在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题, 提高转子位置精度, 本文分析了转子所受磁力的特性, 建立了转子系统非线性动力学模型, 提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律, 采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型, 自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值, 同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明, 所提出方法的转子位置精度达到99%, 稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。

为抑制磁悬浮转子系统的不平衡振动力, 提出了一种基于复数相移陷波器和前馈控制的自平衡控制算法。介绍了磁悬浮转子系统的结构和工作原理, 给出了含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学模型, 分析了不平衡振动力的电气特性。推导了不平衡振动力的抑制条件, 指出功率放大器引起的幅值和相位误差是影响不平衡振动抑制效果的主要因素。将磁悬浮转子两自由度平动方程转换为单自由度复数方程, 设计了复数相移陷波器, 建立数学方程并讨论了中心频率的幅值和相位特性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台, 对提出的控制算法进行了实验验证。结果表明: 采用该算法后不平衡振动力减小了94.1%, 验证了该算法的有效性。此外本算法还具有动态过程平滑、计算量少等优点。

针对主被动磁悬浮转子高速旋转时质量不平衡和被动磁轴承磁中心的偏移导致的同频振动力问题,提出了一种基于位移陷波加前馈补偿的自动平衡控制方法.首先,在转子为零位移控制状态下提取控制电流的同频成分,计算获得与被动磁轴承磁中心偏移相关的参变量;然后,在额定转速下设计通用陷波器以消除同频电流,前馈补偿主动磁轴承、被动磁轴承位移负刚度力和被动磁轴承磁中心偏移力,使主被动磁轴承的同频输出力为零,实现了转子绕惯性中心旋转.对提出的方法进行了仿真和实验验证并与仅补偿质量不平衡的算法进行了对比.仿真结果显示:提出的方法的同频磁轴承力减小到了只进行质量不平衡补偿算法的6%;实验结果显示:同频振动加速度减小到只进行质量不平衡补偿算法的233%.仿真和实验验证了该方法的有效性,表明该方法对同频振动抑制效果显著,实现了转子的自动平衡控制.

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺转子高速旋转时产生的不平衡振动, 提出了基于滑模观测器和陷波器的主被动磁悬浮转子不平衡振动自适应控制方法。该方法采用滑模观测器使同频振动的控制不受磁轴承的刚度参数摄动和磁力耦合的影响, 将滑模观测器与陷波器结合, 无需区分电流刚度力和位移刚度力, 无需设计算法补偿功率放大器的影响, 可自适应消除不平衡振动。对该方法进行了仿真和实验验证。仿真结果显示该方法可使同频轴承力大幅减小;实验结果显示, 虽然主被动磁悬浮转子的被动轴承不可控, 同频振动仍由0.053g减小为0.012g, 减小了77%。得到的结果表明, 该方法不仅适用于主被动磁悬浮转子, 也适用于全主动磁悬浮转子。

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)磁轴承两径向平动自由度之间存在较强耦合的问题,提出采用α阶逆系统方法对主被动磁轴承系统进行解耦控制。首先,根据主被动磁轴承的结构特点,建立了主被动磁悬浮转子径向通道平动力模型以及动力学模型;利用上述模型分析了两径向自由度之间的耦合特性,并对系统进行可逆性分析,得到了原磁轴承系统的α阶逆系统模型。然后,将原系统与α阶逆系统组合得到二阶积分线性系统,利用最优控制器实现闭环控制。最后,对本文方法进行了仿真及实验。结果表明,当x向有40 μm位移阶跃和18 μm幅值的正弦干扰时,利用本文方法可将y向位移跳动控制在PID控制方法的13.6%和17.9%,实现了主被动磁悬浮转子两径向平动通道之间的解耦控制。

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, 用于降低磁悬浮电机的振动并提高悬浮精度。通过在极坐标系中分析磁悬浮转子的静/动不平衡模型, 推导出校正质量与磁悬浮系统参数的关系。对各种控制模式下表征校正质量的特点进行分析得出：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, 提取了绕组同频控制电流解算校正质量。最后, 针对电流刚度获知误差, 在线校正转换系数阵, 进行二次高精度平衡。实验结果表明, 使用本方法一次启车即可确定校正质量, 两次启车校正转换系数阵再次平衡后, 转子振动降低98.6%,控制电流降低98.7%, 实现了高效高精度动平衡, 达到了磁悬浮转子零位移零电流运行状态。

磁悬浮转子的结构设计对其工作温度的高低及分布有很大影响.研究其工作温度场与结构设计之间的关系,建立三维的磁悬浮转子温度场的数字模型,可为磁悬浮转子系统的结构设计提供可靠的依据,并且为研究温度对磁悬浮转子工作特性的影响建立进一步研究的平台.以高速磁悬浮铣削转子为实例,利用红外热像仪测量它空载旋转时温度场分布,用计算机图像处理软件,从红外热像图中获取该温度场的温度值数据,通过滤波及数据处理在二维红外热像图形基础上建立了磁悬浮转子三维温度场的数字模型.在此基础上,研究了磁悬浮转子结构设计对温度场的影响.

磁悬浮转子微陀螺利用电磁涡流实现微转子的悬浮支撑和高速旋转,是一种精度可达惯性级的新颖MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺.讨论和研究了这种新颖微陀螺的悬浮支撑、高速转动、位置检测及加矩稳定的原理,并给出了相应的微转子、定子悬浮线圈、旋转线圈、稳定线圈、传感电极的设计原则和方法.设计了一个转子直径2 200μm、厚度25 μm,定子线圈线宽10μm、厚度5μm,悬浮励磁频率10 MHz、旋转励磁频率2 MHz的微陀螺,解决了三维非硅准LiGA技术加工微陀螺中的引线、绝缘、摩擦柱成型问题,并进行了相关的陀螺悬浮旋转试验,该陀螺在空气环境下能够以1000 r/min旋转,悬浮高度200μm,说明这种陀螺的原理和设计方法是可行的.