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

磁懸浮轉子（MSR）系統因其無摩擦運行和卓越的可靠性而獲得了廣泛的工業應用。然而，不平衡質量和傳感器跳動產生的諧波電流威脅著系統的穩定性。重復控制（RC）有效地抑制了諧波電流，但其參數設計依賴于系統的精確解耦模型。MSR系統的解耦模型通常被簡化為二階線性系統。然而，這種簡化需要在RC設計過程中明確考慮由未建模非線性引起的系統不確定性。特別是在強陀螺效應下，參數的不確定性進一步增加。本文采用基于相位補償（PC）的自抗擾控制器（ADRC）來抑制耦合干擾，提高諧波抑制的控制性能。首先，建立了MSR系統的動態模型，并對內部和外部干擾進行了深入分析。然后，設計了RC-PCDRC方案，整合了RC和ADRC的互補優勢，特別強調PC以提高穩定性裕度。進行了全面的穩定性分析，并制定了參數優化指南。最后，通過仿真和實驗驗證了所提出方案的有效性和優越性。

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系統圖

作者信息

朱宇翔，2023年獲得清華大學電氣工程學士學位。目前正在中國科學院電工研究所和中國科學院大學攻讀博士學位。他的研究興趣包括主動磁軸承和變壓器設計。

高范強（Member，IEEE），1984年出生于湖北。于2006年獲得華中科技大學自動化控制工程學士學位，并于2012年獲得中國科學院電工研究所電力電子和電力傳動博士學位。他于2012年加入中國科學院電工研究所，目前擔任副教授。他的研究興趣包括大功率領域電力電子轉換器的分析和控制。

單開宇，2000年生于中國遼寧。2023年畢業于東北電力大學電氣工程專業，獲工學學士學位。現于中國科學院電工研究所、中國科學院大學攻讀電氣工程博士學位，主要研究方向為磁軸承控制與永磁同步電機控制。

李子欣（Senior Member，IEEE），1981年出生于河北。于2005年獲得華北理工大學工業自動化工程學士學位，并于2010年獲得中國科學院電工研究所電力電子與電力傳動博士學位。自2010年以來，他一直在中國科學院電工研究所工作，目前擔任教授兼副所長。他撰寫或合著了100多篇學術論文，在中國擁有20多項發明專利。他的研究興趣包括電力電子和電磁驅動技術及其在電網、交通、能源和其他領域的應用。李博士現任或曾任《IEEE電力電子學報》、《IET高壓》、《電力電子雜志》和《中國電氣工程雜志》的副主編。他因對多電平和高壓直流換流器的貢獻而獲得2015年IEEE電力電子學會Richard M.Bass杰出青年電力電子工程師獎。他于2019年當選為工程與技術研究所（IET）研究員。

李耀華（Member，IEEE），1966年出生于中國河南。1994年畢業于清華大學，獲電力電子與電力傳動博士學位。1995年至1997年，在柏林工業大學電機研究所從事博士后研究。1997年加入中國科學院電工研究所工作至今，現任電工所所長、教授。主要研究方向為電力電子與電機控制。

《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術支持的英文學術期刊。期刊發表國內外有關高性能電機系統、電機驅動、電力電子、可再生能源系統、電氣化交通等研發及應用領域中原創、前沿學術論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數據庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。

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