CN101046692A - 一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统 - Google Patents

一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统 Download PDF

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一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，包括位移传感器、位移信号接口电路、转速检测装置、磁轴承控制器、磁轴承功率放大驱动电路和飞轮位置鉴别装置。磁轴承控制器包括轴向磁轴承控制器和径向磁轴承控制器，径向磁轴承控制器由稳定控制器和不平衡振动控制器两部分组成，其中不平衡振动控制器对稳定控制器的位移反馈进行补偿。本发明在稳定控制的基础上，引入不平衡振动控制，利用飞轮高速时识别的飞轮不平衡振动参数，并结合飞轮位置鉴别装置获得的飞轮转子当前位置，对飞轮整个转速范围进行开环高精度不平衡振动控制，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运转。

Description

一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，用于磁悬浮反作用飞轮的高精度控制和转子振动控制。
背景技术
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。磁悬浮飞轮根据额定转速的不同可分为磁悬浮偏置动量轮和磁悬浮反作用飞轮。其中磁悬浮偏置动量轮工作于较高的额定转速(如20000转/分以上)附近，而磁悬浮反作用飞轮额定转速较低(如10000转/分以下)，飞轮在较低的转速段内工作。
传统的机械轴承飞轮通过滚珠轴承支撑，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。与传统机械轴承飞轮相比，磁悬浮飞轮具有高精度、长寿命等技术优势，是目前国外航天器高精度姿态控制的主要执行机构。但是磁悬浮飞轮仍然存在一些振动源，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。
转子的不平衡振动会造成飞轮系统的基频扰动，是磁悬浮飞轮的最主要振动源。转子的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。而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，当飞轮工作于低速时(临界转速以下)，飞轮绕转子几何轴旋转，此时飞轮的惯性主轴绕几何轴转动，从而就会有扰动力与扰动力矩输出；而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，飞轮转子旋转中心与转子质心会趋于重合，飞轮转子会绕惯性主轴旋转，此时飞轮几何轴绕惯性主轴旋转，由于磁悬浮飞轮的工作原理，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，此时也会有扰动力输出。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需要解决的主要问题之一。
对于磁悬浮反作用飞轮，其正常工作范围一般为临界转速及以下，因此包括临界转速以下的转速段的整个转速范围的高精度控制对磁悬浮飞轮的高精度控制至关重要。在目前采用的磁悬浮飞轮高精度控制装置中，其不平衡振动控制器只采用自适应陷波器对磁悬浮飞轮转子位移信号进行闭环控制。由于飞轮转子临界转速附近转子会发生相位突跳，因此闭环不平衡振动控制的方法只能应用于高于临界转速的转速段，在临界转速附近及以下应用即会引起转子稳定性的问题。另外，Tamisier等对自适应陷波器进行了相位补偿，使闭环不平衡振动控制可应用于临界转速附近，但仍然不适用于低于临界转速(如600转/分以下)的转速段，因此无法实现磁悬浮飞轮转子在整个转速范围的高精度控制。因而现有的高精度控制装置不能满足磁悬浮反作用飞轮高精度控制的要求，存在不能对磁悬浮反作用飞轮的整个工作范围进行不平衡振动控制的缺陷。
发明内容
本发明的目的是：克服现有磁悬浮反作用飞轮控制系统在飞轮高精度控制方面存在的不足，特别是解决整个转速范围内的不平衡振动控制问题，提供一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，实现磁悬浮反作用飞轮在整个升、降速过程中的高精度控制。
本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，包括位移传感器、位移信号接口电路、转速检测装置、磁轴承控制器、磁轴承功率放大驱动电路，其中磁轴承控制器由轴向磁轴承控制器和径向磁轴承控制器组成，位移传感器用于检测飞轮转子位移信号；位移信号接口电路与位移传感器和磁轴承控制器相连，用于将位移传感器检测到的飞轮转子位移信号输出给磁轴承控制器；转速检测装置与磁轴承控制器相连，用于检测飞轮转速；功率放大驱动电路与磁轴承控制器和磁轴承线圈相连，用于将磁轴承控制器输出的控制量进行功率放大输出至磁轴承线圈，对飞轮转子施加主动控制，其特征在于：还包括飞轮位置鉴别装置，与磁轴承控制器相连，用于检测飞轮转子的当前位置；径向磁轴承控制器由稳定控制器和不平衡振动控制器组成，其中稳定控制器用以对飞轮进行稳定控制，不平衡振动控制器与转速检测装置和飞轮位置鉴别装置共同组成不平衡振动控制模块，通过飞轮转速检测装置获得转子的不平衡量，依据转子不平衡量和飞轮位置鉴别装置获得的飞轮当前位置信号决定当前时刻不平衡补偿量的大小，对系统进行开环补偿，实现飞轮转子不平衡振动的开环高精度不平衡振动控制。
所述的不平衡振动控制器由自适应陷波器和开环补偿算法组成，自适应陷波器由转速检测装置获得飞轮的转速设置其中心频率，用于对飞轮转子闭环不平衡振动补偿以使飞轮绕惯性主轴稳定旋转并得到转子的不平衡量大小和位置；开环补偿算法根据得到的不平衡量大小和位置，并依据飞轮位置鉴别装置获得的飞轮转子当前位置信号进行开环高精度不平衡振动控制。
本发明的原理是：本发明中的稳定控制模块可实现磁悬浮反作用飞轮的稳定控制。在稳定控制的基础上，引入不平衡振动控制，利用飞轮高速时识别的飞轮不平衡振动参数，并结合飞轮位置鉴别装置获得的飞轮实际位置，对飞轮整个转速范围进行开环高精度不平衡振动控制，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运转。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用临界转速以上识别出的飞轮转子不平衡量参数对转子进行开环高精度不平衡振动控制，克服了闭环不平衡振动控制应用于临界转速以下造成的飞轮稳定性问题，因而实现了磁悬浮反作用飞轮转子在整个转速范围的高精度控制。
(2)本发明的不平衡振动控制模块采用了开环高精度不平衡振动控制的方法，既有开环的稳定性，又具有闭环控制的精度，其具体实现中只是在现有高精度控制器的基础上加入软件开关以进行闭环与开环补偿的切换和飞轮位置鉴别装置以获得转子当前位置信号，因此具有方法简单，易于实现的优点。
附图说明
图1为一种磁悬浮反作用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反作用飞轮控制系统构成示意图；
图3为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统的不平衡振动控制算法流程图；
图4为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统闭环不平衡补偿原理框图；
图5为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统自适应陷波器原理图；
图6为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统开环补偿算法流程图；
图7为一种未经不平衡振动控制的磁悬浮反作用飞轮转子位移曲线；
图8为一种经本发明的不平衡振动控制的磁悬浮反作用飞轮转子位移曲线。
具体实施方式
如图2所示，本实施例所用的磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统轮包括位移传感器1、位移信号接口电路2、转速检测装置4、磁轴承控制器5、磁轴承功率放大驱动电路6和飞轮位置鉴别装置8。位移信号接口电路2用于对磁悬浮反作用飞轮转子位移传感器1检测得到的位移信号进行调零、高频噪声滤波；转速检测装置4用于将飞轮转速信号进行隔离、量化(可以是脉冲频率量、数字量或电压量，依据所用磁轴承控制器5输入接口类型来定)；磁轴承功率放大驱动电路6用于将磁轴承控制器5的输出控制信号转换为驱动磁悬浮反作用飞轮磁轴承线圈7的控制电流，从而实现磁悬浮反作用飞轮的稳定悬浮；飞轮位置鉴别装置8用于获得飞轮准确的位置信号；磁轴承控制器5包括轴向磁轴承控制器51和径向磁轴承控制器52，轴向磁轴承控制器51采用稳定控制器，径向磁轴承控制器52由稳定控制器9和不平衡振动控制器10组成，其中不平衡振动控制器10对稳定控制器9的位移反馈进行补偿。
如图3所示，依据飞轮转速检测装置4获得的飞轮转速设置自适应陷波器13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13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3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13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4所示，磁轴承控制器5由稳定控制器9和不平衡振动控制器10组成，当飞轮转速达到临界转速以上后，闭合作用开关14，断开作用开关11，不平衡振动控制器10由自适应陷波器13从飞轮转子3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3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，断开作用开关14，闭合作用开关11，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运转。
如图5所示，本实施例采用的自适应陷波器13基于正交函数的正交性原理，将由转速检测装置4测得的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、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。对转速检测装置4测得的飞轮转速乘以n倍(2≤n≤3)以作为自适应陷波器13的中心频率，可以实现对转子位移信号中频率为n倍转频(2≤n≤3)分量的提取，将所提取的n倍转频(2≤n≤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(2≤n≤3)的闭环补偿，用以获得表征n倍不平衡量(2≤n≤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(2≤n≤3)的开环高精度不平衡振动控制。
如图6所示，开环补偿算法12的流程图如下：首先由自适应陷波器13对飞轮转子3进行闭环不平衡振动补偿，以获得飞轮转子3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；由飞轮位置鉴别装置8获得飞轮转子3的当前位置信号，通过查表获得飞轮转子当前位置的不平衡补偿量的大小，进行开环高精度不平衡振动控制。
为了说明磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制的效果，图7、图8给出了某转速下未加入不平衡振动控制和加入不平衡振动控制的飞轮转子位移曲线进行对比。图7为在某转速下(本实施例为6000转/分)，未加入不平衡振动控制时飞轮转子的位移曲线；图8为在某转速下(本实施例为6000转/分)，在加入开环高精度不平衡振动控制后，飞轮转子的位移曲线。图8与图7相比，飞轮转子位移中的不平衡量已得到显著抑制，达到了飞轮高精度控制的效果。
本发明的磁悬浮反作用飞轮控制器5可以采用DSP、CPLD、FPGA等通过软件编程数字实现。
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 (5)

1、一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，包括位移传感器(1)、位移信号接口电路(2)、转速检测装置(4)、磁轴承控制器(5)、磁轴承功率放大驱动电路(6)，其中磁轴承控制器(5)由轴向磁轴承控制器(51)和径向磁轴承控制器(52)组成，位移传感器(1)用于检测飞轮转子位移信号；位移信号接口电路(2)与位移传感器(1)和磁轴承控制器(5)相连，用于将位移传感器检测到的飞轮转子位移信号输出给磁轴承控制器；转速检测装置(4)与磁轴承控制器(5)相连，用于检测飞轮转速；功率放大驱动电路(6)与磁轴承控制器(5)和磁轴承线圈(7)相连，用于将磁轴承控制器输出的控制量进行功率放大输出至磁轴承线圈，对飞轮转子施加主动控制，其特征在于：还包括飞轮位置鉴别装置(8)，与磁轴承控制器(5)相连，用于检测飞轮转子的当前位置；径向磁轴承控制器(52)由稳定控制器(9)和不平衡振动控制器(10)组成，其中稳定控制器(9)用以对飞轮进行稳定控制，不平衡振动控制器(10)与转速检测装置(4)和飞轮位置鉴别装置(8)共同组成不平衡振动控制模块，通过飞轮转速检测装置(4)获得转子的不平衡量，依据转子不平衡量和飞轮位置鉴别装置(8)获得的飞轮当前位置信号决定当前时刻不平衡补偿量的大小，对系统进行开环补偿，实现飞轮转子不平衡振动的开环高精度不平衡振动控制。
2、根据权利要求1所述的磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，其特征在于：所述的不平衡振动控制器(10)由自适应陷波器(13)和开环补偿算法(12)组成，自适应陷波器(13)由转速检测装置获得飞轮的转速设置其中心频率，用于对飞轮转子闭环不平衡振动补偿以使飞轮绕惯性主轴稳定旋转并得到转子的不平衡量大小和位置；开环补偿算法(12)根据得到的不平衡量大小和位置，并依据飞轮位置鉴别装置获得的飞轮转子当前位置信号进行开环高精度不平衡振动控制。
3、根据权利要求2所述的磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，其特征在于：所述的开环补偿算法(12)，必须首先将飞轮稳定旋转至临界转速以上以进行闭环不平衡振动补偿，获得飞轮转子不平衡量的参数；在获得不平衡量参数进行开环补偿后即可以实现飞轮在整个转速范围的开环高精度不平衡振动控制。
4、根据权利要求2所述的磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，其特征在于：所述的自适应陷波器(13)可以是一个用于对基频或n倍频进行自适应陷波，可以是两个，用于对基频和n倍频中的任意两个同时进行自适应陷波，或可以是三个，用于对基频、二倍频、三倍频同时进行自适应陷波，上述的2≤n≤3。
5、根据权利要求1所述的磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，其特征在于：所述的稳定控制器(9)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。
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