CES TEMS 论文分享｜中国科学院电工研究所高范强等：用于强陀螺效应下磁悬浮转子谐波抑制的基于相位补偿的自抗扰控制器增强重复控制

Enhanced Repetitive Control with Phase Compensation Based ADRC for Harmonic Suppression in Magnetically Suspended Rotor Under Strong Gyroscopic Effects

Yuxiang Zhu1,2; Fanqiang Gao*1,2,3; Kaiyu Shan1,2; Zixin Li1,2,3; Yaohua Li1,2,3

1.Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

3.Qilu Zhongke Institute of Electrotechnical Advanced Electromagnetic Drive Technology, Jinan, China

Y. Zhu, F. Gao, K. Shan, Z. Li and Y. Li, "Enhanced Repetitive Control with Phase Compensation Based ADRC for Harmonic Suppression in Magnetically Suspended Rotor Under Strong Gyroscopic Effects," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 1, pp. 97-108, March 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00003.

摘 要

磁悬浮转子（MSR）系统因其无摩擦运行和卓越的可靠性而获得了广泛的工业应用。然而，不平衡质量和传感器跳动产生的谐波电流威胁着系统的稳定性。重复控制（RC）有效地抑制了谐波电流，但其参数设计依赖于系统的精确解耦模型。MSR系统的解耦模型通常被简化为二阶线性系统。然而，这种简化需要在RC设计过程中明确考虑由未建模非线性引起的系统不确定性。特别是在强陀螺效应下，参数的不确定性进一步增加。本文采用基于相位补偿（PC）的自抗扰控制器（ADRC）来抑制耦合干扰，提高谐波抑制的控制性能。首先，建立了MSR系统的动态模型，并对内部和外部干扰进行了深入分析。然后，设计了RC-PCDRC方案，整合了RC和ADRC的互补优势，特别强调PC以提高稳定性裕度。进行了全面的稳定性分析，并制定了参数优化指南。最后，通过仿真和实验验证了所提出方案的有效性和优越性。

Abstract

Magnetically suspended rotor (MSR) systems have gained widespread industrial adoption owing to their frictionless operation and exceptional reliability. However, harmonic current generated by unbalanced mass and sensor runout threatens the system stability. Repetitive control (RC) effectively suppresses harmonic current, but its parameter design relies on an accurate decoupling model of the system. The decoupling model for the MSR system is often simplified to a second-order linear system. Such a simplification, however, necessitates explicit consideration of system uncertainties caused by unmodeled nonlinearities during the RC design process. Especially under strong gyroscopic effects, the parameter uncertainty is further increased. In this article, an active disturbance rejection controller (ADRC) based on phase compensation (PC) is used to suppress coupling disturbances and improve the control performance of harmonic suppression. Firstly, the dynamic model of the MSR system is established, and both internal and external disturbances are thoroughly analyzed. Then, the RC-PCADRC scheme is designed, integrating the complementary strengths of RC and ADRC, with a particular emphasis on PC to improve stability margins. A comprehensive stability analysis is conducted, along with parameter optimization guidelines. Finally, the effectiveness and superiority of the proposed scheme are validated through both simulations and experiments.

MSR系统图

作者信息

朱宇翔，2023年获得清华大学电气工程学士学位。目前正在中国科学院电工研究所和中国科学院大学攻读博士学位。他的研究兴趣包括主动磁轴承和变压器设计。

高范强（Member，IEEE），1984年出生于湖北。于2006年获得华中科技大学自动化控制工程学士学位，并于2012年获得中国科学院电工研究所电力电子和电力传动博士学位。他于2012年加入中国科学院电工研究所，目前担任副教授。他的研究兴趣包括大功率领域电力电子转换器的分析和控制。

单开宇，2000年生于中国辽宁。2023年毕业于东北电力大学电气工程专业，获工学学士学位。现于中国科学院电工研究所、中国科学院大学攻读电气工程博士学位，主要研究方向为磁轴承控制与永磁同步电机控制。

李子欣（Senior Member，IEEE），1981年出生于河北。于2005年获得华北理工大学工业自动化工程学士学位，并于2010年获得中国科学院电工研究所电力电子与电力传动博士学位。自2010年以来，他一直在中国科学院电工研究所工作，目前担任教授兼副所长。他撰写或合著了100多篇学术论文，在中国拥有20多项发明专利。他的研究兴趣包括电力电子和电磁驱动技术及其在电网、交通、能源和其他领域的应用。李博士现任或曾任《IEEE电力电子学报》、《IET高压》、《电力电子杂志》和《中国电气工程杂志》的副主编。他因对多电平和高压直流换流器的贡献而获得2015年IEEE电力电子学会Richard M.Bass杰出青年电力电子工程师奖。他于2019年当选为工程与技术研究所（IET）研究员。

李耀华（Member，IEEE），1966年出生于中国河南。1994年毕业于清华大学，获电力电子与电力传动博士学位。1995年至1997年，在柏林工业大学电机研究所从事博士后研究。1997年加入中国科学院电工研究所工作至今，现任电工所所长、教授。主要研究方向为电力电子与电机控制。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE 副主席 Don Tan 博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

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