CN1738183A - 一种高速磁悬浮飞轮稳定控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，包括位移传感器、位移信号接口电路、转速检测电路、磁轴承控制器和磁轴承功率放大驱动电路。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，其中径向磁轴承控制器由分散PID控制模块和交叉反馈控制模块两部分组成，两模块输出之间以相互交叉并联的反馈方式相连。本发明在分散PID控制的基础上，并联引入由前向涡动滤波器和后向涡动滤波器组成的交叉反馈控制，利用前向涡动、后向涡动在频率和涡动方向上的差别，以及前向涡动、后向涡动随转速的变化规律，结合飞轮转子转速信号，对前向涡动和后向涡动同时实现相位超前补偿，从而有效提升飞轮的临界转速，同时保证磁悬浮飞轮系统在整个升、降速过程中稳定运转。

Description

一种高速磁悬浮飞轮稳定控制系统
所属技术领域
本发明涉及一种磁悬浮飞轮控制系统，用于高速磁悬浮飞轮的稳定悬浮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。磁悬浮飞轮具有高转速、长寿命、低振动、低功耗，以及高储能密度等优点，在航空航天、交通运输、电力能源等领域有着广泛的应用前景。特别是在航天应用方面，磁悬浮飞轮即可用作动量轮进行姿态控制，又可以作为储能单元替代蓄电池，从而实现姿控和储能的一体化。
磁悬浮飞轮控制技术是磁悬浮飞轮实现高速稳定运转的关键，为了实现大动量、大储能密度，磁悬浮飞轮通常采用大惯量转子结构高速运转，由于其转子动力学特性所固有的强陀螺耦合效应，当采用分散PID控制时，转子系统的两个涡动模态一前向涡动(章动)和后向涡动(进动)，在高速时会因为低阻尼而变得不稳定，使得飞轮系统无法达到额定转速。针对飞轮转子的陀螺效应问题，已经提出了许多种控制方法，一类是以现代控制理论为基础的控制方法，如增益规划H∞控制、滑模控制、鲁棒控制、自适应控制、非线性控制等，大都要求数字实现，控制算法复杂，实时性不好。另一类则是传统的交叉反馈控制方法，控制算法简单，即可以采用模拟电路实现，又可以数字实现，同时保证良好的实时性。但是，现有的交叉反馈控制仅可以实现对低频后向涡动的控制，对于高频涡动，则由于受到多种因素的限制，很难取得满意的控制效果，从而成为制约磁悬浮飞轮实现高速稳定运转的最主要原因。
发明内容
本发明的目的是：克服现有磁悬浮飞轮控制系统在飞轮转子后向涡动、前向涡动稳定控制方面存在的不足，特别是解决磁悬浮飞轮高频涡动的稳定控制问题，提供一种高转速大惯量磁悬浮飞轮在整个升、降速过程中，可以同时对前向涡动和后向涡动实现稳定振动控制、简单实用的磁悬浮飞轮控制系统。
本发明的技术解决方案是：一种高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，包括位移传感器、位移信号接口电路、转速检测电路、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。其特点在于：所述的径向磁轴承控制器由X向两端的2个分散PID控制模块、Y向两端的2个分散PID控制模块及X向和Y向交叉反馈控制模块组成。由位移传感器检测出飞轮径向X两端位移信号和径向Y两端位移信号，经过位移信号接口电路后分为两路控制，其中一路分别送至4个分散PID控制模块，用于实现飞轮的静态悬浮和低转速下的稳定控制；另一路，X向两端位移信号经过涡动检测器将X向涡动信号检测出后，送至X向交叉反馈控制模块输入端，Y向两端位移信号经过涡动检测器将Y向涡动信号检测出后，送至Y向交叉反馈控制模块的输入端，X向交叉反馈控制模块的输出以相反的极性分别与Y向两端2个分散PID控制模块的输出相并联，Y向交叉反馈控制模块的输出以相反的极性分别与X向两端2个分散PID控制模块的输出相并联，整体上连接成X向、Y向交叉反馈控制模块输出之间相互反相与X向、Y向PID控制模块输出交叉并联的反馈方式，用于实现飞轮前向涡动和后向涡动的相位超前补偿控制；同时，转速检测电路将检测到的飞轮转速信号分别送至X向和Y向交叉反馈控制模块，用于交叉反馈控制模块跟踪飞轮转子的转速，以便能够随时调节其相位超前量和交叉反馈量；经过相位超前补偿的X向和Y向共4路径向输出控制信号和1路轴向输出控制信号经磁轴承功率放大驱动电路，生成控制电流送到磁轴承线圈，实现对飞轮转子的闭环主动悬浮控制。
所述的交叉反馈控制模块由前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道和交叉增益通道组成，可以实现不同转速下转子前向涡动和后向涡动信号的有效分离、反相和变交叉增益控制。前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道与交叉增益通道的连接方式，可以是前向涡动滤波通道与后向涡动滤波通道通过加法器反相并联后，再与交叉增益通道相串联，也可以是前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道分别与交叉增益通道先串联后，再通过加法器进行反相并联，前向涡动滤波通道与后向涡动滤波通道的输入信号为由涡动检测器检测得到的转子涡动信号，同时转速信号接入前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道和交叉增益通道中。
所述的前向涡动滤波通道由前向涡动滤波器和前向涡动滤波增益可调放大器串联组成，允许转子前向涡动频率信号通过。前向涡动滤波器可以是高通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器，前向涡动滤波器的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、增益与飞轮转速相关联，可以是跟随转速而变化的，也可以是固定的。所述的后向涡动滤波通道由后向涡动滤波器和后向涡动滤波增益可调放大器串联组成，允许转子后向涡动频率信号通过。后向涡动滤波器可以是低通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器，后向涡动滤波器的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、增益与飞轮转速相关联，可以是跟随转速而变化的，也可以是固定的。所述的交叉增益通道由交叉增益调节器组成，用于跟踪转速调节交叉控制量，其增益放大倍数与转速相关联，可以是跟随转速而变化的，也可以是固定的。
本发明的原理是：本发明中的分散PID控制模块，实现磁悬浮飞轮的静态悬浮和低转速下的稳定控制。在分散PID控制模块的基础上，同时并联引入主要由前向涡动滤波器和后向涡动滤波器组成的交叉反馈控制模块，构成能够实现飞轮转子径向运动部分解耦控制的多输入多输出(MIMO)控制系统，将前向涡动和后向涡动进行分离，并根据转速的变化，有针对性地分别调整后向涡动滤波通道和前向涡动滤波通道的交叉反馈控制量和相位超前量，同时实现对前向涡动和后向涡动的相位超前补偿控制。另外，将飞轮转速引入交叉反馈控制，使交叉反馈控制参数能够跟随转速的变化而不断调整，从而实现磁悬浮飞轮系统在整个升、降速过程中的稳定悬浮。
其实现具体原理阐述如下：
(1)利用转子涡动与平动的差别，由涡动检测器将转子涡动从转子位移检测信号中分离出来。
(2)利用前向涡动与后向涡动在振动频率上的差别，用前向涡动滤波器和后向涡动滤波器实现其分离。
(3)由于前向涡动与后向涡动在涡动方向以及振动频率上的差别，采用了相互反相的两条交叉反馈通道分别对前向涡动和后向涡动进行相位超前补偿。其中前向涡动滤波通道主要实现对前向涡动的交叉反馈控制，后向涡动滤波通道主要实现对后向涡动的交叉反馈控制。
(4)由于前向涡动和后向涡动的振动频率和幅度是随着转速、控制系统参数的变化而变化的，在两条交叉反馈控制通道中均引入了转速信号，并用于调整交叉反馈控制通道的交叉反馈控制量和相位超前量。
(5)相位超前补偿控制的实现主要是利用了转子涡动在不同几何检测位置上的相位差别，滤波器的频率特性，以及控制矢量合成原理。
本发明与现有技术相比的优点在于：保留了传统分散PID控制系统控制算法简单，易于参数整定、实现技术成熟的优点，用于磁悬浮飞轮转子的静态悬浮和平动稳定控制，同时又克服了分散PID控制系统不能有针对性地对飞轮转子涡动进行稳定控制的缺点。本发明的特点在于它增加了分别针对前向涡动和后向涡动的交叉反馈控制模块，特别是解决了高频涡动的稳定控制问题，从而可以防止磁悬浮飞轮由于陀螺效应引进的前向涡动和后向涡动失稳，抑制其他与转速相关的各种涡动模态振动，有效提升飞轮的临界转速，保证磁悬浮飞轮系统在整个升、降速过程中稳定运转。本发明所采用控制方法灵活，控制系统设计简单，即可以采用模拟方法实现，也可以采用数字方法实现。
附图说明
图1为本发明的一种磁悬浮飞轮控制系统构成示意图；
图2为本发明的一种磁悬浮飞轮径向磁轴承控制器原理框图；
图3为本发明的一种磁悬浮飞轮转子涡动示意图；
图4为本发明的一种交叉反馈控制模块原理框图；
图5为本发明的一种磁悬浮飞轮转子涡动无阻尼振荡频率随转速的变化曲线；
图6为本发明的一种前向涡动滤波通道实施方式原理框图；
图7为本发明的一种交叉增益通道实施方式原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括位移传感器1、位移信号接口电路2、转速检测电路4、磁轴承控制器5和磁轴承功率放大驱动电路6，位移信号接口电路2，用于对磁悬浮飞轮转子位移传感器1检测得到的四个径向位移A端X方向、Y方向位移，B端X方向、Y方向位移信号和一个轴向位移信号，进行调零、高频噪声滤波；转速检测电路4，用于将飞轮转速脉冲信号进行隔离、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的五路输出控制信号(四路径向输出控制信号和一路轴向输出控制信号)转换为驱动磁悬浮飞轮径向和轴向磁轴承线圈7的控制电流，从而实现磁悬浮飞轮的闭环稳定悬浮。
如图1、2所示，磁轴承控制器5由轴向磁轴承控制器和径向磁轴承控制器组成，其中径向磁轴承控制器是本发明的关键组成部分，如图2所示，Xa、Xb、Ya、Yb依次代表经位移信号接口电路2处理后得到的A端X向位移、B端X向位移、A端Y向位移、B端Y向位移，相应的输出控制信号依次为OUTxa、OUTxb、OUTya、OUTyb，Ω为经转速检测电路4处理后得到的量化转速信号。
径向磁轴承控制器由分散PID控制模块8和交叉反馈控制模块9两部分组成，两部分以相互交叉并联的方式11相连，组成多输入多输出(MIMO)控制系统。分散PID控制模块8，主要用于实现磁悬浮飞轮径向的静态悬浮和低转速下的稳定控制。交叉反馈控制模块9，则主要用于不同转速下前向涡动和后向涡动的相位超前补偿控制。
如图2所示，由位移传感器1检测出飞轮径向X两端位移信号Xa、Xb，径向Y两端位移信号Ya、Yb，经过位移信号接口电路2后分为两路控制，其中一路分别送至四个分散PID控制模块8，用于实现飞轮的静态悬浮和低转速下的稳定控制；另一路，X向两端位移信号Xa、Xb经过涡动检测器10将X向涡动信号检测出后，送至X向交叉反馈控制模块9输入端，Y向两端位移信号Ya、Yb经过涡动检测器10将Y向涡动信号检测出后，送至Y向交叉反馈控制模块9的输入端，X向交叉反馈控制模块9的输出以相反的极性分别与Y向两端两个分散PID控制模块8的输出相并联，Y向交叉反馈控制模块9的输出以相反的极性分别与X向两端两个分散PID控制模块8的输出相并联，整体上连接成X向、Y向交叉反馈控制模块输出之间相互反相与X向、Y向PID控制模块输出交叉并联的反馈方式11，用于实现飞轮前向涡动和后向涡动的相位超前补偿控制；同时，转速检测电路4将检测到的飞轮转速信号分别送至X向和Y向交叉反馈控制模块9，用于交叉反馈控制模块9跟踪飞轮转子3的转速，以便能够随时调节其相位超前量和交叉反馈量。
上述分散PID控制模块8和交叉反馈控制模块9两部分之间的相互反向交叉并联方式11依据所控转子涡动方向而定，为所控转子涡动提供相位超前控制，涡动可以是前向涡动，也可以是后向涡动。相位超前控制的实现主要是利用了转子涡动在不同几何检测位置上的相位关系。以图3为例，当转子涡动方向如图3所示时(依据图1中的坐标定义及转子旋转方向，此时的涡动为前向涡动)，则AX+处检测信号将超前AY+处检测信号90°，这时将AX+处的位移信号用于交叉(负)反馈控制AY+处的转子运动，将起到90°相位超前控制的作用；同理，若将AX+处的位移信号用于正反馈控制AX+处的转子运动，还可以进一步得到180°相位超前控制的作用。在实际应用中，可以根据实际系统相位滞后的严重程度不同进行选择。
如图4所示，交叉反馈控制模块9由前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道和交叉增益通道组成，用于实现不同转速下转子前向涡动和后向涡动信号的有效分离、反相和变交叉增益控制。前向涡动滤波通道由前向涡动滤波器14和前向涡动滤波增益可调放大器(KH)15串联组成，前向涡动滤波器可以是高通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器，此例中为高通滤波器，用于滤出高频前向涡动信号。后向涡动滤波通道由后向涡动滤波器12和后向涡动滤波增益可调放大器(KL)13串联组成，后向涡动滤波器可以是低通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器，此例中为低通滤波器，用于滤出低频后向涡动信号。两滤波通道通过加法器16以相反的极性相并联。交叉增益通道由交叉增益调节器17组成，用于跟踪转速调节交叉控制量。另外，本发明交叉反馈控制模块9还可以是前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道分别与交叉增益通道先串联后，再通过加法器16进行反相并联组成。前向涡动滤波通道与后向涡动滤波通道的输入信号为由涡动检测器10检测得到的转子涡动信号，同时将转速信号Ω接入前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道和交叉增益通道中，用于跟随转速变化调整前向涡动滤波器14和后向涡动滤波器12的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、增益，以及跟随转速变化调节交叉增益调节器17的增益放大倍数。
为了对本发明交叉反馈控制模块的实施方式给予补充说明，图5给出了一种磁悬浮飞轮转子涡动无阻尼振荡频率随转速的变化规律。当转子转速为零时，转子涡动频率唯一，起始频率主要由控制系统增益决定。转速不为零时，涡动频率分叉为前向涡动和后向涡动两个频率，其中前向涡动方向与转子旋转方向相同，其涡动频率在图中用正值表示；后向涡动方向与转子旋转方向相反，其涡动频率在图中用负值表示。随着转速的上升，前向涡动频率不断增大，最后趋近于Jp/Je×Ω(Jp为飞轮转子极转动惯量，Je为飞轮转子赤道转动惯量)；后向涡动频率不断减小，最后趋近于0。
为了使磁悬浮飞轮控制系统有更好的适应性，本实施例中前向涡动滤波器和后向涡动滤波器的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、增益是可调的，在实际应用中可以根据转速的变化，采用不同的滤波器特征频率、阶次和增益，但也可以是固定不变的，视实际情况确定。在具体实施时，可以依据转速变化，采用多路前向(后向)滤波通道分级切换的方法来实现。以前向涡动滤波通道为例，如图6所示，可将前向涡动滤波通道分为多级，本例采用了三级，高通滤波器(HPF1)21、高通滤波增益放大器(KH1)22组成第一级，高通滤波器(HPF2)24、高通滤波增益放大器(KH2)25组成第二级，高通滤波器(HPF3)27、高通滤波增益放大器(KH3)28组成第三级，跟随转速Ω由低速，到中速，再到高速的变化，控制切换开关19实现由第一级，到第二级，再到第三级的切换。
交叉增益通道的交叉增益调节器17，可以根据转速的变化，采用乘法器，实现正比于转速的变增益放大，也可以采用多路交叉增益通道分级切换的方法，实现可调增益放大，用于跟踪转速调节交叉控制量。但也可以直接采用比例放大器，实现固定增益放大，视实际情况确定。采用乘法器具体实施变增益放大时，如图7所示，可将经交叉比例放大调节器(KC)30调整的转速信号Ω并同滤波通道输出一起，作为乘法器31的两个输入，由乘法器实现交叉控制量跟随转速的变增益放大调节。
本发明中，由于磁悬浮飞轮轴向的悬浮控制单独采用传统的PID控制就可以很容易地实现，同时对磁悬浮飞轮高速稳定悬浮并不造成严重影响，因此在本发明的图例中均未对磁悬浮飞轮轴向控制系统进行特别标示，但不应理解为其不是本发明的组成部分。
本发明的磁悬浮控制器5可以采用运放电路等模拟实现，亦可以采用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 (10)

1、一种高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，包括位移传感器(1)、位移信号接口电路(2)、转速检测电路(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和径向磁轴承控制器组成，其特征在于：所述的径向磁轴承控制器由X向两端的2个分散PID控制模块(8)、Y向两端的2个分散PID控制模块(8)及X向和Y向交叉反馈控制模块(9)组成，位移传感器(1)检测出飞轮径向X两端位移信号Xa、Xb，径向Y两端位移信号Ya、Yb，经过位移信号接口电路(2)后分为两路控制，其中一路分别送至4个分散PID控制模块(8)，用于实现飞轮的静态悬浮和低转速下的稳定控制；另一路，X向两端位移信号Xa、Xb经过涡动检测器(10)将X向涡动信号检测出后，送至X向交叉反馈控制模块(9)输入端，Y向两端位移信号Ya、Yb经过涡动检测器(10)将Y向涡动信号检测出后，送至Y向交叉反馈控制模块(9)的输入端，X向交叉反馈控制模块(9)的输出以相反的极性分别与Y向两端2个分散PID控制模块(8)的输出相并联，Y向交叉反馈控制模块(9)的输出以相反的极性分别与X向两端2个分散PID控制模块(8)的输出相并联，整体上连接成X向、Y向交叉反馈控制模块输出之间相互反相与X向、Y向PID控制模块输出交叉并联的反馈方式(11)，用于实现飞轮前向涡动和后向涡动的相位超前补偿控制；同时，转速检测电路(4)将检测到的飞轮转速信号分别送至X向和Y向交叉反馈控制模块(9)，用于交叉反馈控制模块(9)跟踪飞轮转子(3)的转速，以便能够随时调节其相位超前量和交叉反馈量；经过相位超前补偿的X向和Y向共4路径向输出控制信号和1路轴向输出控制信号经磁轴承功率放大驱动电路(6)，生成控制电流送到磁轴承线圈(7)，实现对飞轮转子(3)的闭环主动悬浮控制。
2、根据权利要求1所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的交叉反馈控制模块(9)由前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道和交叉增益通道组成，前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道与交叉增益通道的连接方式，可以是前向涡动滤波通道与后向涡动滤波通道通过加法器反相并联后，再与交叉增益通道相串联，也可以是前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道分别与交叉增益通道先串联后，再通过加法器进行反相并联，前向涡动滤波通道与后向涡动滤波通道的输入信号为由涡动检测器(10)检测得到的转子涡动信号，同时转速信号接入前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道和交叉增益通道中。
3、根据权利要求1所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的前向涡动滤波通道由前向涡动滤波器(14)和前向涡动滤波增益可调放大器(15)串联组成，允许转子前向涡动频率信号通过。
4、根据权利要求3所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的前向涡动滤波器可以是高通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器。
5、根据权利要求3所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的前向涡动滤波器的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、增益与飞轮转速相关联，可以是跟随转速而变化的，也可以是固定的。
6、根据权利要求1所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的后向涡动滤波通道由后向涡动滤波器(12)和后向涡动滤波增益可调放大器(13)串联组成，允许转子后向涡动频率信号通过。
7、根据权利要求6所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的后向涡动滤波器可以是低通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器。
8、根据权利要求6所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的后向涡动滤波器的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、增益与飞轮转速相关联，可以是跟随转速而变化的，也可以是固定的。
9、根据权利要求1所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的交叉增益通道由交叉增益调节器(17)组成，用于跟踪转速调节交叉控制量。
10、根据权利要求9所述的高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，其特征在于：所述的交叉增益调节器的增益与飞轮转速相关联，可以是跟随转速而变化的，也可以是固定的。
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