CN103498871B - 无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器的构造方法，将开关功率放大器、无轴承电机轴向混合磁轴承、负载及电涡流位移传感器作为一个整体组成复合被控对象；构建复合被控对象的复合被控对象模型和复合被控对象逆模型，并离线确定其参数；复制复合被控对象逆模型作为前馈控制器串联在复合被控对象之前构成逆控制器；将复合被控对象与复合被控对象模型的输出误差驱动复合被控对象逆模型；将复合被控对象的输出与给定轴向位移信号之差在线实时调整逆控制器的权值参数。可将系统的动态特性控制与干扰控制分开单独处理，使两者同时达到最佳效果，具有良好的跟随性、稳态精度和抗扰性。

Description

无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器的构造方法

技术领域

本发明涉及高速、超高速电气传动领域以及极端特殊环境下的无轴承电机轴向混合磁轴承，具体涉及无轴承电机轴向混合磁轴承的控制器的构造方法，采用该方法构造的控制器可应用于高速电机、人造卫星、高速精密数控机床、飞轮储能等，属于特种电力传动控制技术领域。

背景技术

磁轴承利用定子、转子之间的磁场力相互作用，从而支承转子悬浮于空间，是一种新型的机电装置。由于定子、转子之间不存在任何机械接触，因此磁轴承转子的转速可达到很高的转速。磁轴承具有无机械摩擦磨损、高速高精、无需润滑、噪音小、功耗低、寿命长等一系列优点，特别适用于真空、(超)高速、核电和超洁净等极端特殊的应用场合。混合磁轴承利用永久磁铁产生静态偏置磁场代替主动磁轴承利用电磁铁产生的静态偏置磁场，降低了功率放大器的损耗，缩小了磁轴承的体积，同时混合磁轴承利用气隙处磁场力其它自由度分量，可以提供其它自由度的被动悬浮，进一步地简化了磁轴承结构，因此混合磁轴承是磁轴承未来发展的一个新趋势。

无轴承电机轴向混合磁轴承是用来对转子轴向位置进行准确定位的。轴向位置是否能准确定位以及稳定控制，对转子轴向位置产生直接影响，从而影响到无轴承电机悬浮力与电磁转矩之间的非线性解耦控制问题。所以，无轴承电机轴向混合磁轴承的控制是实现无轴承电机高性能控制不可忽视的问题之一。

无轴承电机轴向混合磁轴承系统一般采用传统的PID控制器，然而传统的PID器具有以下不足之处：(1)线性参数之间缺乏最优组合，容易导致混合磁轴承系统的快速性与超调量之间存在的严重矛盾；(2)系统的给定信号和实际输出信号分别是不光滑信号和光滑信号，如果将不光滑的给定信号直接作为作为光滑的输出信号的参考值，将会使混合磁轴承系统产生振荡；(3)PID控制器中的积分控制作用是用来消除系统的静差，但是积分控制将会导致混合磁轴承系统稳定性变差，甚至导致积分饱和现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有无轴承电机轴向混合磁轴承的传统控制方法的不足，提供一种无轴承电机轴向混合磁轴承的自适应逆控制器的构造方法，采用该方法构造的无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器可以分别控制系统给定信号与扰动信号，并且可以达到二者的最优控制效果，具有很强的抗扰性。

本发明采用的技术方案是依次采用如下步骤：

1)将开关功率放大器、无轴承电机轴向混合磁轴承、负载以及电涡流位移传感器作为一个整体组成复合被控对象，复合被控对象的输入为开关功率放大器的输入，是给定的轴向控制电流复合被控对象的输出为电涡流位移传感器的输出，是轴向位移z。

2)根据复合被控对象的输入和输出建立复合被控对象的复合被控对象模型和复合被控对象逆模型，离线确定复合被控对象模型和复合被控对象逆模型的参数。

3)复制复合被控对象逆模型作为前馈控制器串联在复合被控对象之前构成逆控制器，逆控制器的输入为轴向位移z^*，输出为电流i_z0。

4)将复合被控对象的轴向位移z与复合被控对象模型的输出位移z₁比较，两者之差ε＝z-z₁作为复合被控对象逆模型的输入，将逆控制器的输出电流i_z0减去复合被控对象逆模型的输出电流i_z1得到作为复合被控对象的实际输入电流。

5)将复合被控对象的轴向位移z与逆控制器的输入轴向位移z^*比较，用两者之差ε₁＝z-z^*在线实时调整逆控制器的权值参数。

6)将逆控制器、复合被控对象模型与复合被控对象逆模型作为一个整体构成自适应逆控制器。

离线确定复合被控对象模型和复合被控对象逆模型参数的方法是：先采集复合被控对象的输入轴向控制电流建模信号i_z及输出的轴向位移z，再用输入轴向控制电流建模信号i_z同时驱动复合被控对象与复合被控对象模型，然后将轴向位移z与复合被控对象模型的输出z₁比较，两者之差ε＝z-z₁，最后两者之差ε去驱动复合被控对象逆模型。

本发明的有益效果是：

1、本发明设计的无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器，与传统的闭环控制器不同，该控制器利用反馈作用不是为了控制系统中信号的流动，而是为了用于控制被控对象中的可变参数。由于被控对象参数的变化总是要慢于通过它的信号，因此在该自适应逆控制器中反馈的作用相对较慢，仅仅需要保持与参数变化速率相一致，从而采用该控制器的系统的稳定性要优于传统反馈控制系统的稳定性，而且参数的调节也相对比较容易实现。

2、本发明所述无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器的构造方法，将离线建立的无轴承电机轴向混合磁轴承的逆模型作为前馈控制器串接与原系统之前，对其进行开环控制，使两者输入输出之间的函数关系变为“1”，从而使无轴承电机轴向混合磁轴承系统具有良好的跟随特性、稳态精度。

3、本发明设计的无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器，通过构造逆模型并将其反馈至被控对象的输入端，可以消除系统内部以及外部的干扰和噪声，从而可以将系统的给定信号与扰动信号分别进行控制，使两者同时达到最佳效果，不需要对两者进行折衷考虑。

4、本发明设计的无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器，可以消除由于常规反馈控制所引起的系统不稳定难题，可以同时兼顾被控对象的系统镇定、动态控制、系统干扰消除的最优效果，可以有效提高系统的动、静态特性，具有很强的抗干扰能力和鲁棒性。

附图说明

图1是由开关功率放大器1、无轴承电机轴向混合磁轴承2、负载3和电涡流位移传感器4构成复合被控对象5的结构示意图。

图2是离线建立复合被控对象模型6以及复合被控对象逆模型7的结构示意图。

图3是无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器9的原理框图。

具体实施方式

本发明具体的实施分以下6步：

1、如图1所示，将开关功率放大器1、无轴承电机轴向混合磁轴承2、负载3以及电涡流位移传感器4作为一个整体组成复合被控对象5。负载3连接无轴承电机轴向混合磁轴承2，无轴承电机轴向混合磁轴承2之前串接开关功率放大器1，电涡流位移传感器4在无轴承电机轴向混合磁轴承2的内部，用于检测无轴承电机轴向混合磁轴承2的轴向位移。给定的轴向控制电流经过开关功率放大器1后得到两路电流i₀+i_z、i₀-i_z，其中i₀为偏置电流，i_z控制电流，这两路电流i₀+i_z、i₀-i_z输入无轴承电机轴向混合磁轴承2。复合被控对象5的输入为给定的轴向控制电流输出为轴向位移z。

2、如图2所示，根据复合被控对象5的输入和输出建立复合被控对象5的复合被控对象模型6和复合被控对象逆模型7，离线确定复合被控对象模型6和复合被控对象逆模型7参数。

离线确定复合被控对象模型6和复合被控对象逆模型7的参数时，先采集复合被控对象5的输入轴向控制电流建模信号i_z以及其输出的轴向位移z，再用输入轴向控制电流建模信号i_z同时作为复合被控对象5与复合被控对象模型6的输入，同时驱动复合被控对象5与复合被控对象模型6，然后将复合被控对象5输出的轴向位移z与复合被控对象模型6的输出z₁进行比较，两者之差ε＝z-z₁就是整个系统的扰动和噪声，最后用该扰动和噪声信号ε去驱动复合被控对象逆模型7，从而可以离线确定复合被控对象模型6和复合被控对象逆模型7的参数。

3、复制复合被控对象逆模型7，作为前馈控制器串联在复合被控对象5之前，构成逆控制器8(其参数将在步骤5中在线实时调整)，逆控制器8的输入为给4、将此时复合被控对象5实际输出的轴向位移z与复合被控对象模型6的输出位移z₁进行比较，确定出两者之差，即误差为ε＝z-z₁，该误差作为复合被控对象逆模型7的输入，复合被控对象逆模型7的输出为电流i_z1，逆控制器8的输出电流i_z0减去复合被控对象逆模型7的输出电流i_z1，得到作为复合被控对象5的实际输入的轴向控制电流。

5、将复合被控对象5的输出轴向位移z与逆控制器8的给定轴向位移z^*进行比较，确定出两者之差，即误差ε₁＝z-z^*，利用该误差ε₁，基于小均方差(以下简称为LMS)自适应滤波算法，按下式在线实时调整逆控制器8的权值参数W(k)：

W(k+1)＝W(k)+2μ(k)ε₁(k)z^*(k)，

其中，W(k)和W(k+1)分别为k时刻和k+1时刻逆控制器8的权矢量；μ(k)为k时刻LMS自适应滤波算法的学习速率，即步长因子；ε₁(k)为k时刻的系统误差；z^*(k)为k时刻逆控制器8的给定轴向位移输入；k表示当前的采样时刻。

6、如图3所示，将逆控制器8、复合被控对象模型6与复合被控对象逆模型7作为一个整体构成自适应逆控制器9，对复合被控对象5进行高性能控制。

根据以上所述，便可以实现本发明。

Claims (3)

1.无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器的构造方法，其特征是依次按以下步骤：

1)将开关功率放大器(1)、无轴承电机轴向混合磁轴承(2)、负载(3)以及电涡流位移传感器(4)作为一个整体组成复合被控对象(5)，复合被控对象(5)的输入为开关功率放大器(1)的输入，是给定的轴向控制电流复合被控对象(5)的输出为电涡流位移传感器(4)的输出，是轴向位移z；

2)根据复合被控对象(5)的输入和输出建立复合被控对象(5)的复合被控对象模型(6)和复合被控对象逆模型(7)，离线确定复合被控对象模型(6)和复合被控对象逆模型(7)的参数；

3)复制复合被控对象逆模型(7)作为前馈控制器串联在复合被控对象(5)之前构成逆控制器(8)，逆控制器(8)的输入为轴向位移z^*，输出为电流i_z0；

4)将复合被控对象(5)的轴向位移z与复合被控对象模型(6)的输出位移z₁比较，两者之差ε＝z-z₁作为复合被控对象逆模型(7)的输入，将逆控制器(8)的输出电流i_z0减去复合被控对象逆模型(7)的输出电流i_z1得到作为复合被控对象(5)的实际输入电流；

5)将复合被控对象(5)的轴向位移z与逆控制器(8)的输入轴向位移z^*比较，用两者之差ε₁＝z-z^*在线实时调整逆控制器(8)的权值参数；

6)将逆控制器(8)、复合被控对象模型(6)与复合被控对象逆模型(7)作为一个整体构成自适应逆控制器。

2.根据权利要求1所述的构造方法，其特征是：步骤2)中，离线确定复合被控对象模型(6)和复合被控对象逆模型(7)参数的方法是：先采集复合被控对象(5)的输入轴向控制电流建模信号i_z及输出的轴向位移z，再用输入轴向控制电流建模信号i_z同时驱动复合被控对象(5)与复合被控对象模型(6)，然后将轴向位移z与复合被控对象模型(6)的输出z₁比较，两者之差ε＝z-z₁，最后两者之差ε去驱动复合被控对象逆模型(7)。

3.根据权利要求1所述的构造方法，其特征是：步骤5)中，按式

W(k+1)＝W(k)+2μ(k)ε₁(k)z^*(k)在线实时调整逆控制器(8)的权值参数W(k)，W(k)和W(k+1)分别为k时刻和k+1时刻逆控制器(8)的权矢量，μ(k)为k时刻的步长因子，ε₁(k)为k时刻的系统误差，z^*(k)为k时刻逆控制器(8)的给定轴向位移输入，k表示当前的采样时刻。