一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法，该方法包括如下步骤：首先建立考虑转子动不平衡的磁悬浮转子动力学模型，然后采用基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法。其中，双通道陷波器能精确抑制同频振动力矩，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。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双通道陷波器控制器结构简单，在实际应用中很方便，适用于存在转子动不平衡的磁悬浮控制力矩陀螺同频振动力矩的抑制。频振动力矩的抑制。频振动力矩的抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法


[0001]本专利技术涉及磁悬浮控制力矩陀螺振动抑制的
，具体涉及一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法，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同频振动力矩进行抑制，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，响应速度快的特点，是敏捷机动卫星的理想姿态控制执行机构。磁悬浮控制力矩陀螺使用主动磁轴承实现转子的无接触支撑，具有无摩擦，高转速等优点，并且可实现主动振动控制。MSCMG在未来超敏捷机动卫星上具有广阔的应用前景。
[0003]由于转子质量不平衡的存在使几何轴和惯性轴发生偏转和偏移，当转子高速旋转时会产生同频振动。转子质量不平衡分为静不平衡和动不平衡，静不平衡会产生同频振动力，动不平衡会产生同频振动力矩。同频振动力和力矩会造成超敏捷机动卫星的性能下降，因此对同频振动力和力矩进行抑制是磁轴承技术应用的一项亟待解决的关键性技术。
[0004]消除系统的同频电流可以降低大部分同频振动，对特定频率进行抑制，常用的方法有LMS算法，自适应陷波器，谐振控制器等。抑制线圈电流可以实现对绝大部分振动的抑制，但是仍有部分残余位移刚度力存在。并且很多方法是针对同频振动力抑制，同频振动力矩由于转子高速下的强陀螺效应，使得X方向和Y方向具有耦合，给抑制算法的设计带来了难度，对于振动力矩抑制的研究仍有待深入。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的为：克服现有技术的不足，提供一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法，通过使用电流和位移根据电磁力模型构造出的振动力矩作为控制算法输入，可以实现同频力矩的完全抑制，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，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。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤(1)：以振动力矩为抑制目标，建立包含转子动不平衡的磁悬浮转子动力学模型；
[0008]步骤(2)：基于步骤(1)中建立的动力学模型，设计改进双通道相移陷波器，在改进双通道相移陷波器中加入相位补偿角和阻尼因子，并使用复系数简化，得到双通道陷波器复系数传递函数，以电流和位移构造同频振动力矩为输入，通过调节双通道陷波器中的收敛因子与阻尼因子的比值，使双通道陷波器在转子转速同频处产生预定的增益，将双通道陷波器以反馈形式接入磁悬浮转子控制系统中实现同频量的有效抑制；
[0009]步骤(3)：基于步骤(2)中得到的双通道陷波器复系数传递函数，确定加入改进双通道相移陷波器后磁悬浮转子控制系统的稳定条件；根据稳定条件，设计相位补偿角，通过相位补偿角保证工作转速范围内的磁悬浮转子控制系统稳定性，完成磁悬浮转子全转速范围内的同频振动力矩抑制。
[0010]所述步骤(1)中，磁悬浮转子磁轴承系统包含四对径向磁轴承和四对径向位移传感器。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。
[0011]设α和β分别是转子惯性轴在径向偏转两自由度的位移。由牛顿第二定律可以得到径向偏转自由度的动力学模型，表示如下：
[0012][0013][0014]其中，J
x
和J
y
是径向转动惯量，J
z
是轴向转动惯量。M
x
和M
y
是径向磁轴承提供的力矩，Ω是高速转子旋转转速。
[0015]由磁轴承电磁力近似线性化公式可知电磁力矩表达式如下：
[0016]M
x
＝(f
by
‑
f
ay
)l
m
＝[K
i
(i
by
‑
i
ay
)+K
h
(x
by
‑
x
ay
)]l
m
[0017]M
y
＝(f
ax
‑
f
bx
)l
m
＝[K
i
(i
ax
‑
i
bx
)+K
h
(x
ax
‑
x
bx
)]l
m
[0018]其中，f
ax
，f
bx
，f
ay
和f
by
是四对径向磁轴承的轴承力。l
m
是磁轴承所在平面距转子质心平面的距离。K
i
和K
h
分别表示电流刚度和位移刚度。i
ax
，i
ay
，i
bx
和i
by
是四对磁轴承线圈电流。x
ax
，x
ay
，x
bx
和x
by
是转子几何轴在四对径向磁轴承处的位移。
[0019]由于动不平衡量的存在，使得转子几何轴与惯性轴不重合。动不平衡造成的干扰可以表示如下：
[0020]Θ
α
＝e cos(Ωt+χ)
[0021]Θ
β
＝e sin(Ωt+χ)
[0022]其中，Θ
α
，Θ
β
表示动不平衡量，e表示动不平衡幅值，χ表示动不平衡初始相位。
[0023]由几何关系可知，磁轴承处位移与惯性轴偏转角位移的关系为：
[0024][0025][0026]同理，位移传感器处的转子位移与惯性轴偏转角位移关系为：
[0027][0028][0029]其中，l
s
是传感器所在平面距转子质心平面的距离。s
ax
，s
bx
，s
ay
，s
by
是四对位移传感器处的位移。
[0030]A、B两端位移传感器信号差分得出输出角位移，具体如下：
[0031]s
α
(s)＝s
by
K
s
‑
s
ay
K
s
＝2K
s
l
s
(β+Θ
α
)
[0032]s
β
(s)＝s
ax
K
s
‑
s
bx
K
s
＝2K
s
l
s
(β+Θ
β
)
[0033]其中，s
α
(s),s
β...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)：以振动力矩为抑制目标，建立包含转子动不平衡的磁悬浮转子动力学模型；步骤(2)：基于步骤(1)中建立的动力学模型，设计改进双通道相移陷波器，在改进双通道相移陷波器中加入相位补偿角和阻尼因子，并使用复系数简化，得到双通道陷波器复系数传递函数，以电流和位移构造同频振动力矩为输入，通过调节双通道陷波器中的收敛因子与阻尼因子的比值，使双通道陷波器在转子转速同频处产生预定的增益，将双通道陷波器以反馈形式接入磁悬浮转子控制系统中实现同频量的有效抑制；步骤(3)：基于步骤(2)中得到的双通道陷波器复系数传递函数，确定加入改进双通道相移陷波器后磁悬浮转子控制系统的稳定条件；根据稳定条件，设计相位补偿角，通过相位补偿角保证工作转速范围内的磁悬浮转子控制系统稳定性，完成磁悬浮转子全转速范围内的同频振动力矩抑制。2.根据权利要求1所述的一种基于双通道陷波器的磁悬浮转子同频振动力矩抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，建立包含转子动不平衡的磁悬浮转子动力学模型如下：其中，α和β分别是转子惯性轴在径向偏转两自由度的位移；J
x
和J
y
是径向转动惯量，J
z
是轴向转动惯量；M
x
和M
y
是径向磁轴承提供的力矩；Ω是高速转子旋转转速；f
ax
，f
bx
，f
ay
和f
by
是四对径向磁轴承的轴承力；l
m
是磁轴承所在平面距转子质心平面的距离；K
i
和K
h
分别是电流刚度和位移刚度；i
ax
，i
ay
，i
bx
和i
by
是四对磁轴承线圈电流；Θ
α
，Θ
β
是动不平衡量，分别为：Θ
α
＝ecos(Ωt+χ)Θ
β
＝esin(Ωt+χ)其中，e表示动不平衡幅值，χ表示动不平衡初始相位；由此可见，转子动不平衡表现...

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