五自由度磁悬浮轴承转子不平衡振动破壁战：全息前馈控制实战密码
面对高速旋转下失衡离心力的致命扰动，如何精准预判并抵消？本文深入解析五自由度磁悬浮轴承不平衡前馈控制的底层逻辑、核心算法与工程化落地细节，突破同步振动抑制的瓶颈。
引言：失衡之痛，前馈为刃
在五自由度主动磁悬浮轴承（AMB）系统中，转子质量不平衡是激发强同步振动的首要因素。尤其在高速工况下，其产生的离心力/力矩幅值随转速平方增长，不仅威胁稳定性，更导致控制电流饱和、功耗剧增、温升失控。传统反馈控制受限于带宽与相位滞后，难以根除同步扰动。不平衡前馈控制（UFFC） 以其“预判性打击”的优势，成为破局的关键利器。它不依赖闭环误差，而是基于转速信号主动生成反相补偿力，直击振动源头。
一、 五自由度系统不平衡激振：复杂性与挑战
五自由度AMB需同时控制：
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平动自由度：径向 (x, y)，轴向 (z)
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转动自由度：绕x轴偏航 (θx)，绕y轴俯仰 (θy) (绕z轴滚动通常被动稳定)
质量不平衡表现为转子质心(C.M.)与几何中心(C.G.)不重合，以及惯性主轴与旋转轴不平行。高速旋转时产生：
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离心力 (F_u)：作用于径向平面 (x, y)，激发平动振动。
F_u = m * e * ω²(m: 转子质量; e: 质量偏心距; ω: 旋转角速度) -
离心力矩 (M_u)：作用于偏航/俯仰平面 (θx, θy)，激发转动振动。
M_u = I_d * α * ω²(I_d: 转子直径转动惯量差; α: 惯性主轴偏角)
核心挑战：
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强耦合性：平动与转动自由度通过惯性耦合（尤其是陀螺效应）和轴承力耦合紧密关联。一个自由度上的不平衡会激发其他自由度的振动。
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多频点扰动：严格同步于转速频率 (1X)。
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相位滞后：传感器、控制器、功放、电磁铁等环节在1X频率处存在显著且随转速变化的相位滞后，补偿必须精准抵消此滞后。
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参数敏感性：补偿效果高度依赖于对不平衡量 (e, α) 和系统传递特性的准确掌握。
二、 不平衡前馈控制 (UFFC) 核心原理与架构
核心思想：在控制输出中注入一个与预估不平衡激振力/力矩幅值相等、相位相反的补偿信号，使其在转子处产生的电磁力正好抵消不平衡力。
系统级架构 (融合前馈与反馈)：
[转速传感器] --> [转速信号ω] --> [UFFC 补偿器] -----> [前馈补偿力 F_ff, M_ff]| || V [位移传感器] --> [坐标变换] --> [五自由度反馈控制器] --> [控制力分配] --> [功率放大器] --> [磁轴承]^ ||<----------------------------[反馈控制力 F_fb, M_fb]--------------|
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反馈控制器 (FBC)：通常采用PID、LQR、H∞等，负责抑制残余扰动、未建模动态、外部干扰，维持系统稳定和动态性能。它是控制系统的“基石”。
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前馈补偿器 (UFFC)：专门针对已知转速ω下的1X不平衡扰动进行精准抵消，是提升同步振动抑制性能的“尖刀”。
三、 UFFC 核心算法：从理论到实现
1. 基本补偿模型 (单自由度径向示例)
目标是生成补