一种基于多同步旋转坐标变换的谐波振动力抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多同步坐标变换方法的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，该方法包括如下步骤：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MSRFT的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法。其中，MSRFT能精确抑制谐波振动力，使用一个控制器同时抑制X和Y方向的振动，较小硬件计算资源，加速抑制的动态过程。同时，引入相位补偿角可以保证系统在更大频率范围的绝对稳定性。本发明专利技术中的MSRFT控制器结构简单，在实际应用中很方便，能对磁悬浮转子中谐波振动力进行抑制，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振动力的抑制。转子系统谐波振动力的抑制。转子系统谐波振动力的抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多同步旋转坐标变换的谐波振动力抑制方法


[0001]本专利技术涉及磁悬浮转子谐波振动力抑制的
，具体涉及一种基于多同步旋转坐标变换方法的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，用于对磁悬浮控制力矩陀螺转子系统在全工作转速范围内的谐波振动力进行抑制，为磁悬浮控制力矩陀螺在“超静”、“超稳”卫星平台上的应用提供技术支持。

技术介绍

[0002]控制力矩陀螺具有输出力矩大，响应速度快等优点，已经成为了高性能卫星的关键姿态控制惯性执行机构。相比于传统机械轴承，主动磁轴承可实现转子的无接触支撑，因此具有无摩擦，无需润滑，高转速等优点，并且主动振动可控。磁悬浮控制力矩陀螺相较于传统机械陀螺具有微振动的特点，已在高性能卫星上广泛使用。
[0003]但是由于转子的机械加工误差和传感器测量误差，磁悬浮控制力矩陀螺也不可避免的存在一些振动。其中两个主要振动源是转子质量不平衡和传感器谐波，质量不平衡表现为转子的几何中心和质量中心的不重合，当转子高速旋转时会产生较大的离心力，其幅值随着旋转速度的增加而增大，频率与转频相同；传感器谐波来源于测量表面圆度误差，使得位移传感器的输出信号中含有与转速同频和倍频的谐波干扰，使得主动磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承电磁线圈产生同频和倍频的谐波电流，从而产生谐波振动力。这些谐波振动力通过基座传递给卫星平台，使得卫星的指向精度和姿态稳定度受到严重影响。
[0004]为了解决这些振动，传统的方法是使用机械隔振装置，通过添加物理装置将振动源隔离开，一方面隔振装置价格昂贵，体积庞大，并且不便于维修保养，随着使用时间的增长，其减振性能必然受到影响；另一方面，隔振装置并不能使振动消除，而是将低频高幅的振动转化为高频低幅，振动的能量没有得到消减。因此，对磁悬浮控制力矩陀螺进行主动振动控制，通过振动控制算法消除振动是一个有效解决振动的方法。
[0005]磁悬浮控制力矩陀螺主动振动控制算法主要有陷波器，谐振控制器，重复控制器以及LMS等，重复控制器是一种处理谐波干扰的有效方法，但是重复控制具有响应速度慢的不足，LMS算法的计算量较大，不易于实现，陷波器和谐振控制器虽然结构简单，但在处理多个频率时需要多个控制器并联，增加了系统的计算负担。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的为：克服现有技术的不足，提出了一种基于多同步旋转坐标变换方法的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，通过使用电流和位移根据电磁力模型构造出的轴承力作为控制算法输入，可以实现振动力的完全抑制，利用X、Y方向信号的正交特性可以一个控制器同时抑制两个方向的振动力，减小了计算资源，提高了动态响应速度，通过引入相位补偿角在不同频段对相位进行补偿，实现了全工作频段的绝对稳定。
[0007]本专利技术采用的技术方案为：一种基于多同步坐标变换方法的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，包括以下步骤：
[0008]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
[0009]本专利技术的应用对象为磁悬浮控制力矩陀螺中的主动磁轴承系统。设N是定子几何中心，NXY是惯性坐标系，C和O分别是转子的质量中心和几何中心，Oεη是旋转坐标系。本专利技术主要是针对径向平动两自由度的振动力的抑制，因此仅考虑平动两自由度的建模。由牛顿第二定律得到如下动力学方程：
[0010][0011]其中m是转子质量，x(t),y(t)分别表示转子质量中心在X方向和Y方向的平动位移，f
x
(t),f
y
(t)分别是X方向和Y方向的轴承力合力，f
ax
(t),f
bx
(t),f
ay
(t),f
by
(t)是四对径向磁轴承的轴承力。转子小位移运动时，非线性轴承力可以近似线性化，可以表示如下：
[0012][0013]其中K
i
,K
h
分别为电流刚度和位移刚度，i
ax
(t),i
bx
(t),i
ay
(t),i
by
(t)为四对径向磁轴承线圈电流，x
a
(t),x
b
(t),y
a
(t),y
b
(t)为轴承坐标系下位移；下标a、b表示转子系统的A、B两端；
[0014]由于质量不平衡使几何中心与质量中心不重合，位移传感器测得为转子几何中心位移，有如下关系：
[0015]X(t)＝x(t)+Θ
x
(t)
[0016]Y(t)＝y(t)+Θ
y
(t)
[0017]其中X(t),Y(t)分别表示几何中心位移，由几何关系可得：
[0018][0019][0020]Θ
x
(t),Θ
y
(t)表示不平衡量，有如下形式：
[0021]Θ
x
(t)＝ecos(Ωt+χ)
[0022]Θ
y
(t)＝esin(Ωt+χ)
[0023]e是不平衡量幅值，χ是初始相位，Ω是转子旋转转速。可以看出质量不平衡会产生同频干扰信号，使主动磁轴承产生同频振动力。
[0024]由于位移传感器存在传感器谐波，使四对位移传感器输出信号不是转子真实位移信号，位移传感器提供信号如下：
[0025][0026]x
as
(t),x
bs
(t),y
as
(t),y
bs
(t)是位移传感器输出信号；d
axs
(t),d
bxs
(t),d
ays
(t),d
bys
(t)是传感器谐波干扰信号，可以表示如下：
[0027][0028]其中s
ai
,s
bi
是传感器谐波幅值，χ
i
是初始相位，i是谐波阶数，传感器谐波会产生与转速同频和倍频的干扰信号，使磁轴承系统产生谐波振动力。
[0029]步骤(2)设计一种基于多同步旋转坐标变换方法的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法
[0030]控制器以同频振动力和倍频电流作为输入，以并联的形式接入原闭环系统，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：
[0031]①
多同步旋转坐标变换方法：根据实际磁悬浮转子系统产生同频和倍频的振动力的不同形式，同频振动包括电流刚度力和位移刚度力，倍频振动仅包含电流刚度力；根据系统电磁力的模型，使用电流和位移构造同频振动力作为多同步旋转坐标变换同频力抑制部分的输入，倍频振动可通过抑制倍频电流实现抑制，因此将电流作为倍频力抑制部分的输入；
[0032]②
通过理论分析和证明，得到多同步旋转坐标变换的系统的稳定条件；根据实际磁悬浮转子系统的闭环特性，设计相应的相位补偿角，通过相位补偿角实现工作转速范围内的系统绝对稳定性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多同步坐标变换方法的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，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对于磁悬浮控制力矩陀螺中的主动磁轴承系统，设N是定子几何中心，NXY是惯性坐标系，C和O分别是转子的质量中心和几何中心，Oεη是旋转坐标系，针对径向平动两自由度的振动力的抑制，进行平动两自由度的建模；由牛顿第二定律得到如下动力学方程：其中m是转子质量，x(t),y(t)分别表示转子质量中心在X方向和Y方向的平动位移，f
x
(t),f
y
(t)分别是X方向和Y方向的轴承力合力，f
ax
(t),f
bx
(t),f
ay
(t),f
by
(t)是四对径向磁轴承的轴承力，转子进行小于预定阈值的位移运动时，非线性轴承力近似线性化表示如下：其中K
i
,K
h
分别为电流刚度和位移刚度，i
ax
(t),i
bx
(t),i
ay
(t),i
by
(t)为四对径向磁轴承线圈电流，x
a
(t),x
b
(t),y
a
(t),y
b
(t)为轴承坐标系下位移；下标a、b表示转子系统的A、B两端；由于质量不平衡使几何中心与质量中心不重合，位移传感器测得为转子几何中心位移，有如下关系：X(t)＝x(t)+Θ
x
(t)Y(t)＝y(t)+Θ
y
(t)其中X(t),Y(t)分别表示几何中心X方向和Y方向位移，由几何关系可得：其中X(t),Y(t)分别表示几何中心X方向和Y方向位移，由几何关系可得：Θ
x
(t),Θ
y
(t)表示不平衡量，有如下形式；Θ
x
(t)＝ecos(Ωt+χ)Θ
y
(t)＝esin(Ωt+χ)e是不平衡量幅值，χ是初始相位，Ω是转子旋转转速，质量不平衡会产生同频干扰信号，使主动磁轴承产生同频振动力；由于位移传感器存在传感器谐波，使四对位移传感器输出信号不是转子真实位移信号，位移传感器提供信号如下：
x
as
(t),x
bs
(t),y
as
(t),y
bs
(t)是位移传感器输出信号；d
axs
(t),d
bxs
(t),d
ays
(t),d
bys
(t)是传感器谐波干扰信号，表示如下：其中s
ai
,s
bi
是传感器谐波幅值，χ
i
是初始相位，i是谐波阶数，n为谐波最高阶数，传感器谐波会产生与转速同频和倍频的干扰信号，使磁轴承系统产生谐波振动...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔培玲，杜亮，李金磊，李衍宾，吴阳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：