CN100538564C

CN100538564C - 一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统

Info

Publication number: CN100538564C
Application number: CNB2007101767203A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 樊亚洪; 刘彬; 刘刚; 文通; 李彩凤
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: CN101261496A

Abstract

一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，包括位移传感器、电流传感器、磁轴承控制器、PWM调制和功放。其中磁轴承控制器包括稳定控制器、偏心估计、磁力补偿和作用开关。本发明在稳定控制的基础上，引入偏心估计和磁力补偿，利用飞轮不平衡振动参数，对飞轮整个转速范围内不平衡量和位移负刚度进行补偿，从而实现飞轮在整个转速范围内的不平衡振动控制，使飞轮的在整个升、降速过程中都能够高精度地绕惯性主轴运转。

Description

一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，用于磁悬浮飞轮的转子不平衡振动的抑制和飞轮高精度控制。

背景技术

飞轮是卫星等航天器姿态控制的主要执行机构。传统的机械轴承飞轮通过滚珠轴承支承，刚性的滚珠轴承会将飞轮的不平衡力矩直接传递给航天器，同时滚珠轴承的润滑还会导致粘滞力矩、力矩扰动，以及静摩擦等，因而传统的机械轴承飞轮也是航天器姿态控制系统扰动力或扰动力矩的主要来源，这些扰动力或扰动力矩会降低航天器指向精度。随着磁轴承技术的发展，磁悬浮飞轮技术研究受到了各国的普遍重视。磁悬浮飞轮具有无接触、无摩擦、无需润滑、高精度、长寿命等传统机械轴承飞轮无可比拟的优点，是高精度航天器姿态控制的理想执行机构。

然而磁悬浮飞轮在高精度姿态控制的应用中也存在一定的问题，即磁悬浮飞轮仍存在一些振动源，如不平衡振动造成的飞轮基频扰动、安装误差等非线性因素造成的扰动等，如果不对这些振动源引起的振动进行抑制，将严重影响姿态控制的精度，磁悬浮飞轮的高精度等技术优势也无法得以体现，同时还会带来功放饱和、功耗增加等一系列问题。因此如何对这些振动进行抑制，已成为磁悬浮飞轮用于航天器姿态控制所要解决的主要问题之一。

转子的不平衡振动会造成飞轮系统的基频、二倍频、三倍频等扰动，是磁悬浮飞轮的最主要振动源。转子存在不平衡，是指转子的几何轴与惯性主轴是不重合的，如附图1所示。当飞轮工作于高速时(临界转速以上)，由于飞轮转子的自对中效应，飞轮转子会趋于绕惯性主轴旋转，此时转子几何轴会绕惯性主轴旋转。由于磁悬浮飞轮的工作原理是将飞轮转子悬浮于转子的几何轴，因此磁轴承会向飞轮转子施加主动控制力，由于作用力与反作用力的原理，此时就会有扰动力输出。而飞轮的高精度控制是指飞轮输出力矩的高精度控制，包括力矩大小和力矩方向的高精度控制两部分。其中输出力矩大小的高精度控制由电机的控制精度决定，而输出力矩方向的高精度控制由飞轮本身的控制精度决定。所以由于转子的不平衡造成的扰动力的输出，必然影响飞轮输出力矩的方向，因此如何对转子的不平衡振动进行抑制，成为磁悬浮飞轮应用于高精度航天器姿态控制所亟待解决的问题。

在目前采用的磁悬浮飞轮高精度控制系统中，其不平衡振动控制器一般只采用不平衡量补偿部分，即对飞轮转子不平衡量造成的振动进行补偿，当飞轮转子绕惯性主轴旋转时，不再对不平衡量部分施加主动控制力。但实际磁轴承系统中由于位移负刚度的存在，即使对转子不平衡量部分不施加主动控制力，仍会有较大位移负刚度引起的振动传出，从而无法实现磁悬浮飞轮的高精度主动振动控制。

发明内容

本发明的目的是：克服现有磁悬浮飞轮控制系统在飞轮高精度主动振动控制方面存在的不足，特别是解决不平衡量引起的不平衡振动和位移负刚度引起的振动，提供一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，实现磁悬浮飞轮的高精度主动振动控制。

本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮飞轮高精度不平衡振动控制系统，其特点在于包括：磁轴承控制器、电流传感器、功放、PWM调制和位移传感器，电流传感器与磁轴承线圈和磁轴承控制器相连，用于检测磁轴承线圈中电流并将检测值送至磁轴承控制器；功放与PWM调制和磁轴承线圈相连，用于将调制后的PWM信号放大输出至磁轴承线圈，对飞轮转子施加主动控制；PWM调制与磁轴承控制器和功放相连，用于将磁轴承控制器生成的控制量进行PWM调制以输出到功放；位移传感器与飞轮转子和磁轴承控制器相连，用于检测飞轮转子的位移信号并将检测值送至磁轴承控制器；磁轴承控制器由稳定控制器、磁力补偿、偏心估计和第一作用开关组成，稳定控制器接收位移传感器的输出，稳定控制器的输出与电流传感器的输出作和后，减去磁力补偿的输出，作为PWM调制的输入；第一作用开关与位移传感器和偏心估计相连，用于控制是否将位移传感器的输出送至偏心估计；偏心估计接收第一作用开关的输出信号，其输出送至磁力补偿，同时负反馈至位移传感器的输出端；磁力补偿以偏心估计的输出作为输入，其输出被稳定控制器输出与电流传感器输出之和所减去后送至PWM调制，中稳定控制器用于对飞轮进行稳定控制，偏心估计用于确定飞轮转子不平衡量的大小和位置，并对转子不平衡量进行补偿以减小飞轮转子的不平衡振动，同时确定磁力补偿的大小和位置，磁力补偿用于对飞轮转子悬浮气隙波动所引起的不平衡磁拉力进行补偿，以减小位移负刚度引起的飞轮转子的振动，磁力补偿的大小和位置由偏心估计确定，第一作用开关用于确定偏心估计和磁力补偿的作用时刻。

所述的磁力补偿(9)的补偿公式为：

K_{e} = K_{i}^{- 1} K_{x} T_{x} T_{s}^{- 1} = [\begin{matrix} \frac{(- b_{s} + a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & 0 & 0 \\ \frac{(- b_{s} + b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \frac{(- b_{s} + a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} \\ 0 & 0 & \frac{(- b_{s} + b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} \end{matrix}] .

式中，K_e为位移负刚度补偿矩阵，K_i表征磁轴承电流刚度矩阵，k_i为磁轴承电流刚度值，K_x表征磁轴承位移刚度矩阵，k_x为磁轴承位移刚度值，T_x、T_s为传感器坐标和磁轴承坐标的变换矩阵，a、b为径向两端磁轴承跨距，a_s、b_s为径向两端传感器跨距。

所述的偏心估计由第二作用开关、第三作用开关、开环补偿算法和自适应陷波器组成，其中自适应陷波器与第一作用开关和第二作用开关相连，用于对输入的飞轮转子的位移信号进行自适应陷波；第二作用开关以自适应陷波器作为输入，其输出负反馈至飞轮转子位移信号中，用于控制自适应陷波作用的有无；开环补偿算法由自适应陷波器设置其参数，输出至第三作用开关，用于对飞轮转子进行开环补偿的第三作用开关以开环补偿算法的输出作为其输入，输出负反馈至飞轮转子位移信号，用于控制开环补偿作用的有无。

所述的稳定控制器可以是分散PID控制器，也可以是分散PID加交叉反馈控制器，还可以是解耦控制器等能使磁悬浮飞轮悬浮并升速的稳定控制器。

本发明的原理是：本发明中的稳定控制器可实现磁悬浮飞轮的稳定控制；在稳定控制的基础上，引入对转子不平衡量的不平衡补偿和位移负刚度补偿，利用辨识出的不平衡量参数，对飞轮整个转速范围内进行高精度主动振动控制，使飞轮能够高精度运转。

位移负刚度补偿的原理如图2所示：以一个径向磁轴承处的受力图为例，图中O点为磁轴承定子中心线所在位置，同时也代表飞轮转子的惯性主轴，即当飞轮转子的惯性主轴与磁轴承定子中心线相重合时，飞轮转子的几何轴将偏离磁轴承定子中心线，这时磁轴承定子与转子之间的气隙将与转速同频波动，由于偏置磁场的存在，磁轴承转子会受到磁轴承负位移刚度(磁力/位移系数)的影响，产生旋转的不平衡磁拉力，所以，必须通过给磁轴承线圈通以相应的电流，从而抵消掉这部分不平衡磁拉力。这时磁悬浮飞轮转子将在这种力平衡下，绕其惯性主轴旋转，即不会有不平衡力传到磁轴承定子，磁轴承定子也不产生不平衡力作用于飞轮转子，也就真正地实现了磁悬浮飞轮的高精度控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在稳定控制基础上，引入对转子不平衡量的不平衡补偿和位移负刚度补偿，克服了现有磁悬浮飞轮高精度控制系统只能对不平衡量进行补偿，仍存在位移负刚度造成的振动的缺点，从而实现磁悬浮飞轮的高精度主动振动控制。

附图说明

图1为一种磁悬浮飞轮转子存在不平衡量时转子几何轴与惯性主轴关系示意图；

图2为本发明的一种磁悬浮飞轮高精度控制系统位移负刚度补偿原理示意图；

图3为本发明的一种磁悬浮飞轮高精度不平衡控制系统构成示意图；

图4为本发明的一种磁悬浮飞轮高精度不平衡振动控制系统偏心估计结构示意图；

图5为本发明的一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统偏心估计的不平衡量估计算法流程图；

图6为本发明的一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统偏心估计的开环补偿算法流程图；

图7为本发明的一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统自适应陷波器原理图；

图8为本发明的一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统位移负刚度补偿算法框图；

图9为一种未经主动振动控制的磁悬浮飞轮振动波形；

具体实施方式

如图3所示，本实施例所用磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，包括磁轴承控制器1、电流传感器3、功放6、PWM调制7和位移传感器8。电流传感器3与磁轴承线圈4和磁轴承控制器1相连，用于检测磁轴承线圈1中电流并将检测值送至磁轴承控制器1；功放6与PWM调制7和磁轴承线圈4相连，用于将调制后的PWM信号放大输出至磁轴承线圈4，对飞轮转子施加主动控制；PWM调制7与磁轴承控制器1和功放6相连，用于将磁轴承控制器1生成的控制量进行PWM调制以输出到功放6环节；位移传感器8与飞轮转子5和磁轴承控制器1相连，用于检测飞轮转子5的位移信号并将检测值送至磁轴承控制器1。磁轴承控制器1由稳定控制器2、磁力补偿9、偏心估计10、作用开关11组成，稳定控制器2接收位移传感器8的输出，其输出与电流传感器3的输出作和，与磁力补偿9的输出作差后作为PWM调制7的输入；第一作用开关11与位移传感器8和偏心估计10相连，用于控制是否将位移传感器8的输出送至偏心估计10；偏心估计10接收第一作用开关11的输出信号，其输出送至磁力补偿9，同时负反馈至位移传感器8的输出端；磁力补偿9以偏心估计10的输出作为输入，其输出被稳定控制器2输出与电流传感器3输出之和所减去后送至PWM调制7；中稳定控制器3用于对飞轮进行稳定控制；偏心估计10用于确定飞轮转子不平衡量的大小和位置，并对转子不平衡量进行补偿以减小飞轮转子的不平衡振动，同时确定磁力补偿9的大小和位置；磁力补偿9用于对飞轮转子悬浮气隙波动所引起的不平衡磁拉力进行补偿，以减小位移负刚度引起的飞轮转子的振动，其大小和位置由偏心估计10确定；第一作用开关11用于确定偏心估计10和磁力补偿9的作用时刻。

如图4所示，偏心估计10由第二作用开关12、第三作用开关13、开环补偿算法14和自适应陷波器15组成，其中自适应陷波器15与第一作用开关11和第二作用开关12相连，用于对输入的飞轮转子位置信号进行自适应陷波；第二作用开关12以自适应陷波器15作为输入，其输出负反馈至飞轮转子位移信号中，用于控制自适应陷波作用的有无；开环补偿算法14由自适应陷波器15设置其参数，输出至第三作用开关13，用于对飞轮转子5进行开环补偿的第三作用开关13以开环补偿算法14的输出作为其输入，输出负反馈至飞轮转子位移信号，用于控制开环补偿作用的有无。

依据飞轮转速设置自适应陷波器15的中心频率，当飞轮转速达到临界转速以上时，由自适应陷波器15对飞轮转子位移信号中的不平衡量进行提取并反馈回位移信号中，从而实现对飞轮转子5的不平衡量的闭环补偿；当得到稳定的补偿量后，记录下自适应陷波器15在飞轮各个位置时补偿量的大小以建立一个二维数表，分别表征着转子的不平衡量的大小和位置。

如图5所示，偏心估计的不平衡量估计算法结构如下：当飞轮转速达到临界转速以上后，闭合第二作用开关12，断开第三作用开关13(本实施例通过软件设计)，自适应陷波器15从飞轮转子5的位移信号中提取不平衡量信号，通过负反馈后作用于飞轮转子5位移信号中，对飞轮转子的不平衡振动进行闭环补偿。当飞轮转子绕惯性主轴稳定旋转后，得到稳定的表征不平衡量的二维数表，断开第二作用开关12，闭合第三作用开关13(本实施例采用软件设计)，根据闭环补偿获得的转子不平衡量的大小和位置，并结合飞轮位置鉴别装置提供的飞轮转子的当前位置信号，对飞轮转子不平衡振动进行开环补偿，从而实现飞轮在整个转速范围内的主动振动控制(此为(2)对转子不平衡量进行补偿以减小飞轮转子的不平衡振动)，使飞轮的在整个升、降速过程中都能够高精度运转。

如图6所示，偏心估计10中开环补偿算法14的流程图如下：首先由自适应陷波器15对飞轮转子5进行闭环不平衡振动补偿，以获得飞轮转子5的不平衡量的大小和位置，并生成表征不平衡量大小和位置的二维数表，并结合飞轮转子的当前位置，进行不平衡振动补偿。

如图7所示，本实施例采用的自适应陷波器15基于正交函数的正交性原理，将飞轮转速作为自适应陷波器的中心频率，将频率为转频的正、余弦值分别与飞轮转子的位移信号相乘后作积分，用于获得飞轮转子位移信号中与转速同频的正、余弦分量的系数，然后将此二系数再分别与频率为转频的正、余弦信号做乘法，以获得转子位移信号中频率为转频的正、9余弦信号分量，再将此二分量做和，最终获得飞轮转子位移信号中频率为转频的分量值，并反馈回转子位移信号中。对飞轮转速乘以n倍(n＝1，2，3)以作为自适应陷波器的中心频率，可以实现对转子位移信号中频率为n倍转频(n＝1，2，3)分量的提取，将所提取的n倍转频(n＝1，2，3)的分量负反馈作用至转子位移信号中，实现对转子n倍不平衡量(n＝1，2，3)的闭环补偿，用以获得表征n倍不平衡量(n＝1，2，3)大小和位置的二维数表，根据此二维数表并结合飞轮位置鉴别装置所提供的飞轮实际位置信号，可实现对n倍转频(n＝1，2，3)的开环不平衡振动补偿。

如图8所示，所述有磁力补偿9的算法为：将AX、BX、AY、BY通道位移信号中同频量与位移负刚度矩阵

K_{e} (K_{e} = K_{i}^{- 1} K_{x} T_{x} T_{s}^{- 1} = [\begin{matrix} \frac{(- b_{s} + a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & 0 & 0 \\ \frac{(- b_{s} + b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \frac{(- b_{s} + a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} \\ 0 & 0 & \frac{(- b_{s} + b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} \end{matrix}])

做乘法，所得即为各通道相应的位移负刚度补偿量。式中，K_e为位移负刚度补偿矩阵，K_i表征磁轴承电流刚度矩阵，k_i为磁轴承电流刚度值，K_x表征磁轴承位移刚度矩阵，k_x为磁轴承位移刚度值，T_x、T_s为传感器坐标和磁轴承坐标的变换矩阵，a、b为径向两端磁轴承跨距，a_s、b_s为径向两端传感器跨距。

为了说明磁悬浮飞轮高精度主动振动控制的效果，图9a、图9b给出了转速为3600转/分时加入主动振动控制和未加入主动振动控制的飞轮转子振动波形进行对比。图9b为在转速为3600转/分时，未加入主动振动控制时飞轮转子的振动波形，由图9b可见，径向振动信号的幅值较大，且同频振动的幅值较高(—3.79dBV)；图9a为在转速3600转/分时，加入高精度主动振动控制后，飞轮转子的振动波形，由图9a可见，径向振动信号的幅值较图9b有很大衰减，同频振动的频谱值衰减至—18dBV左右。图9a与图9b相比，飞轮转子振动波形中的同频振动的频谱值由-3.79dB衰减为—18dB左右，衰减至原来的五分之一(—14dB＝0.1995)，飞轮转子的不平衡振动已得到显著抑制，达到了高精度主动振动控制的效果。

本发明的磁轴承控制器1可以采用DSP、CPLD、FPGA等通过编程数字实现。所述的稳定控制器(2)为分散PID控制器，或分散PID加交叉反馈控制器，或解耦控制器，或能使磁悬浮飞轮悬浮并升速的稳定控制器。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1、一种磁悬浮飞轮高精度不平衡振动控制系统，其特征在于：包括：磁轴承控制器(1)、电流传感器(3)、功放(6)、PWM调制(7)和位移传感器(8)，电流传感器(3)与磁轴承线圈(4)和磁轴承控制器(1)相连，用于检测磁轴承线圈(4)中电流并将检测值送至磁轴承控制器(1)；功放(6)与PWM调制(7)和磁轴承线圈(4)相连，用于将调制后的PWM信号放大输出至磁轴承线圈(4)，对飞轮转子施加主动控制；PWM调制(7)与磁轴承控制器(1)和功放(6)相连，用于将磁轴承控制器(1)生成的控制量进行PWM调制以输出到功放(6)；位移传感器(8)与飞轮转子(5)和磁轴承控制器(1)相连，用于检测飞轮转子(5)的位移信号并将检测值送至磁轴承控制器(1)；磁轴承控制器(1)由稳定控制器(2)、磁力补偿(9)、偏心估计(10)和第一作用开关(11)组成，稳定控制器(2)接收位移传感器(8)的输出，稳定控制器(2)的输出与电流传感器(3)的输出作和后，减去磁力补偿(9)的输出，作为PWM调制(7)的输入；第一作用开关(11)与位移传感器(8)和偏心估计(10)相连，用于控制是否将位移传感器(8)的输出送至偏心估计(10)；偏心估计(10)接收第一作用开关(11)的输出信号，其输出送至磁力补偿(9)，同时负反馈至位移传感器(8)的输出端；磁力补偿(9)以偏心估计(10)的输出作为输入，其输出被稳定控制器(2)输出与电流传感器(3)输出之和所减去后送至PWM调制(7)；其中稳定控制器(2)用于对飞轮进行稳定控制，偏心估计(10)用于确定飞轮转子不平衡量的大小和位置，并对转子不平衡量进行补偿以减小飞轮转子的不平衡振动，同时确定磁力补偿(9)的大小和位置，磁力补偿(9)用于对飞轮转子悬浮气隙波动所引起的不平衡磁拉力进行补偿，以减小位移负刚度引起的飞轮转子的振动，磁力补偿(9)的大小和位置由偏心估计(10)确定，第一作用开关(11)用于确定偏心估计(10)和磁力补偿(9)的作用时刻。

2、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，其特征在于：所述的磁力补偿(9)的补偿公式为：

K_{e} = K_{i}^{- 1} K_{x} T_{x} T_{s}^{- 1} = [\begin{matrix} \frac{(- b_{s} + a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & 0 & 0 \\ \frac{(- b_{s} + b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \frac{(- b_{s} + a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - a) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} \\ 0 & 0 & \frac{(- b_{s} + b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} & \frac{(a_{s} - b) k_{x}}{(a_{s} - b_{s}) k_{i}} \end{matrix}],

3、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，其特征在于：所述的偏心估计(10)由第二作用开关(12)、第三作用开关(13)、开环补偿算法(14)和自适应陷波器(15)组成，其中自适应陷波器(15)与第一作用开关(11)和第二作用开关(12)相连，用于对输入的飞轮转子(5)的位移信号进行自适应陷波；第二作用开关(12)以自适应陷波器(15)作为输入，其输出负反馈至飞轮转子位移信号中，用于控制自适应陷波作用的有无；开环补偿算法(14)由自适应陷波器(15)设置其参数，输出至第三作用开关(13)，用于对飞轮转子(5)进行开环补偿的第三作用开关(13)以开环补偿算法(14)的输出作为其输入，输出负反馈至飞轮转子位移信号，用于控制开环补偿作用的有无。

4、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，其特征在于：所述的偏心估计(10)，即包含对同转频不平衡量的估计与补偿，还包括二倍频、三倍频不平衡量的估计与补偿。

5、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，其特征在于：所述的稳定控制器(2)为分散PID控制器，或分散PID加交叉反馈控制器，或解耦控制器。