一种磁悬浮电机转子的控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种磁悬浮电机转子的控制方法及系统。该方法包括：获取所述磁悬浮电机的转子偏移平衡位置的位移量，并根据所述位移量生成位移信号；根据所述位移信号进行比例‑积分‑微分控制、相位补偿和扰动补偿，三部分协同工作，生成总控制信号；对所述总控制信号进行信号放大，以便控制所述电机的转子恢复到平衡位置。采用本发明专利技术的控制方法，有效的抑制了由外界扰动引起的转子振动和转子在临界转速附近的振动，抑制了磁悬浮转子在临界转速附近的振动，使转子可以实现稳定悬浮的状态。

【技术实现步骤摘要】
一种磁悬浮电机转子的控制方法及系统
本专利技术涉及磁悬浮领域，特别是涉及一种磁悬浮电机转子的控制方法及系统。
技术介绍
磁悬浮电机是指利用磁悬浮轴承将电机转子悬浮，从而无摩擦无接触旋转的新型电机。由于转子和定子之间完全没有接触，它具有以下优点：(1)无磨损，使用寿命长；(2)转子圆周线速度高；(3)不需要润滑和密封；(4)发热量很小，功耗低；(5)环境适应性强，能在真空和腐蚀介质中工作。鉴于这些优点，磁悬浮电机，特别是磁悬浮高速电机在高速鼓风机/压缩机、储能飞轮、真空分子泵以及高速燃机分布式发电领域有了越来越广泛的应用。磁悬浮转子实现悬浮需要一套控制系统，通过获得转子的位置信号，利用控制算法对悬浮进行控制。其中控制算法是核心环节，其设计直接决定了磁悬浮能否实现，并且决定了磁悬浮转子系统的各项基本性能，如振动、刚度、阻尼、不平衡响应等。因此，磁悬浮控制算法的研究一直是磁悬浮电机系统研究中最关键也是最活跃的方向之一。迄今为止已有大量的控制算法被尝试使用在磁悬浮电机的控制系统中，但是大多是基于现代控制理论的算法，较为复杂，难以实现。目前工业应用最为广泛的仍然是经典的PID控制器的控制方法。然而随着磁悬浮转子转速的提高，传统PID控制已经不能满足工程应用的需要，特别是当转速接近临界转速时，PID控制器不能有效的对转子悬浮进行控制，并且转子振动加剧，此时，PID控制器的控制不能保证转子的稳定悬浮。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种磁悬浮电机转子的控制方法及系统，以解决柔性转子在临界转速以上的位置控制问题，以及抑制外界扰动对磁悬浮位置控制的不利影响。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种磁悬浮电机转子的控制方法，所述方法包括：获取所述磁悬浮电机的转子偏移平衡位置的位移量，并根据所述位移量生成位移信号；根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制、相位补偿和扰动补偿，生成总控制信号；对所述总控制信号进行信号放大，以便控制所述电机的转子恢复到平衡位置。可选的，所述根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制、相位补偿和扰动补偿，生成总控制信号，具体包括：根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制生成第一控制信号；在所述电机的转子的一阶和二阶邻近转速时根据所述第一控制信号生成第二控制信号，所述第二控制信号为对所述第一控制信号施加的相位补偿控制信号；根据所述位移信号和所述总控制信号计算系统中的扰动量，生成第三控制信号，所述第三控制信号为所述总控制信号的前馈扰动补偿控制信号；将所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号三者线性相加的结果，确定为所述总控制信号。可选的，所述根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制生成第一控制信号，具体包括：利用公式Up(k)＝KpE(k)，计算比例通道的第一输出信号UP(k)，其中E(k)表示控制信号、Kp为比例系数；利用公式Ui(k)＝KiE(k)+Ui(k-1)，计算积分通道的第二输出信号Ui(k)，其中E(k)表示控制信号、Ki为积分系数；利用公式Ud(k)＝Kd1[E(k)-E(k-1)]+Kd2Ud(k-1)，计算不完全微分通道的第三输出信号Ud(k)，其中E(k)表示控制信号、Kd1、Kd2为不完全微分的两个控制系数系数；利用公式UN(k)＝Up(k)+Ui(k)+Ud(k)，计算比例-积分-微分控制的总输出信号UN(k)，确定为所述第一控制信号。可选的，所述根据所述位移信号和所述总控制信号计算系统中的扰动量，生成第三控制信号，具体包括：采用扩展状态观测器计算系统中的扰动量，所述扩展状态观测器为如下形式：其中，z1(k)为所述扩展状态观测器第k次估计的系统输出，对应转子的位置；y(k)为第k次系统的实际输出，相应的ε(k)为第k次估计的误差；z2(k)为所述扩展状态观测器第k次估计的系统输出的一阶导数，对应转子的速度；z3(k)是所述扩展状态观测器估计出的外界扰动量，β1、β2、β3是输出校正系数；h为积分步长，fal是非线性函数，fal是非线性函数；根据计算的所述扰动量z3(k)，生成第三控制信号，用于完成对外界扰动的补偿。一种磁悬浮电机转子的控制系统，所述系统包括：位移信号获取模块，用于获取所述磁悬浮电机转子偏移平衡位置的位移量，并根据所述位移量生成位移信号；总控制信号生成模块，用于根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制、相位补偿和扰动补偿，生成总控制信号；信号放大模块，用于对所述总控制信号进行信号放大，以便控制所述电机的转子恢复到平衡位置。可选的，所述位移信号获取模块为位移传感器。可选的，所述总控制信号生成模块，具体包括：比例-积分-微分控制单元，用于根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制生成第一控制信号；相位补偿单元，用于在所述电机的转子的一阶和二阶邻近转速时根据所述第一控制信号生成第二控制信号，所述第二控制信号为对所述第一控制信号施加的相位补偿控制信号；扩展状态观测单元，用于根据所述位移信号和所述总控制信号计算系统中的扰动量，生成第三控制信号，所述第三控制信号为所述总控制信号的前馈扰动补偿控制信号；总控制信号确定单元，用于将所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号三者线性相加的结果，确定为所述总控制信号。可选的，所述比例-积分-微分控制单元，具体包括：比例通道输出计算子单元，用于利用公式Up(k)＝KpE(k)，计算比例通道的第一输出信号UP(k)，其中E(k)表示控制信号、Kp为比例系数；积分通道输出计算子单元，用于利用公式Ui(k)＝KiE(k)+Ui(k-1)，计算积分通道的第二输出信号Ui(k)，其中E(k)表示控制信号、Ki为积分系数；微分通道输出计算子单元，用于利用公式Ud(k)＝Kd1[E(k)-E(k-1)]+Kd2Ud(k-1)，计算不完全微分通道的第三输出信号Ud(k)，其中E(k)表示控制信号、Kd1、Kd2为不完全微分的两个控制系数系数；总输出信号计算子单元，用于利用公式UN(k)＝Up(k)+Ui(k)+Ud(k)，计算比例-积分-微分控制的总输出信号UN(k)，确定为所述第一控制信号。可选的，所述扩展状态观测单元，具体包括：扰动量计算子单元，用于采用扩展状态观测器计算系统中的扰动量，所述扩展状态观测器为如下形式：其中，z1(k)为所述扩展状态观测器第k次估计的系统输出，对应转子的位置；y(k)为第k次系统的实际输出，相应的ε(k)为第k次估计的误差；z2(k)为所述扩展状态观测器第k次估计的系统输出的一阶导数，对应转子的速度；z3(k)是所述扩展状态观测器估计出的外界扰动量，β1、β2、β3是输出校正系数；h为积分步长，fal是非线性函数，fal是非线性函数；第三控制信号生成子单元，用于根据计算的所述扰动量z3(k)，生成第三控制信号，用于完成对外界扰动的补偿。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：通过扩展状态观测器的前馈补偿，有效的抑制了由各种外界扰动以及模型不确定性引起的转子振动；通过相位补偿器提供的附加阻尼，有效的抑制了磁悬浮转子在临界转速附近的振动，使转子可以实现稳定悬浮的状态。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁悬浮电机转子的控制方法，其特征在于，所述方法包括：获取所述磁悬浮电机的转子偏移平衡位置的位移量，并根据所述位移量生成位移信号；根据所述位移信号进行比例‑积分‑微分控制、相位补偿和扰动补偿，生成总控制信号；对所述总控制信号进行信号放大，以便控制所述电机的转子恢复到平衡位置。

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮电机转子的控制方法，其特征在于，所述方法包括：获取所述磁悬浮电机的转子偏移平衡位置的位移量，并根据所述位移量生成位移信号；根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制、相位补偿和扰动补偿，生成总控制信号；对所述总控制信号进行信号放大，以便控制所述电机的转子恢复到平衡位置。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制、相位补偿和扰动补偿，生成总控制信号，具体包括：根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制生成第一控制信号；在所述电机的转子的一阶和二阶邻近转速时根据所述第一控制信号生成第二控制信号，所述第二控制信号为对所述第一控制信号施加的相位补偿控制信号；根据所述位移信号和所述总控制信号计算系统中的扰动量，生成第三控制信号，所述第三控制信号为所述总控制信号的前馈扰动补偿控制信号；将所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号三者线性相加的结果，确定为所述总控制信号。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述位移信号进行比例-积分-微分控制生成第一控制信号，具体包括：利用公式Up(k)＝KpE(k)，计算比例通道的第一输出信号UP(k)，其中E(k)表示控制信号、Kp为比例系数；利用公式Ui(k)＝KiE(k)+Ui(k-1)，计算积分通道的第二输出信号Ui(k)，其中E(k)表示控制信号、Ki为积分系数；利用公式Ud(k)＝Kd1[E(k)-E(k-1)]+Kd2Ud(k-1)，计算不完全微分通道的第三输出信号Ud(k)，其中E(k)表示控制信号、Kd1、Kd2为不完全微分的两个控制系数系数；利用公式UN(k)＝Up(k)+Ui(k)+Ud(k)，计算比例-积分-微分控制的总输出信号UN(k)，确定为所述第一控制信号。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述位移信号和所述总控制信号计算系统中的扰动量，生成第三控制信号，具体包括：采用扩展状态观测器计算系统中的扰动量，所述扩展状态观测器为如下形式：其中，z1(k)为所述扩展状态观测器第k次估计的系统输出，对应转子的位置；y(k)为第k次系统的实际输出，相应的ε(k)为第k次估计的误差；z2(k)为所述扩展状态观测器第k次估计的系统输出的一阶导数，对应转子的速度；z3(k)是所述扩展状态观测器估计出的外界扰动量，β1、β2、β3是输出校正系数；h为积分步长，fal是非线性函数，fal是非线性函数；根据计算的所述扰动量z3(k)，生成第三控制信号，用于完成对外界扰动的补偿。5.一种磁悬浮电机转子的控制系统，其特征在于，所述系统包括：位移信号获取模块，用于获取所述磁悬浮电机转子偏移平衡位置的位移量...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪历，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32