一种基于多重相移准谐振控制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多重相移准谐振控制MQRSC(Multiple Quasi‑Resonant Control with Phase‑Shift,MQRSC)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，然后采用基于MQRSC控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法。其中，MQRSC由多个准谐振控制器组成，各个准谐振控制器分别对应转子系统中各个倍频处的谐波电流分量。这种控制方法可以提高系统的稳定性和对于电流抑制的动态性能。本发明专利技术中准谐振控制器数学形式简单并且固定，在实际应用中很方便。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】
一种基于多重相移准谐振控制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
，具体涉及一种基于多重相移准谐振控制MQRSC(MultipleQuasi-ResonantControlwithPhase-Shift,MQRSC)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，采用磁悬浮轴承的CMG具有以下四个方面的优点：首先，高速转子和定子之间没有接触和磨损，可以大幅提高转子转速，同时可以实现长寿命；其次，通过改变电磁线圈电流控制策略可以获得轴承刚度和阻尼，从而抑制各种激振；同时，可以通过软件算法主动振动控制消除转子剩余的全频段不平衡振动，获得极低的振动干扰噪声；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，这样可以获得更高力矩输出精度。磁悬浮CMG依据支承的转子的磁轴承主动控制自由度数量，可以分为主被动磁悬浮CMG和全主动磁悬浮CMG和两大类。对于一个实际转子系统，稳定地悬浮运转着的转子至少需对其五个自由度的运动(四个径向与一个轴向运动，绕轴的转动除外)实施有效的悬浮和控制。主被动磁悬浮CMG部分自由度由主动磁轴承(ActiveMagneticBearing,AMB)控制，剩余部分由被动磁轴承(PassiveMagneticBearing,PMB)实现无源稳定悬浮，而全主动磁悬浮CMG五个自由度全部由AMB提供控制。相对于全主动磁悬浮CMG来说，主被动磁悬浮CMG功耗、结构复杂性、体积重量等有很大的降低，适合于对质量较为敏感的低功耗、高精度的敏捷机动型卫星应用场合。而全主动CMG由于五个自由度完全主动可控，控制精度会大幅度提高，振动抑制能力得到增强。单框架磁悬浮CMG(SingleGimbalCMG,SGCMG)作为一种航天器姿态控制系统的执行机构，利用陀螺效应通过改变角动量的方向来实现其控制功能。SGCMG有两个伺服电机，一个负责储存角动量，另一个用于驱动框架产生控制力矩，因而具有结构简单、更高转速、控制力矩变化范围大、系统效能高以及输出力矩可放大的特性。SGCMG的输出力矩在某一瞬时仅限于单自由度，因此，至少需要三个才能实现航天器三自由度姿态控制。双框架磁悬浮CMG(DoubleGimbalCMG,DGCMG)具有内环和外环两个框架，内、外环转轴相互垂直。由于转子轴可绕内、外环转动，因此不具有输出力矩放大作用。DGCMG可以提供两个自由度的陀螺输出力矩，只需两个即可实现三自由度姿态控制，节省了姿态控制系统的功耗、质量以及体积等，综合效益高，并紧密结合磁悬浮长寿命、微振动的优势，国际空间站就采用了四个DGCMG实现冗余三轴姿态控制。然而，DGCMG结构复杂且输出力矩传递和框架运动有关，导致其可靠性不高。国际空间站上的四个DGCMG有三个出过故障。综上所述，基于AMB的高精度长寿命大型全主动SGCMG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。然而尽管有许多优点，由转子不平衡质量、传感器谐波和磁轴承的非线性引起的谐波电流，会引起谐波振动，其振动频率为转子旋转频率的整数倍，将导致转子产生不必要的谐波振动。特别是在太空中，产生的振动损害了船上精密指示设备的性能。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，主要有多陷波器、多LMS滤波器，重复控制RC以及谐振控制RSC等。但多陷波器、多LMS滤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；重复控制RC重复控制试图补偿所有重复频率成分，基频分量和所有高阶谐波。在大多数实际应用中，低阶谐波通常占谐波干扰的绝大多数，因此这是不必要的。如果控制系统受到这些占主导地位的谐波的扰动，就足以补偿这些低阶占主导地位的频率分量。因此，RC不能最好地抑制选择性谐波和瞬态响应可能是缓慢的。而谐振控制RSC则是通过在控制环中引入有限维谐波信号的内模实现系统零静态误差的一种方法，可以选择性地抑制谐波频率，其动态响应也非常使人满意。同时准谐振控制还能提高对于实际系统中无法避免的频率波动的鲁棒性，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，控制器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，提出了一种基于多重相移准谐振控制的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，通过并联多个准谐振控制器，不但能使系统抑制掉主导谐波分量，提高动态响应速度，而且使得系统对于频率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：一种基于多重相移准谐振控制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全主动磁悬浮转子动力学模型全主动磁轴承控制系统一般包括磁轴承控制器、功率放大器、径向磁铁、轴向磁铁、磁悬浮转子和位移传感器。磁悬浮转子系统五个自由度均由主动可控的永磁偏置混合磁轴承控制，包括两个径向磁轴承、轴向磁轴承、四对径向位移传感器、一对轴向位移传感器、磁悬浮转子以及保护轴承。径向磁轴承和径向位移传感器分别对称分布于转子两端；转子沿两径向的两自由度平动和转动由径向磁轴承和径向位移传感器进行。一对轴向磁轴承和轴向位移传感器控制着转子沿轴向方向进行测量与控制。在不考虑转子轴向平动时，针对径向磁轴承系统，建模如下：根据牛顿第二定律，磁悬浮转子在径向的基本动力学方程如下：其中，M为广义质量矩阵，G为陀螺矩阵，f为径向磁轴承轴承力矢量，hI表示磁轴承惯性轴沿径向的位移。对于全主动永磁偏置混合磁轴承轴承力f由位移刚度力和电流刚度力两部分合成。当转子悬浮在平衡位置附近做小位移运动时，对非线性轴承力方程进行Taylor展开得到线性化方程为：f＝KiI+Khhg其中，Kh、Ki分别为磁轴承系统位移刚度系数阵和电流刚度系数阵，I为径向磁轴承线圈电流矢量，hg表示磁轴承几何轴沿径向的位移。假设磁悬浮转子给定任意悬浮位置为0，磁轴承控制器和功率放大器采用线性模型，则电流I可表示为：I＝-kadGw(s)Gc(s)hs其中，Gc(s)为反馈控制器的传递函数矩阵，Gw(s)为功率放大器的传递函数矩阵，kad为AD采样的放大倍数，hs表示径向位移传感器输出的转子几何轴位移。根据以上分析，磁轴承控制系统基本动力学方程为：定义转子不平衡为：Δh＝hg-hI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，传感器谐波表示为hsr，则位移传感器输出信号可表示为hss＝Kshg+hsr其中，Ks为位移传感器传递函数。结合以上分析，可得含转子不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学方程有：由上式可知，磁悬浮转子动力学方程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多重相移准谐振控制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全主动磁轴承控制系统一般包括磁轴承控制器、功率放大器、径向磁铁、轴向磁铁、磁悬浮转子和位移传感器，磁悬浮转子系统五个自由度均由主动可控的永磁偏置混合磁轴承控制，包括两个径向磁轴承、轴向磁轴承、四对径向位移传感器、一对轴向位移传感器、磁悬浮转子以及保护轴承，径向磁轴承和径向位移传感器分别对称分布于转子两端；转子沿两径向的两自由度平动和转动由径向磁轴承和径向位移传感器进行，一对轴向磁轴承和轴向位移传感器控制着转子沿轴向方向进行测量与控制；在不考虑转子轴向平动时，针对径向磁轴承系统，建模如下：根据牛顿第二定律，磁悬浮转子在径向的基本动力学方程如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于多重相移准谐振控制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全主动磁轴承控制系统一般包括磁轴承控制器、功率放大器、径向磁铁、轴向磁铁、磁悬浮转子和位移传感器，磁悬浮转子系统五个自由度均由主动可控的永磁偏置混合磁轴承控制，包括两个径向磁轴承、轴向磁轴承、四对径向位移传感器、一对轴向位移传感器、磁悬浮转子以及保护轴承，径向磁轴承和径向位移传感器分别对称分布于转子两端；转子沿两径向的两自由度平动和转动由径向磁轴承和径向位移传感器进行，一对轴向磁轴承和轴向位移传感器控制着转子沿轴向方向进行测量与控制；在不考虑转子轴向平动时，针对径向磁轴承系统，建模如下：根据牛顿第二定律，磁悬浮转子在径向的基本动力学方程如下：其中，M为广义质量矩阵，G为陀螺矩阵，f为径向磁轴承轴承力矢量，hI表示磁轴承惯性轴沿径向的位移；对于全主动永磁偏置混合磁轴承轴承力f由位移刚度力和电流刚度力两部分合成，当转子悬浮在平衡位置附近做小位移运动时，对非线性轴承力方程进行Taylor展开得到线性化方程为：f＝KiI+Khhg其中，Kh、Ki分别为磁轴承系统位移刚度系数阵和电流刚度系数阵，I为径向磁轴承线圈电流矢量，hg表示磁轴承几何轴沿径向的位移；假设磁悬浮转子给定任意悬浮位置为0，磁轴承控制器和功率放大器采用线性模型，则电流I可表示为：I＝-kadGw(s)Gc(s)hs其中，Gc(s)为反馈控制器的传递函数矩阵，Gw(s)为功率放大器的传递函数矩阵，kad为AD采样的放大倍数，hs表示径向位移传感器输出的转子几何轴位移；根据以上分析，磁轴承控制系统基本动力学方程为：定义转子不平衡为：Δh＝hg-hI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，传感器谐波表示为hsr，则位移传感器输出信号可表示为：hss＝Kshg+hsr其中，Ks为位移传感器传递函数；结合以上分析，可得含转子不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学方程有：由上式可知，磁悬浮转子动力学方程是以转子惯性轴位移hI、磁悬浮转子几何轴位移hg和hs为变量的，由于存在质量不平衡以及传感器谐波等振动源的存在，导致这些变量与真值之间存在一定偏差，分析振动的原因可以大致归为：(1)当转子不平衡量存在时，使得磁悬浮转子的几何轴和惯性轴不重合，由于转子动力学方程的变量是相对于磁悬浮惯性轴位移的，从而产生不平衡振动力和力矩；(2)当传感器检测面的中心线与其电性能中心线、传感器电性能中心线与磁悬浮转子几何轴不一致时，就会引起谐波振动；步骤(2)：设计基于多重相移准谐振控制MQRSC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预稳定闭环系统，这将极大方便控制器的设计，具体地，将线圈电流i作为误差信号输入至MQRSC控制器模块，其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和主要谐波频率成分；选择要抑制的谐波频率点，根据准谐振控制器的一般形式，得到相应频率点处谐振控制器的离...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔培玲，张国玺，刘志远，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