基于多谐波逆Park变换的磁悬浮转子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谐波逆Park变换的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，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，然后采用了基于MHIP控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法。该控制器使用逆Park变换的输出作为Park变换的输入，构建了虚拟正交信号解决了X和Y通道不能保持正交的问题。同时，提出一种改进闭环低通滤波器谐波检测的方法；最后，引入补偿相位角提高系统稳定裕度，保证了系统全转速范围内的稳定。本发明专利技术中的MHIP控制器结构简单，检测精度高，能对磁悬浮转子中的谐波振动力有效抑制，适用于存在质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子系统振动力抑制。传感器谐波的磁悬浮转子系统振动力抑制。传感器谐波的磁悬浮转子系统振动力抑制。

【技术实现步骤摘要】
基于多谐波逆Park变换的磁悬浮转子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抑制的
，具体涉及一种基于多谐波逆Park变换MHIP(Multi Harmonic Inverse Park,MHIP)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中的谐波振动力进行抑制，为实现磁悬浮转子在“超静超稳”卫星平台的惯性执行机构中的运用提供技术支撑。

技术介绍

[0002]磁悬浮控制力矩陀螺CMG(Control Moment Gyroscope，CMG)使用磁轴承作为转子的支撑装置，依靠电磁力将转子悬浮。相比于传统的机械轴承，磁轴承具有以下几方面的优点：首先，采用磁轴承制成的CMG在实现高转速的同时，控制了转子的小尺寸和低质量，保证了CMG的长寿命；再次，磁悬浮CMG具备可调刚度的特性，增大框架转动惯量，提高CMG力矩输出精度；最后，通过主动抑制算法进行主动振动控制，转子有更优异的减振性能。因此，磁悬浮控制力矩陀螺成为卫星平台惯性执行机构的理想选择，有着迫切的应用需求。
[0003]按照转子自由度的数量，磁悬浮CMG分为主被动磁悬浮CMG和全主动磁悬浮CMG。后者指的是CMG中五个自由度即径向平动、转动和轴向平动，全部由主动磁轴承控制，控制精度更高，振动抑制能力更强。但是磁悬浮控制力矩陀螺中，不可避免的存在持续、高频振动，表现为与转子转速同频和倍频的谐波振动力。分析其原因，主要由转子不平衡和传感器谐波引起。前者由转子质量的不平衡引起，后者由于传感器检测面的圆度误差、材质不理想、电磁特性不均匀等原因引起。
[0004]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，主要有并联多陷波器或多个LMS滤波器、重复控制RC算法等。但并联多陷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；而重复控制RC算法则无需并联多个滤波器便可实现对不同频率成分振动的同时抑制。重复控制RC算法是根据内模原理实现系统零静态误差的一种方法，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针对特定频段谐波抑制问题和系统的动态响应性能等问题。
[0005]针对磁轴承谐波的抑制大致分为零电流、零位移和零振动三种。现有技术主要集中在零电流方面，因为抑制电路的方式，功耗最小，结构稳定，不需要被控对象的数学模型，当参数发生摄动的时候也能有较好的鲁棒性，主要有滤波器、重复控制、干扰观测器等，但是由于负位移刚度力的存在往往会导致同频振动力有残余，针对零振动的直接抑制研究较少，因此有必要进行研究。同时，传统方法选择设计一个控制器进行双通道的谐波抑制，像同步旋转坐标法，虽然能够降低控制器的数量，但是实际情况下发现，双通道控制器需要两路信号正交的前提并不总是满足，因此在吸收现有技术优点的基础上，构建针对单通道的虚拟正交信号至关重要。

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，提供一种基于多谐波逆Park变换的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，通过设计同频和倍频逆Park变换控制器，实现磁悬浮转子任意定转速下振动力的快速、精确抑制。
[0007]本专利技术采用的技术方案为：一种基于多谐波逆Park变换的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，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，然后采用了基于MHIP控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法。该控制器使用逆Park变换的输出作为Park变换的输入，构建了虚拟正交信号解决了X和Y通道不能保持正交的问题。同时，提出一种改进闭环低通滤波器谐波检测的方法，解决了传统开环检测在高速范围内精度较低的问题。最后，引入补偿相位角提高系统稳定裕度，保证了系统全转速范围内的稳定。本专利技术中的MHIP控制器结构简单，检测精度高，能对磁悬浮转子中的谐波振动力有效抑制，适用于存在质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子系统振动力抑制。
[0008]具体包括以下步骤：
[0009]步骤(1)基于陀螺技术方程和牛顿第二定律，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
[0010]磁悬浮转子径向平动、转动和轴向平动五个自由度都由主动磁轴承控制。以磁悬浮转子平面与A、B两端的磁悬浮定子中心点连线的交点N作为坐标原点，建立广义坐标系。在该坐标系下，有磁悬浮转子惯性轴位移h
I
＝(x
I
,β
I
,y
I
,α
I
)
T
和几何轴位移h
g
＝(x
g
,β
g
,y
g
,α
g
)
T
。
[0011]根据牛顿第二定律，磁悬浮转子在径向X方向的动力学方程如下：
[0012][0013]其中，m是磁悬浮转子的质量，f
ax
和f
bx
是径向磁轴承两个通道在x方向的磁轴承力，f
x
为转子在x方向受到的磁轴承合力；
[0014]通常情况下，可认为转子悬浮在平衡位置时仅发生微小的位移运动，并且四个通道的磁轴承参数假设完全相同，因此对非线性磁轴承力方程进行Taylor展开得到近似的线性化方程为：
[0015]f
m
＝K
i
i
m
+K
h
h
m
[0016]其中，K
i
和K
h
分别为电流刚度系数和位移刚度系数，i
m
为径向磁轴承线圈电流，h
m
为磁轴承坐标系下转子的几何位移；
[0017]转子质量不平衡导致转子惯性轴和几何轴不重合而产生偏差，对于含有质量不平衡的转子系统，有：
[0018]h
g
＝h
I
+Δh
[0019]其中，h
I
为转子惯性轴位移，h
g
为转子几何轴位移，Δh为质量不平衡引起的位移扰动：
[0020][0021]其中，ε和χ表示静不平衡位移的幅值和初始相位；σ和δ表示动不平衡位移的幅值和初始相位；
[0022]由于在加工转子的过程中，机械精度误差和材料不均匀等因素的影响，位移传感器的检测面会有圆度不理想、材质不均匀和剩磁特性不同等状况，位移传感器输出信号带有同频和倍频的谐波干扰，因此传感器实际测得的位移h
ss
为：
[0023]h
ss
＝h
s
+h
sr
[0024]其中，h
sr
为传感器谐波，可以表示为：
[0025][0026]其中，s
ax0
、s
bx0
、s
ay0
和s
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多谐波逆Park变换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和转子磁轴承力模型；含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型如下：其中，M是广义质量矩阵；G是陀螺矩阵；h
I
是磁悬浮转子惯性轴位移；K
s
、K
i
和K
h
分别为传感器增益系数、电流刚度系数和位移刚度系数；G
c
(s)和G
w
(s)分别为PID控制器和功率放大器传递函数；表示磁轴承坐标系、传感器坐标系和广义坐标系两两之间位移的坐标变换关系；Δh为质量不平衡引起的位移扰动，具体公式如下：其中，ε和χ表示静不平衡位移的幅值和初始相位；σ和δ表示动不平衡位移的幅值和初始相位；Ω表示磁悬浮转子转速；h
sr
为传感器谐波，具体公式如下：其中，s
ax0
、s
bx0
、s
ay0
和s
by0
分别表示传感器谐波中的直流分量，i为谐波的次数，s
ai
和s
bi
分别表示A、B两端传感器谐波第i次谐波分量的幅值，a
si
和b
si
分别表示第i次谐波分量的初始相位；w表示转子转速；磁轴承转子系统磁轴承力模型如下：其中，S(s)表示系统灵敏度函数，G
p
(s)为转子系统的传递函数，具体公式如下：步骤2：设计基于多谐波逆Park变换的磁悬浮转子谐波振动力抑制方法；根据步骤1所提出磁悬浮转子动力学模型，以振动力为抑制目标，设计多谐波逆Park变换控制器，即MHIP控制器，该控制器以并联负反馈的形式接入原磁悬浮转子系统，将倍频电
流i
x
作为倍频控制器的输入，将振动力f作为同频控制器的输入，MHIP控制器的输出反馈到原磁轴承转子闭环系统功放模块的输入端，该振动力抑制方法的实现包括如下三个方面：(1)逆Park变换锁相环：此部分为MHIP控制器的主体部分，根据磁悬浮转子系统在特定转频下产生的不同阶次的振动，进行控制器主体部分的构建，其使用一个Park变换和一个逆Park变换，所用的转速来自霍尔传感器提供，同时使用逆Park变换的Y通道的输出作为Park变换的Y通道的输入，即构建了X通道的虚拟正交信号；同时在Park变换环节，根据磁悬浮转子系统稳定性条件加入不同的相位补偿角，保证磁悬浮转子系统在不同转速下稳定运行；(2)改进低通滤波器检测：此部分为MHIP控制器的谐波检测部分，改进传统控制方法中采用开环低通检测的方案，提出使用闭环检测设计低通滤波器环节，实现对谐波信号的提取；(3)MHIP控制器的输入：此部分为MHIP控制器的输入信号选择，使用振动力作为同频MHIP控制器的输入，...

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