基于转速调制的eVTOL振动主动控制方法
导读
近日，南京航空航天大学关凯、卢阳等研究团队提出了一种基于转子转速调制的主动振动控制方法，通过利用直接驱动电机的快速响应特性，显著抑制了电动垂直起降飞行器（eVTOL）在飞行中因刚性旋翼气动不对称引发的振动问题。相关成果以 Active vibration control method based on rotor speed modulation for eVTOL为题发表于国际期刊Aerospace Science and Technology。论文第一作者为关凯，通讯作者为卢阳教授。该研究得到了国家自然科学基金等
项目的支持，并在风洞实验中验证了方法的有效性。
摘要
振动对电动垂直起降飞行器（eVTOL）的安全性和舒适性构成了严重威胁。为了抑制垂直起降飞机的振动，利用直驱电机的优点，提出了一种基于转子转速调制的振动主动控制方法。首先，建立了调速后轮毂振动的解析模型。结果表明，在恒定转速下叠加一个受控的转速波动可以减小轮毂的振动。然后，以某300 kg级垂直起落飞机的刚性旋翼为研究对象，进行了数值仿真。在前向飞行速度50 ~ 150 km/h范围内，轮毂上垂直载荷的第一叶片通过频率的减振效果> 98%。在此基础上，搭建了小型旋翼试验系统，进行了总距为5 °和10 °，推进比为0.23 ~ 0.46的风洞试验。在试验条件下，轮毂垂向力和反力矩对叶片首过频率的最佳减振效果分别为92.61%和92.42%。结果表明，前9个叶程频率分量的综合减振效果最佳，分别为68.18%和67.13%，验证了所提方法的可行性和有效性。
主要研究内容
研究团队提出一种基于转子转速调制的主动控制方法，通过叠加周期性转速波动，诱导叶片攻角的周期性变化，生成反向抵消振动的气动力（图1）。该方法无需额外作动器，仅需调节电机转速，充分发挥电机的控制优势。基于叶片元素动量理论建立振动分析模型，揭示了转速调制对旋翼气动载荷的影响规律。为了计算旋翼转速调制对旋翼气动力的影响，采用叶素动量理论对气动力进行理论建模。为了简化，假设叶片是刚性的，而不考虑叶片的弹性变形，并且没有襟翼和滞后铰链。此外，气动建模仅针对单个转子进行，而没有考虑多个转子之间的气动干扰。
图1坐标系的定义
为了验证所提方法的正确性和有效性，团队研制的300 kg级eVTOL刚性旋翼为例进行了数值仿真，采用MATLAB编程，离散叶片为0.01R间隔微元，时间步长0.001秒，结合气动查表法（CS1数据库）提升计算精度。理论推导表明，通过优化转速波动幅值与相位，可大幅抑制旋翼中心垂向力与反扭矩的振动分量。数值模拟显示，在50-150 km/h前飞速度范围内，针对旋翼通过频率（BPF）的振动抑制效果超98%；风洞实验中，垂向力与反扭矩在目标频率的减振率分别达92.61%和92.42%，前九阶谐波综合减振效率超67%。
图2不同工况下竖向力和反扭矩前9个BPF的最佳减振效率
实验验证研究团队搭建了小型旋翼试验系统，采用伺服电机驱动双叶片旋翼，通过高精度力/扭矩传感器测量振动响应（图2）。实验结果表明：在风速10-20 m/s、桨距角5°-10°条件下，目标频率振动信号强度显著降低，非对称指标在3 kHz带宽内均大于6 dB。转速调制导致系统稳态反扭矩平均增加2.23%，最大增幅21.46%，但总体功耗可控。改进设计后，振动抑制效果对波导结构缺陷（如单胞缺失、错位）不敏感，展现了工程应用潜力。
图2风洞试验台的实验装置。
图3测试系统的组成。
文章的核心优势在于无需附加作动器，仅通过电机转速调节实现减振，保留eVTOL结构简洁性。高实时性：电机响应时间＜10 ms，适于动态飞行工况。宽频适应性：支持多阶谐波抑制，覆盖50-300 Hz典型振动频段。eVTOL与多旋翼无人机：降低机体振动，延长结构寿命，提升乘员舒适性。直升机改进：替代传统HHC系统，减少机械复杂度。工业旋转机械：拓展至风机、涡轮机等设备的振动抑制。未来还可以结合深度学习实时优化转速波动参数，应对湍流等不确定扰动。研究电驱系统-气动-结构耦合效应，提升控制精度。建立旋翼-转速调制参数的数据库与设计指南，加速工程落地。
结论
建立了转速调制后轮毂振动理论模型，仿真得到最优控制参数下不同前飞速度时
频率轮毂垂直力减振效果达 98%；风洞实验验证了方法有效性，得到轮毂垂直力和反扭矩的最优减振效果及综合减振效果；实验还表明该控制对系统功率有明显影响
