CN112833097A - 一种基于广义控制方式的电磁轴承用集成式数字控制方法 - Google Patents

一种基于广义控制方式的电磁轴承用集成式数字控制方法 Download PDF

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CN112833097A CN202011367598.XA CN202011367598A CN112833097A CN 112833097 A CN112833097 A CN 112833097A CN 202011367598 A CN202011367598 A CN 202011367598A CN 112833097 A CN112833097 A CN 112833097A
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    • G05B19/0423—Input/output

Abstract

本申请提供一种基于广义控制方式的电磁轴承用集成式数字控制方法，所述方法包括：测量位移信号x、电流信号i、母线电压信号U；利用所述母线电压信号U和预先设置的占空比a，计算出每个线圈对应的线圈电压u；根据位移信号x、电流信号i、母线电压信号U、线圈电压u和控制对象的物理参数，预先设置控制器的位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu；通过调节所述位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、为电流比例反馈系数PI、电流积分反馈系数II、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu，对电磁轴进行控制。

Description

一种基于广义控制方式的电磁轴承用集成式数字控制方法
技术领域
本发明属于力控制系统设计技术，具体涉及一种基于广义控制方式的电磁轴承用集成式数字控制方法。
背景技术
电磁轴承是利用电磁力作用将转子悬浮于空间，使转子与定子之间实现无机械摩擦支承的一种新型高性能轴承，是典型的机电一体化产品。它具有高转速、无接触、不需要润滑和密封、振动小、使用寿命长、维护费用低等一系列的优良品质。
电磁轴承主要由控制系统和作动装置两部分组成：作动装置包括定子和转子。由于电磁轴承具有开环不稳定性的特征，必须采用控制器进行在线闭环控制。控制器输出指令至功率放大器，后者的输出电流流经定子产生电磁力对转子的位移施加影响，状态反馈传感器检测出作动装置的状态信息并反馈至控制器，后者指引功率放大器调节作动装置的电磁力，实现转子的稳定悬浮。
电磁轴承主要有三种控制方式：电流控制、电压控制以及磁通控制。三种控制方式主要区别在于选取的线性化模型不同和传递至控制器中的反馈信号不同。电流控制方法基于二阶模型实施简单，但缺乏对电磁力响应速度的有效处理；电压控制方法基于三阶模型，精度高，但控制参数的选取困难；磁通控制方法基于原始模型，精度最高，该方法要求在线测量通过磁路的磁通量，但由于电磁轴承气隙很小，一般不超过1mm，测量仪器安装困难。针对不同控制方法，需要对应设计控制系统。旋转机械领域的电磁轴承数字控制系统大多采用电流控制方法，根本原因在于，电流控制方法可以采用相对简单、通用的PID 控制算法实现稳定控制，专利CN1322662C中采用的是典型的电流控制方法设计了磁轴承控制系统，专利CN105974790A在电流控制方法的基础上，利用磁通控制方法实现了对磁悬浮飞轮/控制力矩陀螺的微振动控制。目前尚无一种控制系统可同时实现以上三种控制方法。
电磁轴承用控制系统主要包括控制器和功放两个模块，通过控制器和功放的类型进行控制系统的跨代分类。控制系统的发展主要经过了三代，模拟控制系统、半数字控制系统以及全数字控制系统。模拟控制系统控制器和功放全采用模拟电路实现，控制算法的移植性较差；半数字控制系统利用A/D+D/A的模式，以专利CN103122931A为代表，但此类模式下，仅用到数字芯片的A/D和 D/A模块，芯片利用效率不高，同时需要单独的PWM信号模块，功放的电路部分较为复杂，此外常规数字芯片(例如DSP)在D/A转换中耗时较为严重，在高速系统中必须进行考虑时滞影响，对控制算法的实现较为复杂。全数字功放的主要实施模式是数字芯片直接实现A/D+PWM，可以取消外围的PWM信号器件，简化电路设计，同时由于数字芯片输出PWM信号的时间很短，可以尽可能减小时滞影响，专利CN172852803836079A和专利CN1728528A都采用的是A/D+PWM 模式。
对于磁轴承作动电路，工作电平数决定了电流纹波大小，常规两电平模式下电流纹波很大，造成损耗严重，而三电平状态可使纹波电流降低一个数量级，但三电平模式下每个自由度至少需要4路PWM信号，对常规五自由度系统而言，最少需要20路PWM信号，驱动PWM信号通道数不足是磁轴承领域的一个明显的问题。专利CN102011799B采用某型DSP控制器直接输出PWM信号构建了数字控制系统，但只能实现五自由度的两电平工作。专利CN101599670B和 CN102013856B均采用FPGA搭配额外的A/D数字芯片(或DSP)，构建数字控制系统，实现了对电磁轴承五自由度三电平工作模式，但由于FPGA本身不带A/D 数字通道，额外的数字芯片会降低系统集成度和增加成本，同时FPGA芯片相对于DSP成本较高，且开发周期长，使用受限。
目前为止，主要的技术瓶颈如下：
1)尚未出现一种可同时实现三种控制方法的磁轴承用控制系统；
2尚未一种基于单DSP可实现五自由度、三电平模式的数字控制系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种基于广义控制方式的电磁轴承用集成式数字控制方法，可同时实现三种控制方法，并在一块DSP芯片的控制下实现五自由度三电平控制模式的继承集成式数字控制系，具有较高集成度、更强的功能和信号传输抗干扰性好的优点。
本申请提供一种基于广义控制方式的电磁轴承用集成式数字控制方法，所述方法包括：
测量位移信号x、电流信号i、母线电压信号U；
利用所述母线电压信号U和预先设置的占空比a，计算出每个线圈对应的线圈电压u；
根据位移信号x、电流信号i、母线电压信号U、线圈电压u和控制对象的物理参数，预先设置控制器的位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu；
通过调节所述位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、为电流比例反馈系数PI、电流积分反馈系数II、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu，对电磁轴进行控制。
优选的，所述对电磁轴进行控制，具体包括：
将Pu和Iu设为零，根据所述位移信号x，对位移微分得到速度
Figure RE-GDA0003018553070000031
联立得到状态矢量
Figure RE-GDA0003018553070000032
根据所述状态矢量
Figure RE-GDA0003018553070000033
矩阵
Figure RE-GDA0003018553070000034
矩阵
Figure RE-GDA0003018553070000035
和输入矢量
Figure RE-GDA0003018553070000036
获得电磁轴承系统的第一状态空间变量
Figure RE-GDA0003018553070000037
其中：
Figure RE-GDA0003018553070000038
Ki为电流刚度、m为转子质量、Ks为位移刚度、i为线圈电流；
根据母线电压信号U，利用公式
Figure RE-GDA0003018553070000039
计算得到电流比例反馈系数Pi；
根据电流比例反馈系数Pi，利用公式Ix＝0.002Pi，计算得到电流积分反馈系数II；
状态空间变量
Figure RE-GDA0003018553070000041
将矩阵
Figure RE-GDA0003018553070000042
的极点配置为
Figure RE-GDA0003018553070000043
可以得到位移比例反馈系数Ps和位移微分反馈系数 Ds；
根据Is＝1.5Ps计算得到位移积分反馈系数Is；
根据获得的7个状态反馈系数：位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu，实现电流控制方法。
优选的，所述对电磁轴进行控制，具体包括：
将Pu、Iu以及Is设为零；
根据电感L、位移x、速度
Figure RE-GDA00030185530700000411
线圈电流i、状态矢量
Figure RE-GDA0003018553070000044
矩阵
Figure RE-GDA0003018553070000045
矩阵
Figure RE-GDA0003018553070000046
和输入矢量
Figure RE-GDA0003018553070000047
获得轴承系统的第二状态空间变量
Figure RE-GDA0003018553070000048
其中：
Figure RE-GDA0003018553070000049
线圈电压u作为输入信号；
基于状态空间变量
Figure RE-GDA00030185530700000410
利用极点配置法选择任意三个稳定的极点，可以得到位移比例反馈系数Ps、位移微分反馈系数Ds以及电流比例反馈系数Pi；
根据再Ii＝C1Pi，得到电流积分反馈系数Ii；
根据获得的7个状态反馈系数：位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu，实现电压控制方法。
优选的，所述对电磁轴进行控制，具体包括：
构造电流模型
Figure RE-GDA0003018553070000051
和电压模型
Figure RE-GDA0003018553070000052
其中：N为线圈匝数、μ0为真空磁导率、A为线圈磁极面积、μ0为真空磁导率和R为线圈电阻；
构造一个低通滤波器
Figure RE-GDA0003018553070000053
和一个高通滤波器
Figure RE-GDA0003018553070000054
其中，τ为时间常数，s 为频率；
根据电流模型
Figure RE-GDA0003018553070000055
电压模型
Figure RE-GDA0003018553070000056
低通滤波器
Figure RE-GDA0003018553070000057
和高通滤波器
Figure RE-GDA0003018553070000058
获得磁通观测值：
Figure RE-GDA0003018553070000059
选取磁通比例反馈系数
Figure RE-GDA00030185530700000510
和磁通微分反馈系数
Figure RE-GDA00030185530700000511
分别与磁通观测值
Figure RE-GDA00030185530700000512
进行比例运算、微分运算后求和得到反馈磁通量
Figure RE-GDA00030185530700000513
将反馈磁通量
Figure RE-GDA00030185530700000514
分别对位移x、速度
Figure RE-GDA00030185530700000515
电流i、电流响应速度i，电压u，电压响应速度
Figure RE-GDA00030185530700000516
进行求导，得到位移比例反馈系数Ps、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu以及电压积分反馈系数Iu；
选取位移积分反馈系数Is等于位移比例反馈系数Ps；
根据获得的7个状态反馈系数：位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu，实现了电磁轴承的磁通控制。
优选的，所述τ根据系统物理参数决定。
优选的，所述τ为10μs。
优选的，根据再Ii＝C1Pi得到电流积分反馈系数Ii，具体包括：
根据再Ii＝0.002Pi得到电流积分反馈系数Ii。
优选的，选取磁通比例反馈系数
Figure RE-GDA00030185530700000517
和磁通微分反馈系数
Figure RE-GDA00030185530700000518
具体包括：
选取磁通比例反馈系数
Figure RE-GDA00030185530700000519
和磁通微分反馈系数
Figure RE-GDA00030185530700000520
综上所述，本发明与现有技术相比的优点在于：
1)在同一数字控制系统中，同时实现了电流控制、电压控制以及磁通控制三种控制方式；
2)基于单一DSP控制芯片，在不借助额外数字芯片的前提下同时实现了电磁五自由度的三电平控制模式；
3)实现了高速信号在控制系统和上位机之间的直接通信，取消了额外的数据采集卡，提高了集成化程度并降低了成本。
说明书附图
图1为本发明的结构组成框图。
图2为广义控制器的构造方式图。
图3为H桥换能电路的示意图。
具体实施方式
实施例一
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明包括包括DSP核心板1(包括A/D模块2、计算模块3、 SPI模块4以及EPWM模块5)、以太网模块6、计算机7、功率转换板8(包括缓存模块9、光耦模块10、驱动模块11、H半桥换能电路12)、作动装置13、信号监测模块14、信号调理模块15。
参考图1，DSP核心板的主芯片选用TI公司的TMS28377D或TMS28379D，以太网模块的主芯片选择为W5500，以太网模块插在DSP核心板上，以太网模块通过网线与计算机进行连接，DSP核心板插在信号调理模块上，信号调理板上数字地和模拟地分开布线，信号转换板通过排线与功率转换板连接，每块功率转换板可同时驱动4个线圈，每块功率转换板与作动装置通过电线连接。
工作时信号监测模块中的电流传感器、电涡流传感器分别捕获以及电压传感器在线对十路电流信号、五路位移信号、一路电压信号进行监测，之后将16 路信号传送到信号调理模块，后者把信号调理在0-3.V范围，之后通过A/D模块传送到计算模块，计算模块构造广义控制器后将数据通过SPI模块和以太网模块与计算机进行双向通信，同时计算模块把数据发送给EPWM模块，后者将数据转换为占空比后设置PWM信号的频率、占空比以及相位，每个自由度需要4 路PWM信号，后者通过缓存放大再传递至光耦模块，后者通过驱动模块驱动H 半桥换能电路向作动装置输出可控电流，电流调节作动装置的位移可同时改变其他反馈参数(位移和电压)。
实际应用中，工作中需要用到DSP数字控制器的A/D模块、计算模块、SPI 模块以及EPWM模块总共4个模块。信号监测模块将电流信号、电压信号以及位移信号捕获后，利用反馈信号调理模块进行电压转换与滤波，把信号调理后利用A/D模块传递到计算模块，后者通过获取的状态反馈信号构造广义控制器，同时通过以太网模块实现与上位机的数据通信，通过调节增益系数模拟不同的模型，将计算后的数据传递至EPWM模块调整占空比后输出PWM信号，后者通过信号调理板传递到缓存进行加强，之后通过光耦模块进行隔离以减小强电/弱电之间的干扰，隔离后的信号通过驱动模块直接控制H半桥换能电路工作在三电平工作模式，实现对作动装置电磁力的控制，最终保证将转子控制在预定位置，整个过程中的状态参数通过以太网模块实现DSP数字控制器和计算机的高速双向通信。
实施例二
参考图2，为本发明的广义控制器的构造方式，本发明直接测量的反馈信号有位移、电流、母线电压共三项，利用母线电压和控制器内的占空比数据可推算出每个线圈的电压值，故可用的有效状态反馈参数有位移、电流、电压三种，通过调节7个反馈参数的值即可实现任何一种控制方式，典型构造方法有：
1)电流控制：将Pu和Iu设为零，选取较大的Pi和适当的Ii，封闭电流环，电磁轴承系统简化为二阶模型，再调节Ps、Is以Ds进行优化，即可实现电流控制方法，电流方法的典型特征是需要很大的Pi，完全由硬件结构决定；
2)电压控制：将Pu、Iu以及Is设为零，在三阶模型、考虑线圈电感因素的条件下将选取最优Ps、Is、Ds以及Pi组合，即可构成电压控制器；
3)磁通控制：先不将任何参数取零，基于s、i以及u三项状态参数构造磁通观测器，构造模型有两个，分别为电流模型(1)和电压模型(2)，将两种模型综合在高频段让电压模型起作用，通过高通滤波器将电流模型的观测值滤除，在低频段让电流模型起作用，通过低通滤波器将电压模型的观测值；之后在二阶模型下选取最优的PID控制参数，反推出7项反馈参数，实现磁通控制。
Figure RE-GDA0003018553070000081
Figure RE-GDA0003018553070000082
其中：Ps为位移比例反馈系数；Is为位移积分反馈系数；Ds为位移微分反馈系数；PI为电流比例反馈系数；II为电流积分反馈系数；
Pu为电压比例反馈系数；
Iu为电压积分反馈系数；
N为线圈匝数；
μ0为真空磁导率；
A为线圈磁极面积；
μ0为真空磁导率；
R为线圈电阻。
参考图3，单自由度下控制占空比α确定后与基准占空比α0运算后，EPWM 模块直接输出PWM1、PWM3信号，同时在二者的基础上分别相移180°得到PWM2、 PWM4，选择PWM1和PWM2分别驱动上线圈的两个桥臂，PWM2和PWM4分别驱动下线圈的两个桥臂，H桥换能电路将处于高电平、低电平以及零电平三种模式。因此，每个自由度需要4路PWM信号，整个电磁轴承系统需要20路PWM信号，而本发明所选的芯片输出通道完全满足要求。
本发明可为电磁轴承提供高集成度、灵活性强、实施效率高的数字控制系。

Claims (8)

1.一种基于广义控制方式的电磁轴承用集成式数字控制方法，其特征在于，所述方法包括：
测量位移信号x、电流信号i、母线电压信号U；
利用所述母线电压信号U和预先设置的占空比ɑ，计算出每个线圈对应的线圈电压u；
根据位移信号x、电流信号i、母线电压信号U、线圈电压u和控制对象的物理参数，预先设置控制器的位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu；
通过调节所述位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、为电流比例反馈系数PI、电流积分反馈系数II、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu，对电磁轴进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对电磁轴进行控制，具体包括：
将Pu和Iu设为零，根据所述位移信号x，对位移微分得到速度
Figure RE-FDA0003018553060000011
联立得到状态矢量
Figure RE-FDA0003018553060000012
根据所述状态矢量
Figure RE-FDA0003018553060000013
矩阵
Figure RE-FDA0003018553060000014
矩阵
Figure RE-FDA0003018553060000015
和输入矢量
Figure RE-FDA0003018553060000016
获得电磁轴承系统的第一状态空间变量
Figure RE-FDA0003018553060000017
其中：
Figure RE-FDA0003018553060000018
Ki为电流刚度、m为转子质量、Ks为位移刚度、i为线圈电流；
根据母线电压信号U，利用公式
Figure RE-FDA0003018553060000019
计算得到电流比例反馈系数Pi；
根据电流比例反馈系数Pi，利用公式Ii＝0.002Pi，计算得到电流积分反馈系数II；
状态空间变量
Figure RE-FDA0003018553060000021
将矩阵
Figure RE-FDA0003018553060000022
的极点配置为
Figure RE-FDA0003018553060000023
可以得到位移比例反馈系数Ps和位移微分反馈系数Ds；
根据Is＝1.5Ps计算得到位移积分反馈系数Is；
根据获得的7个状态反馈系数：位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu,实现电流控制方法。
3.根据权利要求1述的方法，其特征在于，所述对电磁轴进行控制，具体包括：
将Pu、Iu以及Is设为零；
根据电感L、位移x、速度
Figure RE-FDA0003018553060000024
线圈电流i、状态矢量
Figure RE-FDA0003018553060000025
矩阵
Figure RE-FDA0003018553060000026
矩阵
Figure RE-FDA0003018553060000027
和输入矢量
Figure RE-FDA0003018553060000028
获得轴承系统的第二状态空间变量
Figure RE-FDA0003018553060000029
其中：
Figure RE-FDA00030185530600000210
线圈电压u作为输入信号；
基于状态空间变量
Figure RE-FDA00030185530600000211
利用极点配置法选择任意三个稳定的极点,可以得到位移比例反馈系数Ps、位移微分反馈系数Ds以及电流比例反馈系数Pi；
根据再Ii＝C1Pi,得到电流积分反馈系数Ii；
根据获得的7个状态反馈系数：位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu,实现电压控制方法。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对电磁轴进行控制，具体包括：
构造电流模型
Figure RE-FDA0003018553060000031
和电压模型
Figure RE-FDA0003018553060000032
其中：N为线圈匝数、μ0为真空磁导率、A为线圈磁极面积、μ0为真空磁导率和R为线圈电阻；
构造一个低通滤波器
Figure RE-FDA0003018553060000033
和一个高通滤波器
Figure RE-FDA0003018553060000034
其中，τ为时间常数，s为频率；
根据电流模型
Figure RE-FDA0003018553060000035
电压模型
Figure RE-FDA0003018553060000036
低通滤波器
Figure RE-FDA0003018553060000037
和高通滤波器
Figure RE-FDA0003018553060000038
获得磁通观测值：
Figure RE-FDA0003018553060000039
选取磁通比例反馈系数
Figure RE-FDA00030185530600000310
和磁通微分反馈系数
Figure RE-FDA00030185530600000311
分别与磁通观测值
Figure RE-FDA00030185530600000312
进行比例运算、微分运算后求和得到反馈磁通量
Figure RE-FDA00030185530600000313
将反馈磁通量
Figure RE-FDA00030185530600000314
分别对位移x、速度
Figure RE-FDA00030185530600000315
电流i、电流响应速度i，电压u，电压响应速度
Figure RE-FDA00030185530600000316
进行求导，得到位移比例反馈系数Ps、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu以及电压积分反馈系数Iu；
选取位移积分反馈系数Is等于位移比例反馈系数Ps；
根据获得的7个状态反馈系数：位移比例反馈系数Ps、位移积分反馈系数Is、位移微分反馈系数Ds、电流比例反馈系数Pi、电流积分反馈系数Ii、电压比例反馈系数Pu和电压积分反馈系数Iu,实现了电磁轴承的磁通控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述τ根据系统物理参数决定。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述τ为10μs。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据再Ii＝C1Pi得到电流积分反馈系数Ii，具体包括：
根据再Ii＝0.002Pi得到电流积分反馈系数Ii。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，选取磁通比例反馈系数
Figure RE-FDA00030185530600000317
和磁通微分反馈系数
Figure RE-FDA00030185530600000318
具体包括：
选取磁通比例反馈系数
Figure RE-FDA0003018553060000041
和磁通微分反馈系数
Figure RE-FDA0003018553060000042
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