专利名称：一种磁悬浮机电设备弹性模态在线测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁悬浮机电设备弹性模态在线测试系统，在模拟磁悬浮系统各种干扰的同时，对磁悬浮机电设备的转子部分及静止部分的弹性模态参数进行在线高精度测试，特别适用于获取磁悬浮电机、磁悬浮控制力矩陀螺等磁悬浮支承机电设备实际工作状态下的弹性模态参数。
背景技术：
磁悬浮轴承支承相对于传统机械轴承支承技术具有无接触、无润滑、无磨损、振动小、功耗低、允许转子高速旋转及可主动控制等特点，在机床、透平机械、离心机、鼓风机和航空航天等领域有广阔的应用前景。虽然磁悬浮轴承支承允许转子高速旋转，但高速转子不平衡振动扰动和高频噪声干扰使得转子旋转到临界转速附近时，转子自身及基座产生自激震荡，极易损坏机械设备。为消除自激震荡，必须在转子旋转到临界转速附近添加相应处理措施，这就要求对转子和基座的弹性模态参数进行精确测试。现有模态测试方法有模态锤冲击测试法、动态激励法等。模态锤冲击测试法使用模态锤击打被测体产生脉冲激励，电荷式振动传感器检测被测物的瞬间响应，然后对激励信号和响应信号进行谱分析识别被测物的模态参数，这种方法操作简单，在单一机械部件模态测试中得到了广泛的应用，但无法精确测试由众多机械部件组成的机械设备的模态参数；动态激励法采用的激励器给被测体施加各种形式的外界激励，然后从激励响应中辨识出模态参数，这种方法可以对复杂机械设备进行模态测试，但需要额外增加激励器，操作不方便。同时以上均为离线式测试方法， 无法模拟设备真实工作状态，激励幅值小，无法区分转动和平动弹性模态，不能同时测试转子和外壳的弹性模态参数，需要增加额外的设备。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有测试技术的不足，提供一种模拟磁悬浮转子的不平衡振动扰动和随机噪声干扰等工作状态，并对磁悬浮机电设备弹性模态进行检测的在线测试系统。本发明的技术解决方案为一种磁悬浮机电设备弹性模态在线测试系统包括磁悬浮控制系统、磁悬浮转子、激励信号发生模块、振动检测单元、磁悬浮系统外壳、弹性模态识别模块；所述磁悬浮控制系统由位置环和电流环组成；位置环由位置检测单元、磁轴承控制器构成；电流环由电流检测单元、电流环控制器、功率放大装置和磁轴承线圈构成；激励信号发生模块由白噪声激励单元、扫频激励单元和激励模式选择单元组成；弹性模态识别模块由谱分析单元和模态参数提取单元组成；磁悬浮机电设备内部包含两个径向磁轴承，指定磁悬浮机电设备内部任意一个磁轴承所处的一端为A端，B端为另外一端；当转子受外界扰动时，转子就偏离了参考位置，位置检测单元检测磁悬浮转子的位置信号与参考位置做差送入磁轴承控制器中，磁轴承控制器按相应控制算法计算得到控制量，该控制量作为电流环的参考值与电流检测单元检测到的磁轴承线圈内的电流值作比较，差值送入电
3流环控制器，电流环控制器通过PID运算得到电流控制量，经过功率放大装置变成磁轴承线圈中的电流输出，驱动磁轴承产生磁作用力施加于磁悬浮转子，使磁悬浮转子稳定悬浮在参考位置附近，磁悬浮转子旋转到额定转速的0. 1到0. 3倍转速，集成在磁悬浮控制系统中的激励模式选择单元由白噪声激励单元或扫频激励单元的单个输出信号构造出两对同相或反相旋转激励信号叠加在电流环输入中形成激励信号；同时，固定在外壳上的振动检测单元实时检测磁悬浮系统外壳的振动信息，输出振动信号到谱分析单元进行频率特性分析，模态参数提取单元从谱分析结果中提取磁悬浮系统外壳的模态参数，谱分析单元同时对转子位置信号进行实时功率谱分析，计算出位置信号在当前激励频率处的功率值并绘制频率特性曲线，模态参数提取单元根据频率特性曲线辨别出转子模态参数。所述扫频激励单元为由DDS信号发生器构造的线性递增型或对数递增型扫频信号，在磁悬浮控制系统存储器中设置正弦表，根据扫频递增方式计算当前扫频频率，然后由此计算得到正弦表查询位置，最后得到正弦表查询位置的数值，此过程循环至设定的停止频率为止，构造出扫频激励。所述振动检测单元由MEMS振动传感器、调偏电路、放大电路和抗混叠滤波电路组成；MEMS振动传感器将磁悬浮系统外壳的振动信息转换为电压信号，调偏电路和放大电路调整电压信号的范围以适合模数转换装置的输入范围，抗混叠滤波电路滤除调整后的电压信号的高频噪声，防止数模转换时的频谱混叠。所述谱分析单元对白噪声激励进行谱分析时，首先对激励输入和传感器采集信号做互相关变换，然后进行FFT变换得到全频段的功率谱；对扫频激励输出进行谱分析时，首先连续采集数据段，每段数据与激励输入做互相关变换，然后进行FFT变换，最后取当前扫频频率处的FFT数据值，并依此绘制响应频谱特性曲线，模态参数提取单元从此曲线中获取磁悬浮系统的各界弹性模态频率与模态阻尼。本发明的原理是给定磁悬浮转子的悬浮参考位置，位置检测单元检测转子实际位置，当转子实际位置与给定参考位置有偏差时，磁悬浮控制器根据偏差计算线圈中所需控制电流大小，线圈电流经轴承生成电磁力吸引转子回到参考位置，形成位置环；线圈为感性元件，对磁悬浮控制器控制指令跟踪速度慢，为提高跟踪速度，用电流传感器实时检测线圈电流与磁悬浮控制器控制电流做差，电流环比例控制器根据此偏差调节控制量，提高线圈对控制电流的跟踪能力。磁悬浮闭环控制系统中开关管开通与关断时刻高频噪声、数模转换器件采样噪声和电子元器件中电子的热运动噪声均可近似为白噪声，白噪声频率丰富，非常容易激起转子及壳体的弹性模态。在电流环输入端叠加白噪声激励模拟以上所述白噪声干扰对磁悬浮转子和壳体弹性模态的作用。因加工精度原因，磁悬浮转子几何中心和惯性中心不一致，高速旋转转子的定轴性使转子具有绕惯性中心旋转的趋势，而传感器实时检测转子的几何中心位置而非惯性中心位置，导致转子旋转时，磁悬浮控制系统产生与转子转速同频的不平衡扰动力，不平衡扰动力在磁悬浮转子或壳体上形成一对作用力与反作用力，当转子转频与磁悬浮转子或壳体的弹性模态频率一致时，就会导致磁悬浮转子和壳体剧烈自激振荡，损毁机械设备。在电流环叠加扫频激励信号模拟磁悬浮系统的不平衡扰动力。为在磁悬浮闭环系统稳定情况下施加大扰动激励，激起高阻尼弹性模态，由陀螺动力学方程
权利要求
1.一种磁悬浮机电设备弹性模态在线测试系统，其特征在于包括包括磁悬浮控制系统(15)、磁悬浮转子(13)、激励信号发生模块(19)、振动检测单元(7)、磁悬浮系统外壳 (14)、弹性模态识别模块(18)；所述磁悬浮控制系统(15)由位置环(16)和电流环(17)组成；位置环(16)由位置检测单元(2)、磁轴承控制器(1)构成；电流环(17)由电流检测单元(3)、电流环控制器(4)、功率放大装置(20)和磁轴承线圈(5)构成；激励信号发生模块 (19)由白噪声激励单元(10)、扫频激励单元(11)和激励模式选择单元(12)组成；弹性模态识别模块(18)由谱分析单元(8)和模态参数提取单元(9)组成；磁悬浮机电设备内部包含两个径向磁轴承，指定磁悬浮机电设备内部任意一个磁轴承所处的一端为A端，B端为另外一端；当转子受外界扰动时，转子就偏离了参考位置，位置检测单元(2)检测磁悬浮转子(13)的位置信号与参考位置做差送入磁轴承控制器(1)中，磁轴承控制器(1)按PID运算得到控制量，该控制量作为电流环的参考值与电流检测单元(3)检测到的磁轴承线圈(5) 内的电流值作比较，差值送入电流环控制器(4)，电流环控制器(4)按控制算法计算得到电流控制量，经过功率放大装置(20)变成磁轴承线圈(5)中的电流输出，驱动磁轴承(6)产生磁作用力施加于磁悬浮转子(13)，使磁悬浮转子(13)稳定悬浮在参考位置附近，磁悬浮转子(13)旋转到额定转速的0. 1到0. 3倍转速，集成在磁悬浮控制系统(15)中的激励模式选择单元(12)由白噪声激励单元(10)或扫频激励单元(11)的单个输出信号构造出两对同相或反相旋转激励信号叠加在电流环(17)输入中形成激励信号；同时，固定在外壳上的振动检测单元(7)实时检测磁悬浮系统外壳(14)的振动信息，输出振动信号到谱分析单元(8)进行频率特性分析，模态参数提取单元(9)从谱分析结果中提取磁悬浮系统外壳(14)的模态参数，谱分析单元(8)同时对转子位置信号进行实时功率谱分析，计算出位置信号在当前激励频率处的功率值并绘制频率特性曲线，模态参数提取单元(9)根据频率特性曲线辨别出转子模态参数。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮机电设备弹性模态在线测试系统，其特征在于 所述扫频激励单元(11)为由DDS信号发生器构造的线性递增型或对数递增型扫频信号，在磁悬浮控制系统存储器中设置正弦表，根据扫频递增方式计算当前扫频频率，然后由此计算得到正弦表查询位置，最后得到正弦表查询位置的数值，此过程循环至设定的停止频率为止，构造出扫频激励。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮机电设备弹性模态在线测试系统，其特征在于 所述振动检测单元(7)由MEMS振动传感器、调偏电路、放大电路和抗混叠滤波电路组成； MEMS振动传感器将磁悬浮系统外壳(14)的振动信息转换为电压信号，调偏电路和放大电路调整电压信号的范围以适合模数转换装置的输入范围，抗混叠滤波电路滤除调整后的电压信号的高频噪声，防止数模转换时的频谱混叠。
4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮机电设备弹性模态在线测试系统，其特征在于 所述谱分析单元(8)对白噪声激励进行谱分析时，首先对激励输入和传感器采集信号做互相关变换，然后进行FFT变换得到全频段的功率谱；对扫频激励输出进行谱分析时，首先连续采集数据段，每段数据与激励输入做互相关变换，然后进行FFT变换，最后取当前扫频频率处的FFT数据值，并依此绘制响应频谱特性曲线，模态参数提取单元(9)从此曲线中获取磁悬浮系统的各界弹性模态频率与模态阻尼。
全文摘要
一种磁悬浮机电设备弹性模态在线测试系统，主要包括磁悬浮系统外壳、磁悬浮转子、磁悬浮控制系统、信号激励模块、振动检测单元、弹性模态识别模块。本发明在磁悬浮控制系统中集成信号激励模块，给转子施加激励力，模拟转子平动及转动不平衡扰动和环境随机干扰，并利用高速旋转刚体的陀螺效应增大扫频激励，同时，位移传感器和振动检测单元输出信号经过弹性模态识别模块得到转子和外壳的平动和转动弹性模态参数。本发明接近磁悬浮系统的实际运行状况，可以模拟噪声及不平衡振动对弹性模态的影响，增大了扫频激励输出，提高了弹性模态临近频率的区分度，可以区分转动弹性模态和平动弹性模态，并且可以同时测试转子及外壳的弹性模态。
文档编号G01H11/06GK102169046SQ20101061765
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者任昌建, 张袆, 房建成, 曹国恩, 王英广, 郑世强 申请人:北京航空航天大学