一种基于并联式二阶重复控制DPSORC的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于并联式二阶重复控制DPSORC(Dual Parallel Structure Digital Second‑order Repetitive Control,DPSRC)的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，首先建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型，然后采用了基于DPSORC的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法。该数字控制器采用了并联式双重内存循环与一个加权因子，连接到磁悬浮转子闭环系统中，提高了系统对于转速不确定性的鲁棒性。本发明专利技术中传统一阶重复控制器的相位补偿环节可完全移植到DPSORC中，这为DPSORC的实际使用提供了便捷，使得该控制器具有较好的通用性。本发明专利技术能对磁悬浮转子中磁轴承线圈电流的谐波分量进行抑制，适用于存在质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子系统谐波电流抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于并联式二阶重复控制DPSORC的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法
本专利技术涉及磁悬浮转子谐波电流抑制的
，具体涉及一种基于并联式二阶重复控制DPSORC(DualParallelStructureDigitalSecond-orderRepetitiveControl,DPSRC)的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，用于对磁悬浮控制力矩陀螺转子系统中的谐波电流进行抑制，为磁悬浮控制力矩陀螺在“超静”卫星平台上的应用提供技术支持。
技术介绍
磁悬浮控制力矩陀螺CMG(ControlMomentGyroscope，CMG)中的磁轴承采用电磁力使转子悬浮起来。由于轴承转子和定子之间无接触，与机械轴承相比具有下列三方面优点：首先，CMG飞轮转速可以大幅度提高，相同角动量的转子尺寸和质量可以更小，同时可以实现长寿命；其次，可以通过磁轴承控制器对飞轮转子不平衡振动进行主动控制，获得极低的振动噪声；再次，由于CMG框架等效转动惯量与转子支承刚度有关，采用磁轴承支承转子可以通过调低轴承刚度来增大框架等效转动惯量，从而使用相同力矩电机可以获得更高的框架角速率精度，这样就可以提高CMG力矩输出精度，最终提高航天器的指向精度与稳定度。此外，磁轴承在航天器高精度长寿命姿态控制执行机构中已得到广泛应用。因此，基于磁轴承的高精度长寿命大型CMG是我国空间站姿态控制执行机构的理想选择，具有迫切的应用需求。虽然磁悬浮控制力矩陀螺无摩擦，但是仍然存在高频振动，影响卫星平台的指向精度和稳定度。磁悬浮控制力矩陀螺的高频振动主要由转子不平衡和传感器谐波引起，不仅会导致同频振动，还会造成倍频振动，合称为谐波振动。其中转子不平衡量是主要振动源，由转子质量的不平衡引起。由于传感器检测面的圆度误差、材质不理想、电磁特性不均匀等原因，位移传感器信号中存在同频和倍频成分，即传感器谐波。谐波电流不仅会增加磁轴承功耗，还会引起谐波振动，并通过磁轴承直接传递给航天器，影响航天器姿态控制的精度。谐波振动抑制可以分为零电流、零位移和零振动三类，其中零电流可以用最少的计算量和功耗抑制大部分的振动。现有技术主要针对单一频率的干扰进行抑制，对于谐波扰动抑制研究相对较少，主要有并联多陷波器或多个LMS滤波器、重复控制RC算法等。但并联多陷波器不能针对所有振动同时抑制，计算量大，且需要考虑不同滤波器间的收敛速度问题，设计起来比较复杂；而重复控制RC算法则无需并联多个滤波器便可实现对不同频率成分振动的同时抑制。重复控制RC算法是根据内模原理实现系统零静态误差的一种方法，而现有的应用于磁悬浮转子控制系统的重复算法均没有考虑频率波动下以及频率检测不精确情况下，传统一阶RC很难精确抑制谐波信号的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的为：克服现有技术的不足，提供一种基于并联式二阶重复控制DPSORC的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，通过并联两个内存循环单元以及合适的权重因子，使得系统对于频率不确定以及频率发生波动下依旧可以保持很好的抑制效果。本专利技术采用的技术方案为：一种基于并联式二阶重复控制DPSORC的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，包括以下步骤：步骤(1)建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型磁悬浮转子径向两自由度由主动磁轴承控制，其余三个自由度由安装在转子和定子上的永磁环实现无源稳定悬浮。Q表示磁轴承定子的几何中心，O表示转子的几何中心，C表示转子的质心。以Q为中心建立惯性坐标系QXY，以O为中心建立旋转坐标系Oεη，(x,y)表示转子几何中心O在惯性坐标系下的坐标值。针对X通道谐波电流，建模如下：根据牛顿第二定律，磁悬浮转子在X方向的动力学方程如下：其中，m表示转子质量，fx表示磁轴承在X方向的轴承力，e表示转子几何中心与质心之间的偏差，Ω表示转子转速，φ表示转子不平衡质量的初始相位。主被动磁轴承轴承力由主动磁轴承电磁力和被动磁轴承磁力两部分组成，X通道中轴承力fx可写为：fx＝fex+fpx其中，fex为X通道主动磁轴承电磁力，fpx为X通道被动磁轴承磁力，被动磁轴承产生的力与位移呈线性关系，表示为：fpx＝Kprx其中，Kpr是被动磁轴承位移刚度；当转子悬浮在磁中心附近时，主动磁轴承电磁力可近似线性化为：fex≈Kerx+Kiix其中，Ker、Ki分别为主动磁轴承位移刚度、电流刚度，ix为功放输出电流；对于含有质量不平衡的转子系统，有：X(t)＝x(t)+Θx(t)其中，X(t)为转子质心位移，x(t)为转子几何中心位移，Θx(t)为质量不平衡引起的位移扰动，记为：Θx(t)＝lcos(Ωt+θ)其中，l为质量不平衡的幅值，θ为相位，Ω为转子转速；在实际转子系统中，由于机械加工精度和材料的不均匀因素的影响，传感器谐波不可避免，传感器实际测得的位移xs(t)可表示为：xs(t)＝x(t)+xd(t)其中，xd(t)为传感器谐波，可重写为：式中，ca是传感器谐波系数的幅值，θa是传感器谐波系数的相位，w为传感器谐波的最高次数；将ix、X(t)、Θx(t)、xd(t)依次进行拉普拉斯变换得ix(s)、X(s)、Θx(s)、xd(s)，写出转子动力学方程有：ms2X(s)＝(Ker+Kpr)(X(s)-Θx(s))+Kiix(s)其中，ix(s)＝-KsKiGc(s)Gw(s)(X(s)-Θx(s)+xd(s))式中，Ks为位移传感器环节、Gc(s)为控制器环节，Gw(s)为功放环节；从上式可以看出，由于质量不平衡和传感器谐波的存在，导致线圈电流中存在与转速同频电流成分-KsKiGc(s)Gw(s)(X(s)-Θx(s))和倍频的电流成分-KsKiGc(s)Gw(s)xd(s)。在主动磁轴承可控的径向平动自由度X通道和Y通道中，两通道解耦，所以Y通道电流模型与X通道相似，具体分析如下：转子动力学方程有：ms2Y(s)＝(Ker+Kpr)(Y(s)-Θy(s))+Kiiy(s)式中，Y(s)为转子质心位移y(t)的拉式变换，Θy(s)为质量不平衡引起的位移扰动Θy(t)的拉式变换，iy(s)是Y通道功放输出电流iy(t)的拉式变换。上式中，iy(s)＝-KsKiGc(s)Gw(s)(Y(s)-Θy(s)+yd(s))式中，yd(s)为传感器谐波yd(t)的拉式变换。从上式可以看出，由于质量不平衡和传感器谐波的存在，导致线圈电流中存在与转速同频电流成分-KsKiGc(s)Gw(s)(Y(s)-Θy(s))和倍频的电流成分-KsKiGc(s)Gw(s)yd(s)。步骤(2)设计基于并联式二阶重复控制DPSORC的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法控制器以“插入”的形式接入原闭环系统，这将极大方便控制器的设计。将线圈谐波电流ix作为误差信号输入至该二阶重复控制器模块，该模块的输出反馈至原控制系统的功放输入端，该模块的设计主要包括以下两个方面：①并联式二阶RC算法，根据实际磁悬浮转子系统在特定转速下产生的谐波电流，进行频谱分析，得到谐波电流基频f0和谐波频率成分；根据系统实际采样频率fs和基频的比值，得到DPSORC控制器基本循环长度N＝fs/f0；对DPSORC进行理论分析，得到其在磁悬浮转子系统上的稳定性判定条件；根据理论本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于并联式二阶重复控制DPSORC的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)：建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型磁悬浮转子径向两平动自由度由主动磁轴承控制，径向两扭动自由度和轴向平动自由度由安装在转子和定子上的永磁环，即被动磁轴承实现无源稳定悬浮，Q表示磁轴承定子的几何中心，O表示转子的几何中心，C表示转子的质心，以Q为中心建立惯性坐标系QXY，以O为中心建立旋转坐标系Oεη，(x,y)表示转子几何中心O在惯性坐标系下的坐标值；针对X通道谐波电流，建模如下：根据牛顿第二定律，磁悬浮转子在X方向的动力学方程如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于并联式二阶重复控制DPSORC的数字控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)：建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型磁悬浮转子径向两平动自由度由主动磁轴承控制，径向两扭动自由度和轴向平动自由度由安装在转子和定子上的永磁环，即被动磁轴承实现无源稳定悬浮，Q表示磁轴承定子的几何中心，O表示转子的几何中心，C表示转子的质心，以Q为中心建立惯性坐标系QXY，以O为中心建立旋转坐标系Oεη，(x,y)表示转子几何中心O在惯性坐标系下的坐标值；针对X通道谐波电流，建模如下：根据牛顿第二定律，磁悬浮转子在X方向的动力学方程如下：其中，m表示转子质量，fx表示磁轴承在X方向的轴承力，e表示转子几何中心与质心之间的偏差，Ω表示转子转速，φ表示转子不平衡质量的初始相位；主被动磁轴承由主动磁轴承和被动磁轴承组成，因此主被动磁轴承轴承力由主动磁轴承电磁力和被动磁轴承磁力两部分组成，X通道中轴承力fx可写为：fx＝fex+fpx其中，fex为X通道主动磁轴承电磁力，fpx为X通道被动磁轴承磁力，被动磁轴承产生的力与位移呈线性关系，表示为：fpx＝Kprx其中，Kpr是被动磁轴承位移刚度；x是转子几何中心O在惯性坐标系下的X通道的位移值；当转子悬浮在磁中心附近时，主动磁轴承电磁力可近似线性化为：fex≈Kerx+Kiix其中，Ker、Ki分别为主动磁轴承位移刚度、电流刚度，ix为功放输出电流；对于含有质量不平衡的转子系统，有：X(t)＝x(t)+Θx(t)其中，X(t)为转子质心位移，x(t)为转子几何中心位移，Θx(t)为质量不平衡引起的位移扰动，记为：Θx(t)＝lcos(Ωt+θ)式中，l为质量不平衡的幅值，θ为相位，Ω为转子转速；在实际转子系统中，由于机械加工精度和材料的不均匀因素的影响，传感器谐波不可避免，传感器实际测得的位移xs(t)可表示为：xs(t)＝x(t)+xd(t)其中，xd(t)为传感器谐波，可重写为：式中，ca是传感器谐波系数的幅值，θa是传感器谐波系数的相位，w为传感器谐波的最高次数；将ix、X(t)、Θx(t)、xd(t)依次进行拉普拉斯变换得ix(s)、X(s)、Θx(s)、xd(s)，写出转子动力学方程有：ms2X(s)＝(Ker+Kpr)(X(s)-Θx(s))+Kiix(s)其中，ix(s)＝-KsKiGc(s)Gw(s)(X(s)-Θx(s)+xd(s))式中，Ks为位移传感器环节、Gc(s)为控制器环节，Gw(s)为功放环节；从上式可以看出，由于质量不平衡和传感器谐波的存在，导致线圈电流中存在与转速同频电流成分-KsKiGc(s)Gw(s)(X(s)-Θx(s))和倍频的电流成分-KsKiGc(s)Gw(s)xd(s)，且同频电流会在磁轴承非线性作用下会再次转换为倍频电流；在主动磁轴承可控的径向平动自由度X通道和Y通道中，两通道解耦，所以Y通道电流模型与X通道相似，具体分析如下：转子动力学方程有：ms2Y(s)＝(Ker+Kpr)(Y(s)-Θy(s))+Kiiy(s)式中，Y(s)为转子质心位移y(t)的拉式变换，Θy(s)为质量不平衡引起的位移扰动Θy(t)的拉式变换，iy(s)是Y通道功放输出电流iy(t)的拉式变换；上式中，iy(s)＝-KsKiGc(s)Gw(s)(Y(s)-Θy(s)+yd(s))式中，yd(s)为传感器谐波yd...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔培玲，张国玺，韩东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11