磁悬浮轴承转子不平衡质量控制策略设计：原理、分析与智能实现

磁悬浮轴承（Active Magnetic Bearing, AMB）以其无接触、无摩擦、高转速、无需润滑等革命性优势，在高端旋转机械领域（如高速电机、离心压缩机、飞轮储能、航空航天动力系统）展现出巨大潜力。然而，转子固有的质量不平衡是AMB系统面临的核心挑战之一，它诱发强同步振动，威胁系统稳定性、精度与寿命。本文将深入探讨AMB转子不平衡质量的控制策略设计原理，进行关键分析，并阐述实现方法。

一、 磁悬浮轴承与不平衡问题：核心挑战

1. 磁悬浮轴承工作原理简述：
   AMB利用可控电磁力将转子稳定悬浮于定子中心。电磁力的大小与方向通过实时检测转子位移（位置传感器），并基于先进控制算法（如PID、状态反馈、鲁棒控制、自适应控制）计算所需控制电流，驱动功率放大器产生相应电磁力来实现闭环稳定。

2. 转子不平衡的振动根源：

   • 物理本质： 转子几何轴线与惯性主轴不重合，导致质量分布不均。

   • 动力学表现： 转子旋转时，不平衡质量产生离心力 F = m * ω² * r（m为不平衡质量，ω为旋转角速度，r为不平衡质量偏心距）。

   • 对AMB的影响： 该离心力作用于转子，迫使转子偏离其理想旋转中心（几何中心）。位置传感器检测到此偏移（表现为与旋转频率ω同步的位移信号），控制器随即产生对抗性电磁力以维持稳定悬浮。这导致：

     • 同步电流消耗： 控制电流中出现显著的、与转速同频（1X）的分量，增大功耗和发热。

     • 同步振动传递： 不平衡力通过AMB传递到支撑基座，引起整机振动和噪声。

     • 稳定性裕度降低： 强同步扰动可能消耗系统动态响应能力，降低对其他扰动的鲁棒性。

二、 不平衡质量控制策略设计原理：主动“消化”扰动

目标不是消除物理不平衡（通常难以实现），而是抑制其引发的有害振动和电磁力波动。核心思路是使AMB系统“智能”地产生一个与不平衡离心力大小相等、方向相反的补偿力。

策略分类与原理

1. 被动平衡策略：

   • 原理： 在转子静止时，通过机械配重（