五自由度磁悬浮轴承转子：基于自适应陷波器的零振动攻克不平衡质量扰动的终极策略

在高速旋转机械的世界里，不平衡质量引发的振动犹如幽灵般难以捉摸；自适应陷波器化身精密滤波器，让磁悬浮轴承在万转疾驰中稳如磐石。

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一、引言：高速旋转世界的“阿喀琉斯之踵”

在高端装备制造领域（如高速电机、涡轮机械、飞轮储能系统），五自由度主动磁悬浮轴承（AMB） 凭借无接触、无摩擦、高精度、长寿命等优势，成为支撑超高速转子的理想选择。然而，转子固有的不平衡质量分布始终是磁悬浮系统稳定运行的“顽疾”。

当转子高速旋转时，不平衡质量会产生与转速同频的周期性离心力（基频振动）。这种强周期性扰动：

• 破坏稳定性：可能激发转子共振，导致系统失稳甚至碰撞保护轴承；

• 降低精度：影响转子的旋转精度和定位精度；

• 产生噪声：带来令人不适的运行噪音；

• 缩短寿命：加剧机械疲劳和电磁元件损耗。

传统控制策略（如PID）虽能提供基础悬浮，但对这种转速相关的特定频率扰动抑制能力有限。自适应陷波器（ANF）技术应运而生，成为解决这一难题的利器。

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二、核心挑战：不平衡振动的动态特性

五自由度磁悬浮轴承通常控制转子在 2个径向平动（X, Y）、2个径向倾斜（θx, θy）和1个轴向平动（Z） 上的运动。不平衡力主要表现为径向平动方向上的同频振动。

关键特性：

1. 频率已知性：振动主频严格等于转子旋转频率（1×Ω）及其倍频（2×Ω, 3×Ω…），基频分量通常最强。

2. 幅值与相位未知性：不平衡质量大小和方位未知，导致扰动力幅值和相位无法预知。

3. 时变性：转速变化（启停、调速）导致扰动频率实时变化。

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三、终极武器：自适应陷波器（ANF）原理剖析

自适应陷波器是一种参数可在线自动调整的带阻滤波器，其核心思想是：在控制回路中，针对已知频率但幅值/相位未知的周期性干扰，动态生成一个与之幅值相等、相位相反的抵消信号。

核心优势：

• 精准打击：仅对目标频率（转速频率）进行深度抑制，不影响其他频率的控制性能。

• 动态跟踪：能自动跟踪转速变化，实时调整中心频率。

• 自适应性：自动估计并补偿扰动的幅值和相位。

传递函数模型（以单通道为例）：
一个典型的二阶自适应陷波器传递函数可表示为：