CN113700739B - 用于磁悬浮飞轮的变化模态频率计算方法及自适应陷波器组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于磁悬浮飞轮的变化模态频率计算方法及自适应陷波器组。计算方法，如下，用示波器对AD采样芯片采样的电压信号进行计算，得到静态下飞轮转子的模态频率为f0；在常温20°下，测得两个不同转速时的模态频率分别为f1、f2，额定转速发热时，模态频率为f3，转速为n，温度为t时，转速补偿f转速：
Figure DDA0003971737890000011
温度补偿为f温度：
Figure DDA0003971737890000012
不同转速和温度下的模态频率计算如下：在温度20°、转速达到额定转速15000r/min之前的模态频率fa为：f0+f转速；当转速n达到额定转速时，温度为t时的模态频率fb为：f0+f转速+f温度。本发明提高了磁悬浮飞轮系统的运行的安全性，有效消除了自激振荡。

Description

用于磁悬浮飞轮的变化模态频率计算方法及自适应陷波器组
技术领域
本发明涉及一种用于磁悬浮飞轮的变化模态频率计算方法及自适应陷波器组。
背景技术
目前，磁悬浮控制技术在飞轮储能以及航空航天等领域应用广泛，与机械轴承相比磁轴承有更为显著的优点，高速转子系统已经在离心机，高精度数控机床、透平机、储能飞轮、以及磁悬浮飞轮得到广泛应用。但转子的额定转速较高时，磁轴承需要更高的控制带宽，强陀螺效应和非线性因素会使转子出现震荡扰动，影响磁悬浮控制系统的正常运作。磁悬浮飞轮转子的扰动根频域特征可分为同频分量、倍频分量以及模态分量三类，实验测试结果表明，在飞轮转速变化，倍频分量与机械固有频率重合共振的情况下，倍频分量更加突出，此时会产生自激振荡，经过陷波器处理后虽能抑制此状况，但随转速和温度的变化，模态频率也会随着发生变化，此时的陷波器不能有效的将移动变化的模态频率滤除，自激振荡的出现会导致转子在高转速下失稳。同时，经实验发现随着转速升高导致细长型转子变短的微小形变使模态频率变大，额定转速下长时间运行下温度升高使细长型转子变长，使固有频率在原来基础上变小，原来的滤除模态的陷波器就失去作用。
发明内容
为解决此问题，本发明提出了一种用于磁悬浮飞轮的变化模态频率计算方法，应用于磁悬浮系统，计算出不同转速和温度下的模态频率。
本发明所采用的技术方案为：一种用于磁悬浮飞轮的变化模态频率计算方法，如下，用示波器对AD采样芯片采样的电压信号进行FFT计算，得到静态下飞轮转子的模态频率为f0；当飞轮转子在升速过程中，同时测得变化的模态频率：在常温20°下，转速分别达到5000r/min和15000r/min时，模态频率分别为f1、f2，额定转速15000r/min下长时间运行温度80°时，模态频率为f3，
设转速为n，温度为t时，
转速补偿f转速：
Figure GDA0003971737880000021
温度补偿为f温度：
Figure GDA0003971737880000022
不同转速和温度下的模态频率计算如下：
在温度20°、转速达到额定转速15000r/min之前的模态频率fa为：f0+f转速；
当转速n达到额定转速15000r/min时，温度为t时的模态频率fb为：f0+f转速+f温度。
本发明的另一目的是提供采用如上所述的变化模态频率计算方法得出的一种自适应陷波器组，将飞轮转子在不同温度和转速条件下的变化模态频率滤除，抑制高速飞轮转子出现扰动震荡，使其保持稳定。
本发明所采用的技术方案为：采用如上方法的一种自适应陷波器组包括多个陷波器，分别滤除：在温度20°时，飞轮转子，静态时的模态频率，同时在温度20°时，随转速提高，转速8000r/min时的模态频率、转速12000r/min时的模态频率、到达额定转速15000r/min时的模态频率；保持额定转速15000r/min时，在温度50°时的模态频率和在温度70°时的模态频率。
进一步的，本发明还具有如下技术特征：所述的自适应陷波器组包括6个陷波器0-5，陷波器0采用切比雪夫Ⅱ陷波器，在温度20°时，陷波器0滤除飞轮转子静态时的模态频率，同时在温度20°时，随转速提高，陷波器1滤除转速8000r/min时的模态频率、陷波器2滤除转速12000r/min时的模态频率，陷波器3滤除到达额定转速15000r/min时的模态频率；保持额定转速15000r/min时，陷波器4滤除在温度50°时的模态频率，陷波器5滤除在温度70°时的模态频率。
进一步的，提供采用如上所述的自适应陷波器组得出的一种分段滤除变化模态频率的方法，如下：飞轮转子静态悬浮启用陷波器0，判断转速到达8000r/min时，启用陷波器1，没有达到时用陷波器0，陷波器1启用后判断转速是否达到12000r/min，达到时启用陷波器2，没有达到时返回上一个判断条件，陷波器2启用后判断转速是否达到15000r/min，达到时启用陷波器3，没有达到时返回上一个判断条件，此时已达到额定转速15000r/min，再判断温度条件：温度在大于40°小于60°时用陷波器4，没有达到这一温度条件返回上一判断条件，温度大于60°小于80°时用陷波器5，没有达到时返回上一个判断条件。
本发明的优点及有益效果：本发明提高了磁悬浮飞轮系统的运行的安全性，有效消除了系统的自激振荡。
附图说明
图1为本发明控制系统结构简图。
图2为本发明程序流程图。
具体实施方式
下面根据说明书附图举例对本发明做进一步的说明：
实施例1
本实施例公开的一种磁悬浮控制系统，由DSP芯片和FPGA芯片共同作用，DSP控制程序中包含PID算法、陷波器滤波算法和交叉算法以及陀螺效应补偿，DSP芯片将调理后的输出信号发送给FPGA芯片，FPGA芯片产生PWM信号通过驱动功率桥得到期望电流。
如图1所示，DSP1将经过处理的输出信号发送给FPGA2，FPGA2输出pwm信号在经过功率桥3得到期望电流，作用到飞轮转子4上，传感器5从飞轮采集的转速和温度信号在DSP1程序中判断启用不同的陷波器，根据AD采样芯片6的电流信号和位置电压信号反馈到DSP1形成闭环实现飞轮悬浮。
本实施例以某型号飞轮为实验样本，转子的结构型式为G50号钢，分析计算得到一阶模态为635HZ，设计用切比雪夫Ⅱ陷波器将静态一阶模态滤除，在控制系统中解决模态变化的问题可用分段陷波滤波器将移动的模态滤除，实现磁悬浮功能正常运作，为验证提出设计方法的有效性，通过实验验证。根据实验数据采样到几组数据：
在常温20°下，转速分别达到5000r/min和15000r/min时，模态频率分别为690HZ、880HZ，
额定转速下15000r/min长时间运行直到温度达到40°和80°时，模态频率又变为760HZ和580HZ，那么根据样机的实验数据分析，设转速为n，温度为t，
转速补偿为
Figure GDA0003971737880000051
温度补偿为
Figure GDA0003971737880000052
根据以上的实验数据分析出计算陷波频率的公式：
在常温20°下转速达到额定转速之前的模态频率fa为：
Figure GDA0003971737880000053
转速达到额定转速，长时间运行之后的模态频率fb为：
Figure GDA0003971737880000054
根据上述的变化模态频率的计算公式，设计出6个陷波器。陷波器0是滤除静态下的模态频率635HZ，陷波器1是滤除8000r/min时的模态频率690HZ，陷波器2是滤除12000r/min下的模态频率770HZ，陷波器3是滤除15000r/min下的模态频率880HZ，陷波器4是滤除额定转速15000r/min时，温度到50°的模态频率730HZ，陷波器5是滤除额定转速下温度到70°的模态频率630HZ。
采用如上的自适应陷波器组的得出的一种分段滤除变化模态频率的方法，如下，飞轮转子静态悬浮启用陷波器0，判断转速到达8000r/min时，启用陷波器1，没有达到时用陷波器0，陷波器1启用后判断转速是否达到12000r/min，达到时启用陷波器2，没有达到时返回上一个判断条件，陷波器2启用后判断转速是否达到15000r/min，达到时启用陷波器3，没有达到时返回上一个判断条件，此时已达到额定转速，以此类推再以同样的方式判断温度条件：温度在大于40°小于60°时用陷波器4，没有达到这一温度条件返回上一判断条件，温度大于60°小于80°时用陷波器5，没有达到时返回上一个判断条件。

Claims (1)

1.一种用于滤除磁悬浮飞轮的变化模态频率的方法，其特征在于，方法如下：采用6个陷波器，在温度20°时，陷波器0采用切比雪夫Ⅱ陷波器滤除静态时的模态频率，同时在温度20°时，随转速提高，陷波器1滤除转速8000r/min时的模态频率、陷波器2滤除转速12000r/min时的模态频率，陷波器3滤除到达额定转速15000r/min时的模态频率；保持额定转速15000r/min时，陷波器4滤除在温度50°时的模态频率，陷波器5滤除在温度70°时的模态频率；
其中，磁悬浮飞轮在不同变化模态频率的计算方法如下：用示波器对AD采样芯片采样的电压信号进行FFT计算，得到静态下飞轮转子的模态频率为f0；当飞轮转子在升速过程中，同时测得变化的模态频率：在常温20°下，转速分别达到5000r/min和15000r/min时，模态频率分别为f1、f2，额定转速15000r/min下长时间运行温度80°时，模态频率为f3，
设转速为n，温度为t时，
转速补偿f转速：
Figure FDA0003971737870000011
温度补偿为f温度：
Figure FDA0003971737870000012
不同转速和温度下的模态频率计算如下：
在温度20°、转速达到额定转速15000r/min之前的模态频率fa为：
f0+f转速；
当转速n达到额定转速15000r/min时，温度为t时的模态频率fb为：
f0+f转速+f温度；
采用分段滤除变化模态频率：当飞轮转子静态悬浮启用陷波器0，判断转速到达8000r/min时，启用陷波器1，没有达到时用陷波器0，陷波器1启用后判断转速是否达到12000r/min，达到时启用陷波器2，没有达到时返回上一个判断条件，陷波器2启用后判断转速是否达到15000r/min，达到时启用陷波器3，没有达到时返回上一个判断条件，此时已达到额定转速15000r/min，再判断温度条件：温度在大于40°小于60°时用陷波器4，没有达到这一温度条件返回上一判断条件，温度大于60°小于80°时用陷波器5，没有达到时返回上一个判断条件。
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