一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法，属于永磁同步电机协调控制技术领域。该控制方法包括如下步骤：（1）先确定负载突变时发电机转子振动和直轴电流之间的关系；（2）建立发电机直轴电流与磁轴承电励磁绕组电流之间的预测控制模型；（3）得到预测值后，采用负载前馈的方法，经过比例积分和比例谐振整定，输入到永磁发电机矢量控制器，实现发电机负载突变时的转子振动抑制控制。本发明专利技术降低了发电机转子振动，提高了不同情况下协调控制系统的稳定性和动态调节性能，建立了基于强机电耦合系统的磁轴承和发电机协调控制理论。

A coordinated control method of damping force and vibration force of tapered magnetic bearing for permanent magnet generator

【技术实现步骤摘要】
一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法
本专利技术公开了一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法，属于永磁同步电机协调控制

技术介绍
航空发动机作为飞机的推进装置，同时还需为飞机系统提供电源、环控引气以及液压装置驱动力。对于传统发动机，燃油泵、滑油泵以及发电机等附件通过附件机匣提取发动机功率，这种功率提取方式导致发动机结构变得复杂。而在传统发动机基础上改进的多电发动机，采用内置式整体起动/发电机为发动机和飞机提供所需的电源，用全电气化传动附件取代机械液压式传动附件，发动机的控制系统也由集中式全权限数字电子控制系统改为分布式控制系统，发动机的燃油泵、滑油泵和作动器也改为电力驱动。目前，美国和欧洲都在研究多电航空发动机，其为集起动机和发电机功能于一体的电机。在发动机稳定工作前作为电起动机工作，将发动机带转到一定转速，在发动机供油点火燃烧并进入稳定工作状态后，发动机反过来带动电机，使其成为发电机，向飞机和发动机用电设备供电。由于多电航空发动机取消了附件机械传动部分，使得发动机的重量大大减轻，迎风面积减小，同时也易于获得更大的电功率。该新技术的应用大大减轻了机载设备的重量，能满足现代飞机对功率电源的需求，因而是发动机附件的一个重要发展趋势。但是由于发动机转子的不平衡力、机械结构的不对称及相互摩擦等原因导致的振动，使得转轴出现多种振动模态。同时，涡轮轴处的空气动力转矩会引起传动系统的转矩波动，当空气动力转矩和发电机转矩之间存在转矩差时，引起转轴扭动导致转轴变形，形成不平衡扭转振动。转动轴两端的不平衡扭矩力会影响转动轴寿命，同时引起发动机电气负载突变，引起转子轴系振动。
技术实现思路
本专利技术提出一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法，研究磁轴承振动力和永磁发电机阻尼力的协调控制机理。研究发动机负载突变时的转子振动抑制方法，以降低磁轴承转子振动位移为目标，首先研究负载突变时发电机转子振动和直轴电流之间的关系；其次建立发电机直轴电流与磁轴承电励磁绕组电流之间的预测控制模型；最后提出发电机负载突变时的转子振动抑制控制策略。以降低发电机转子振动、输出电能质量不变为目标，首先研究发动机转子振动与发电机直轴电流之间的数学关系；其次研究发电机转子振动产生的偏心对不平衡径向力、定子绕组电感和反电势的影响规律；最后建立基于强机电耦合系统的磁轴承和发电机协调控制理论。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法，包括如下步骤：(1)先确定负载突变时发电机转子振动和直轴电流之间的关系；(2)建立发电机直轴电流与磁轴承电励磁绕组电流之间的预测控制模型；(3)得到预测值后，采用负载前馈的方法，经过比例积分(PI)和比例谐振(PR)整定，输入到永磁发电机矢量控制器，实现发电机负载突变时的转子振动抑制控制。步骤(1)的具体过程如下：根据Lagrange方程得到转子动力学微分方程，在此基础上推导出磁轴承处转子位移变化量与发电机电流之间非线性的传递关系，建立了永磁发电机径向不平衡力与电磁转矩的耦合关系。步骤(2)的具体过程如下：根据当前采样值Δid(n)及在该采样时刻之前不同时刻的采样值Δid(n-3)、Δid(n-2)、Δid(n-1)生成原始数据列，建立灰色预测的白化方程，求得微分方程的解，再作一次累减生成得到预测值。步骤(2)中所述预测值精度较低的话，通过预测值校正模块，得到最终的预测值Δid′。步骤(3)中所述负载前馈的方法为将磁轴承位移突变量或发电机功率突变量，结合所述灰色预测的白化方程，前馈至对应的电流控制环路，抑制动态工况下的转子轴系振动位移。本专利技术的有益效果如下：本专利技术所提出的一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法，解决了永磁发电机径向不平衡力与电磁转矩的耦合问题，消除或削弱发动机电气负载突变对转子轴系振动的影响，抑制了发动机工况突变引起的转子轴系的输出功率振荡。附图说明图1(a)为传统航空发动机二次能源功率提取方式图，图1(b)多电航空发动机二次能源功率提取图。图2为永磁偏置锥形磁轴承振动力和永磁发电机阻尼力协调控制系统图。图3(a)为不同偏心下电机绕组电感波形图，图3(b)为不同偏心下电机反电势波形图，图3(c)为不同偏心下电机反电势傅里叶分解对比图。图4为振动位移及振动交叉预测模型图。图5为锥形磁轴承振动力与永磁发电机阻尼力的协调控制框图。图中标号说明：Ω1、Ω2分别是模拟质量块1和模拟质量块2的转速；ix11、ix12、ix21、ix22、iy11、iy12、iy21、iy22分别为磁轴承X、Y绕组电流；ia、ib、ic为三相绕组电流；x11、x12、y11、y12代表磁轴承位移量；Δx1、Δx2、Δy1、Δy1表示磁轴承径向位移变化量、Δz表示磁轴承轴向位移变化量、Δr为发电机不平衡径向位移变化量、Δθ为发电机不平衡扭转位移变化量；U*dc为输出直流电压；Iq、Id分别表示发电机交轴电流和直轴电流反馈量、分别表示发电机交轴电流和直轴电流输入量、分别表示预测电流前馈量；UDC、UDC*分别表示发电机交轴电流和直轴电流输入量；Frx、Fry分别表示水平方向和竖直方向上的径向力；D1、D4、D12代表占空比；PI代表比例积分控制器；PR比例谐振控制器；T、P为控制系数。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的和技术方案更加清楚，附上本专利技术实施例的图如下，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，为二次能源不同功率提取方式对比图。图1(a)代表传统航空发动机，发动机一方面输出推力，作为飞机的一次能源；同时通过提取轴将机械能转化为可向飞机上的各种设备提供包括电能、液压能和气压能等形式的二次能源。但近年来，随着多电/全电飞机的发展，飞机电功率需求量越来越大，出现了多电航空发动机如图1(b)。多电航空发动机是以传统航空燃气涡轮发动机为基础，配装主动磁性轴承、内置一体化起动机/发电机、分布式电子控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新部件和系统的一种新型航空发动机。多电发动机取消了传动轴、齿轮、提取轴等机械单元，采用多电发动机转轴、磁悬浮轴承及起动发电机的集成一体化共轴设计方式，使得“电气负荷-发电机”的电气系统和“发动机传动转子-发电机旋转转子”机械系统紧密耦合在一起。这种使多电发动机具有结构更紧凑、重量更轻、性能更高、维修性与适应性更好、可靠性更高、运行和维护费用更低等突出技术优势。如图2所示，为永磁偏置锥形磁轴承振动力和永磁发电机阻尼力协调控制系统图。磁轴承振动力和发电机阻尼力的协调控制系统采用新型永磁偏置磁悬浮轴承结构，并结合永磁发动机。该系统采用锥形磁轴承的振动力主动控制技术消本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)先确定负载突变时发电机转子振动和直轴电流之间的关系；/n(2)建立发电机直轴电流与磁轴承电励磁绕组电流之间的预测控制模型；/n(3)得到预测值后，采用负载前馈的方法，经过比例积分和比例谐振整定，输入到永磁发电机矢量控制器，实现发电机负载突变时的转子振动抑制控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)先确定负载突变时发电机转子振动和直轴电流之间的关系；
(2)建立发电机直轴电流与磁轴承电励磁绕组电流之间的预测控制模型；
(3)得到预测值后，采用负载前馈的方法，经过比例积分和比例谐振整定，输入到永磁发电机矢量控制器，实现发电机负载突变时的转子振动抑制控制。


2.根据权利要求1所述的一种永磁发电机阻尼力与锥形磁轴承振动力协调控制方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：根据Lagrange方程得到转子动力学微分方程，在此基础上推导出磁轴承处转子位移变化量与发电机电流之间非线性的传递关系，建立了永磁发电机径向不平衡力与电磁转矩的耦合关系。


3.根据权利要求1所述的一种永磁发电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝振洋，高宇，曹鑫，甘渊，陈华杰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32