端主动磁轴承至转子质心的几何力臂截距、下端主动磁轴承至转子质心的几何力臂截距，以及上、下端的原始径向位移刚度、与径向电流刚度、；

12、构建包含强耦合特征的转子角向动力学方程局部表征：

13、

14、其中，为转子的径向转动惯量，为极转动惯量，为转子的高速运行角速度；与为对应输入至上、下两端的控制电流。

15、进一步的，步骤s2中所述使其静态偏置电流比例与所述几何力臂截距成反比关系，需满足以下变偏置自解耦物理约束方程：

16、

17、其中，为上端磁轴承注入的静态偏置电流，为下端磁轴承注入的静态偏置电流；

18、通过所述变偏置自解耦物理约束方程，使上端与下端的实际电磁刚度产生自适应的非对称偏置，从而满足的输入解耦条件，在电磁作动层面上直接对消机械力臂的不对称性。

19、进一步的，步骤s3中所述异构双通道复合控制拓扑的平行馈入与计算机制为：系统通过位移传感器获取实时的转子角向位移误差信号，将其平行馈入所述主控制通道与所述并联交叉反馈分支。

20、进一步的，步骤s3中所述主控制通道配置主通道控制器，用于利用解耦后的物理基准输出基础控制电流分量，提供低频段的高动态基础电磁刚度与悬浮支承力。

21、进一步的，步骤s3中所述并联交叉反馈分支独立于主通道，用于计算输出交叉反馈电流分量，应对高速旋转时由陀螺效应激发的复杂高频角向涡动模态。

22、进一步的，步骤s4中所述高通滤波器传递函数采用二阶高通滤波器传递函数，其复数域标准拓扑结构形式构建为：

23、

24、其中，为高通截止角频率；所述并联交叉反馈分支中串联有控制增益；

25、所述高通截止角频率和所述控制增益作为所述预设固化的控制参数直接调用。

26、进一步的，步骤s4所述交叉反馈分支利用该二阶高通滤波器的频域异构特性，在转子高频章动模态频率附近，无延迟地提供极其精准的超前相位修正信号；同时，凭借固有的低频衰减特性，该分支所产生的控制电流分量在低频段趋近于零，自动隔离了交叉补偿通道对低频主通道基础支承性能的干涉。

27、进一步的，步骤s5中所述复合差动控制电流的生成与作动过程为：

28、依托于现场可编程逻辑门阵列与实时控制器构成的所述边缘侧硬件计算平台，以微秒级的控制周期实时采集并处理转子位移变量；

29、边缘侧硬件平台通过并行计算指令，将所述基础控制电流分量与所述交叉反馈电流分量在底层寄存器中进行高速矢量叠加，生成所述复合差动控制电流；

30、进一步的，步骤s5中所述复合差动控制电流经由数模转换输出至带有高频相位滞后特性的功率放大器中以驱动电磁铁线圈，通过底层静态偏置电流与上层动态复合电流的物理叠加作动，实现非对称磁悬浮转子在全转速范围下的稳定运行。

31、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果在于：

32、（1）本发明提供的一种非对称磁悬浮转子偏置自解耦抑振控制方法，通过引入变偏置电流自解耦技术，有效解决因非对称磁悬浮转子系统的多轴多维强耦合问题，大幅减轻控制算法在软件层面的在线解耦算力负荷。

33、（2）本发明提供的一种非对称磁悬浮转子偏置自解耦抑振控制方法，基于并联异构双通道复合控制拓扑动态协同支承与抑振回路，保障系统在全转速运行工况下维持极高的高频模态维稳精度与动态稳定性。

34、（3）本发明提供的一种非对称磁悬浮转子偏置自解耦抑振控制方法，通过交叉通道的高频相位精准超前补偿与低频扰动隔离，增强系统对超高速下陀螺效应引发的章动失稳与复杂外部扰动的适应性。

35、（4）本发明提供的一种非对称磁悬浮转子偏置自解耦抑振控制方法，采用底层物理解耦与上层轻量化控制的一体化协同设计，优化了内部信号流，降低控制响应延迟，确保方法在工业边缘侧部署的可行性与作动效率。