一种五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器技术方案

本实用新型专利技术公开一种五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器，串接于五自由度交流主动磁轴承之前，由线性闭环控制器、α阶逆系统和复合被控对象依次串接组成；复合被控对象由第一、第二扩展的电流跟踪逆变器及双极性开关功率放大器分别串接于五自由度交流主动磁轴承之前组成；第一、第二扩展的电流跟踪逆变器由第一、第二Clark逆变换和第一、第二电流跟踪逆变器连接组成，线性闭环控制器由分别串接于α阶逆系统之前的4个径向位置控制器和1个轴向位置控制器组成；能够实现五自由度交流主动磁轴承5个自由度位移变量之间的独立控制，使系统获得良好的控制性能以及抗负载扰动能力。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及高速及超高速电机传动领域中的磁轴承解耦控制器，用于人造卫星、导弹、潜艇等武器中的姿态控制和储能，以及高性能的机床主轴、发电机、离心泵等，属于电力传动控制设备及机械润滑密封

技术介绍
磁轴承利用磁场力将转子无接触地悬浮在空中，并且悬浮位置可以由控制系统控制。与传统轴承相比，磁轴承具备了无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点，特别是在高速机床主轴系统中，主轴的支承方式在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围，将磁轴承应用于高速机床主轴的支承中，为高速机床主轴技术水平的提高创造了有利条件。交流主动磁轴承具有开环不稳定的非线性扰动力学特性，转子的临界转速、干扰力和负载的存在使得转子在高速时的特性非常复杂，因而必须采用经典控制理论或现代控制理论对线性化解耦后的伪线性子系统设计控制器。五自由度交流主动磁轴承系统是一个融合多学科领域的多变量、多耦合的复杂非线性系统，要获得优良的动态悬浮特性及控制性能，必须对各个自由度的位移变量进行解耦。目前，针对非线性交流主动磁轴承系统的解耦控制器有近似线性化解耦控制器、微分几何反馈线性化解耦器、神经网络逆解耦器、逆系统解耦器及综合应用的解耦控制器等。其中，近似线性化解耦控制器只能实现系统静态解耦，不能实现系统动态解耦。微分几何反馈线性化解耦器在线性化过程中没有忽略掉任何高阶非线性项，实现的途径比较抽象，不便在工程上推广应用。神经网络逆解耦控制器能够在解析逆难以求得的情况下实现系统的动态解耦，获得优良的静、动态特性，但神经网络在理论和设计方法上还存在学习速度慢、训练时间长，理想的样本提取困难，网络结构不易优化等难以克服的缺陷。逆系统解耦控制器通过将系统线性化和解耦成为互相独立的线性积分子系统来实现各个被控量之间的动态解耦控制，能够有效提高整个系统的控制性能， 其物理概念清晰，既直观又易于理解，不需要高深的数学理论知识等优点，具有一定的普遍性，但常用的逆系统解耦器的缺陷是要求获得被控对象精确数学模型，需要通过设计位置控制器来弥补。
技术实现思路
本技术的目的是为克服现有交流主动磁轴承系统的常用的几种解耦控制器的不足而提供一种五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器，既可实现五自由度交流主动磁轴承系统径向及轴向各自由度的位移变量之间的解耦控制，又可使系统获得良好的动、静态性能。本技术采用的技术方案是五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器串接于五自由度交流主动磁轴承之前，五自由度交流主动磁轴承包括由共用一个转轴的 2个径向主动磁轴承、1个轴向主动磁轴承和高速电机以及径向位移传感器、轴向位移传感器组成，五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器由线性闭环控制器、α阶逆系统和复合被控对象依次串接组成；复合被控对象由第一、第二扩展的电流跟踪逆变器及双极性开关功率放大器分别串接于五自由度交流主动磁轴承之前组成；第一、第二扩展的电流跟踪逆变器由第一、第二 Clark逆变换和第一、第二电流跟踪逆变器连接组成，线性闭环控制器由分别串接于α阶逆系统之前的4个径向位置控制器和1个轴向位置控制器组成。本技术的优点在于1、目前国内外对磁轴承的研究多为直流式磁轴承，而直流开关功率放大器相对于交流逆变器来说其体积大、功耗大及成本高。本技术提出的新型五自由度交流主动磁轴承结构由两个径向主动磁轴承和一个轴向主动磁轴承构成，采用三相功率逆变器提供径向控制电流，并采用双极性功率放大器提供轴向控制电流，大大减小了功率放大器体积，降低了功率损耗，减少了成本。2、采用逆系统构造出复合被控对象的α阶逆系统，将五自由度交流主动磁轴承系统这一非线性、强耦合的多输入多输出系统采用α阶逆系统方法构建复合控制对象的逆系统模型，将控制对象解耦成伪线性系统，线性化和解耦成为5个相互独立的单输入单输出线性积分子系统，从而使复杂的非线性耦合控制变为简单的线性控制。在此基础上采用线性系统对伪线性子系统设计控制器，能够实现五自由度交流主动磁轴承5个自由度位移变量之间的独立控制，即实现五自由度交流主动磁轴承系统的解耦控制，对交流主动磁轴承的运行进行有效的解耦控制，可获得良好的控制性能以及抗负载扰动能力，控制结构简单，物理概念清晰直观、数学分析简单明了，易于工程实现。3、针对线性化解耦后得到的5个转子位置二阶积分线性子系统，可进一步采用极点配置、线性最优控制、PID控制、鲁棒控制等方法分别设计四个转子径向位置控制器和一个轴向位置控制器，组成线性闭环控制器，使系统获得良好的控制性能以及抗负载扰动能力。4、采用α阶逆系统解耦控制器实现了五自由度交流主动磁轴承系统的多变量之间的独立控制，有效克服了采用近似线性化解耦方法只能实现系统静态解耦，不能实现系统动态解耦的缺陷。并且采用逆系统解耦控制使系统结构形象直观，实现方便，克服了微分几何解耦控制器、神经网络逆解耦控制器等算法太复杂，难以在工程上推广应用的缺陷。以下结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细说明附图说明图1是五自由度交流主动磁轴承1结构示意图；图2是本技术的总体结构框图；图3是图2中的复合被控对象5结构示意图；图4是图2中的伪线性系统9的示意图及其等效图；图5是五自由度交流主动磁轴承解耦控制原理框图；图中a、b.径向主动磁轴承；C.轴向主动磁轴承；d.高速电机；fl、f2.径向位移传感器；gl、g2.辅助轴承；hl、h2.端盖；i.套筒；j.转轴；1.五自由度交流主动磁轴承；2.第一扩展的电流跟踪逆变器；3.第二扩展的电流跟踪逆变器；4.双极性开关功率放大器；5.复合被控对象；6. α阶逆系统；7.线性闭环控制器；8.五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器；9.伪线性系统；21、31. Clark 逆变换；22、32.电流跟踪逆变器；71、72、73、74.径向位置控制器；75.轴向位置控制器。具体实施方式如图1，五自由度交流主动磁轴承1由2个径向主动磁轴承a和b、l个轴向主动磁轴承c和高速电机d构成，2个径向主动磁轴承a、b，1个轴向主动磁轴承c和高速电机d均装在套筒i中；2个径向主动磁轴承a、b，1个轴向主动磁轴承c和高速电机d共用一个转轴j，转轴j两端分别由辅助轴承gl、g2支承。辅助轴承gl、g2分别固定在端盖hl、h2上。 径向位移传感器fl固定在径向主动磁轴承a右侧的传感器支架上，径向位移传感器f2固定在径向主动磁轴承b左侧的传感器支架上，测量转子径向位移。轴向位移传感器f3固定在端盖h2上，并处于转轴j的轴心线上，测量转子轴向位移。如图2所示，本技术五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器8串接于五自由度交流主动磁轴承1之前，由线性闭环控制器7、α阶逆系统6，复合被控对象5依次串接组成，实现对五自由度交流主动磁轴承1位置的独立解耦控制。其中，复合被控对象 5由第一、第二扩展的电流跟踪逆变器2、3及双极性开关功率放大器4分别串接在五自由度交流主动磁轴承1之前组成。第一扩展的电流跟踪逆变器2由第一 Clark逆变换21和第一电流跟踪逆变器22连接组成，第二扩展的电流跟踪逆变器3由第二 Clark逆变换31和第二电流跟踪逆变器32连接组成。线性闭环控制器7由4个径向位置控制器71本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1. 一种五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器，该五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器⑶串接于五自由度交流主动磁轴承⑴之前，五自由度交流主动磁轴承(1)包括由共用一个转轴(j)的2个径向主动磁轴承(a、b)、l个轴向主动磁轴承 (c)和高速电机(d)以及径向位移传感器(fl)、轴向位移传感器(f3)组成，其特征是五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器(8)由线性闭环控制器(7)、α阶逆系统(6) 和复合被控对象...

【专利技术属性】
技术研发人员：张婷婷，张维煜，朱睿智，陆静，吴熙，朱熀秋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：实用新型
国别省市：