CN104712654A - 用于主动磁轴承的数字非线性校正器 - Google Patents

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Abstract

一种主动磁轴承的数字非线性校正器(10)，其接收输入信号x(t)并且输出用于控制所述主动磁轴承的位置的输出控制信号u(t)，输入信号由ADC电路(12)数字化并且提供给加法器(16)，该数字非线性校正器包括闭环控制回路，该闭环控制回路传递中间数字序列y[kT]并且具有包括第一成比例增益电路(22)的直接支路以及包括低通滤波器(18)和死区电路(20)的串联连接的反馈支路，使得当达到所述输出控制信号的确定的上限值和下限值时，激活所述低通滤波器，当没有达到这些确定的上限值和下限值时，输出控制信号再现输入信号。

Description

用于主动磁轴承的数字非线性校正器
技术领域
本发明涉及一种在具有主动磁轴承(active magnetic bearing)的伺服电路中实现的校正器。
背景技术
传统上，具备至少一个电磁线圈的主动磁轴承的控制回路(PMA)包括转子组件的位置的检测器、校正网络和用于向电磁线圈供应功率的功率放大器。校正网络的输出信号驱动电磁线圈，所需的电流由各个被与PMA中的气隙磁通量的变化成比例的电流循环的功率放大器供应。
PMA使用具有成比例、积分和微分(PID)转移函数(transfer function)的校正网络。定义该功能以获得接近伺服电路的自然(本征)频率的最佳操作，也就是说，具有高增益、高刚度(stiffness)和低响应时间。
因此，定义该网络使得首先其在自然频率处出现确定的超前(lead)相位以使系统减幅(damp)，并且其次校正网络的积分作用(integral action)的截止频率尽可能地接近自然频率以获得高刚度。
这种校正是令人满意的，只要可以由在伺服电路的自然频率处可移动块(movable mass)的振荡的最大幅度定义的PMA中的振荡的幅度维持在线性范围中。
伺服电路的自然频率和刚度越高，该线性范围越减少。该限制首先是由于取决于PMA的轴承表面和电磁材料的饱和电磁感应的电磁铁的最大力，以及其次是由于基于电源电压和最大电流输出的功率放大器的最大功率。
在线性范围之外，例如在存在由大于磁轴承的负载能力的干扰力引起的大幅度振荡时，电磁铁的力或放大器的功率的饱和使得伺服电路的增益和自然频率减小，以及具有减少或消除由校正网络的微分作用提供的相位提前的效应的相位滞后。这导致不稳定性，其结果对PMA是尤其有害的(该效应被称为“手提钻(jackhammer)”)。
用于弥补该不稳定性的已知解决方案被FR2706549公开，并且包括提供仅在其线性范围之外的操作期间调整作为振荡的幅度的函数的成比例的增益并且提供互补相位提前的校正网络。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点并且提出一种减少伺服电路的刚度和自然频率并且放大相位提前的数字非线性校正器。
根据本发明，提供一种主动磁轴承的数字非线性校正器，其接收输入信号x(t)并且输出用于控制所述主动磁轴承的位置的输出控制信号u(t)，输入信号由ADC电路数字化并且提供给加法器，其特征在于，该数字非线性校正器包括闭环控制回路(closed control loop)，该闭环控制回路传递中间数字序列y[kT]并且具有包括第一成比例增益电路的直接支路以及包括低通滤波器和死区电路的串联连接的反馈支路，使得当达到所述输出控制信号的确定的上限值和下限值时，激活(activate)所述低通滤波器，当没有达到这些确定的上限值和下限值时，输出控制信号再现输入信号。
利用该配置，在线性范围内，输出等于输入，并且在线性范围外，闭环回路转移函数对应于相位超前转移函数。
根据本发明的另一特征，所述加法器的输出提供从其传递控制所述主动磁轴承的位置的所述输出控制信号的最终数字序列u[kT]。
优选地，所述低通滤波器具有确定的截止频率，以创建足够的相位超前，从而避免主动磁轴承的不稳定性。
有利地，所述死区电路的输入i[kT]和输出o[kT]序列验证下列条件：
对于module(i[kT])<Δ/2＝>o[kT]＝0
对于i[kT]≥Δ/2＝>o[kT]＝i[kT]-Δ/2
对于i[kT]≤-Δ/2＝>o[kT]＝i[kT]+Δ/2
其中Δ是与所述主动磁轴承的气隙的百分比(通常在30到50％的范围内)对应的确定的阈值。
附图说明
参考示出本发明的实施例的附图，将更好地理解本发明，并且在下列描述中本发明的进一步细节和优点将更为清楚，并且其中：
-图1示出根据本发明的主动磁轴承的数字非线性校正器的实施例，以及
-图2示出图1的数字非线性校正器的重要信号。
具体实施方式
图1示出根据本发明的当经受大幅度振荡时用于向PMA提供吸收动作的数字非线性校正器的优选实施例。
该数字非线性校正器被引入位置控制回路(未示出)中。PMA的测量的位置(图2的曲线30)x(t)在由时段T的同步时钟14定义的采样时刻k(已知采样频率根据PMA的带宽选择)由模数转换器(ADC 12)被转换为数字形式x[kT]。由ADC12传递的第一数字序列在加法器16中与由接收死区电路20的输出的低通滤波器18在校正器的反馈支路中传递的第二数字序列相加，死区电路20的输入由加法器16通过校正器的直接支路中的增益因数K的第一成比例增益电路22提供的中间数字序列y[kT]供应。加法器16的输出生成具有有利的成比例、积分和微分(PID)转移函数并且生成用于PMA的位置的控制的信号u(t)的控制器24的最终数字序列u[kT](图2的曲线32)。
低通滤波器18具有确定的截止频率，以便创建足够的相位超前以避免PMA的不稳定性。
死区电路20的输入i[kT]和输出o[kT]序列必须验证下列条件：
对于module(i[kT])<Δ/2＝>o[kT]＝0
对于i[kT]≥Δ/2＝>o[kT]＝i[kT]-Δ/2
对于i[kT]≤-Δ/2＝>o[kT]＝i[kT]+Δ/2
其中Δ是与气隙的百分比(通常在转子的最大位置的30到50％的范围内)对应的确定的阈值。
数字非线性校正器例如运行在由美国公司德州仪器(US Company TexasInstruments)供应的型号F2812的数字信号处理器(DSP)上。
磁轴承压缩器中根据本发明的数字非线性校正器的实现方式可以更好地评定这种校正器的实际利益。考虑下列数值：
对于给定的K和低通滤波器的给定的固定时间，由可以通过闭环回路转移函数容易地计算的所描述的非线性闭环回路控制引入的相位超前通过下列等式给出：
U(p)/Y(p)＝(K/(1+K))×(1+aT1p)/(1+T1p)
其中A＝1+K并且T1＝(1/(1+K))×T
然后死区函数的上限和下限被固定为最大气隙的百分比(通常30到50％中)乘以系数K。
Δ/2＝0.5×K
-Δ/2＝-0.5×K
假设磁轴承的间隙比线性范围的程度大得多，比该间隙高的任何振荡幅度导致放大器过载，并且由于伺服电路的增益和自然频率两者的减小对应地造成PMA的不稳定性。通过校正器的反馈支路中的低通滤波器和死区电路的串联连接的本发明的简单的解决方案引入伺服电路的稳定性所需的相位超前。

Claims (5)

1.一种主动磁轴承的数字非线性校正器(10)，其接收输入信号x(t)并且输出用于控制所述主动磁轴承的位置的输出控制信号u(t)，输入信号由模数转换器电路(12)数字化并且提供给加法器(16)，其特征在于，该数字非线性校正器包括闭环控制回路，该闭环控制回路传递中间数字序列y[kT]并且具有包括第一成比例增益电路(22)的直接支路以及包括低通滤波器(18)和死区电路(20)的串联连接的反馈支路，使得当达到所述输出控制信号的确定的上限值和下限值时，激活所述低通滤波器，当没有达到这些确定的上限值和下限值时，输出控制信号再现输入信号。
2.如权利要求1所述的数字非线性校正器，其特征在于，所述加法器的输出提供从其传递控制所述主动磁轴承的位置的所述输出控制信号的最终数字序列u[kT]。
3.如权利要求1或2所述的数字非线性校正器，其特征在于，所述低通滤波器具有确定的截止频率，以创建足够的相位超前，从而避免主动磁轴承的不稳定性。
4.如权利要求1或2所述的数字非线性校正器，其特征在于，所述死区电路的输入i[kT]和输出o[kT]序列验证下列条件：
对于module(i[kT])<Δ/2＝>o[kT]＝0
对于i[kT]≥Δ/2＝>o[kT]＝i[kT]-Δ/2
对于i[kT]≤-Δ/2＝>o[kT]＝i[kT]+Δ/2
其中Δ是与所述主动磁轴承的气隙的百分比对应的确定的阈值。
5.如权利要求4所述的数字非线性校正器，其特征在于，所述气隙的百分比在30到50％的范围内。
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