一种基于并联相移滤波器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法

文档序号:8942505阅读:756来源:国知局
一种基于并联相移滤波器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁悬浮转子谐波电流抑制的技术领域,具体涉及一种基于并联相移滤 波器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法,用于对磁悬浮控制力矩陀螺转子系统中的谐波电流 进行抑制,为磁悬浮控制力矩陀螺在"超静"卫星平台上的应用提供技术支持。
【背景技术】
[0002] 随着我国航空航天事业的不断深化,对卫星平台的指向精度和稳定度要求越来越 高。磁悬浮控制力矩陀螺采用磁轴承支承,具有无摩擦、长寿命、主动振动可控等优点,是实 现"超静"卫星平台的理想执行机构之一。
[0003] 磁悬浮控制力矩陀螺依据支承转子的磁轴承主动控制自由度个数,可以分为全主 动磁悬浮控制力矩陀螺和主被动磁悬浮控制力矩陀螺。主被动磁悬浮控制力矩陀螺的部分 自由度由主动磁轴承控制,较全主动磁悬浮控制力矩陀螺来说,具有低功耗、结构紧凑、体 积小等优点。虽然磁悬浮控制力矩陀螺无摩擦,但是仍然存在高频振动,影响卫星平台的指 向精度和稳定度。磁悬浮控制力矩陀螺的高频振动主要由转子不平衡和传感器谐波引起, 不仅会导致同频振动,还会造成倍频振动,合称为谐波振动。其中转子不平衡量是主要振动 源,由转子质量的不平衡引起。由于传感器检测面的圆度误差、材质不理想、电磁特性不均 匀等原因,位移传感器信号中存在同频和倍频成分,即传感器谐波。随着转速的上升,当倍 频成分接近转子的框架或壳体的固有模态时,会引起共振,振动幅值会急剧增加,严重影响 超静卫星平台的高精度性能。
[0004] 谐波振动抑制可以分为零电流、零位移和零振动三类,其中零电流可以用最少的 计算量和功耗抑制大部分的振动,本发明对磁悬浮转子进行谐波电流视为扰动进行谐波电 流抑制,实现零电流。现有技术主要针对单一频率的干扰进行抑制,对于谐波扰动抑制研究 相对较少,如重复控制器、陷波器等。其中,陷波器以其简单、实用等特点,在磁悬浮转子振 动控制中得到广泛应用。针对单一频率的振动抑制,在传统陷波器基础上提出了通用陷波 器,即通过引入矩阵来确保系统的稳定性。对于多个频率的振动抑制,可以采用多频率陷波 器,考虑到转速对倍频补偿精度的影响,采用自适应梯度算法辨识出各个频率,实现了对转 子倍频成分的高精度补偿,但是没有考虑陷波器对系统稳定性的影响,并且该方法需要根 据不同频率调整系数的取值。现有陷波器技术有以下不足:(1)采用陷波器抑制谐波电流 只适合较高转速,陷波器的引入不能保证在不同转速下系统的稳定性。(2)需要调整多个参 数以保证系统稳定性。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的为:克服现有技术的不足,提供一种基于并联相移滤波器的磁悬浮 转子谐波电流抑制方法,在传统滤波器基础上引入相移,根据不同转速调整相移,保证系统 在不同转速下的稳定性。
[0006] 本发明采用的技术方案为:一种基于并联相移滤波器的磁悬浮转子谐波电流抑制 方法,包括以下步骤:
[0007] 步骤(1)、建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型
[0008] 主被动磁悬浮控制力矩陀螺转子主动磁轴承控制转子径向两自由度实现悬浮,其 余三个自由度由安装在转子和定子上的永磁环实现无源稳定悬浮。主被动磁轴承轴承力由 主动磁轴承电磁力和被动磁轴承磁力两部分组成。X通道轴承力f x可写为:
[0009]
[0010] 其中,4为X通道主动磁轴承电磁力,f ^为X通道被动磁轴承磁力。被动磁轴承 产生的力与位移呈线性关系,表示为:
[0011]
[0012] 其中,Kp是被动磁轴承位移刚度,X为转子几何中心的位移。
[0013] 当转子悬浮在磁中心附近时,主动磁轴承电磁力可近似线性化为:
[0014]
[0015] 其中,KCT、K1分别为主动磁轴承位移刚度、电流刚度,i x为功放输出电流。
[0016] 对于含有质量不平衡的转子系统,有:
[0017]
[0018] 其中,X(t)为转子质心位移,x(t)为转子几何中心位移,?x(t)为质量不平衡引 起的位移扰动,记为:
[0019]
[0020] 其中,1为质量不平衡的幅值,Θ为相位,Ω为转子转速。
[0021] 在实际转子系统中,由于机械加工精度和材料的不均匀因素的影响,传感器谐波 不可避免,传感器实际测得的位移可表示为:
[0022]
[0023] 其中,xd(t)为传感器谐波,可写为:
[0024]
[0025] 其中,C1是传感器谐波系数的幅值,Θ i是传感器谐波系数的相位,n为传感器谐波 的最高次数。
[0026] 将ix、X、Θ x、Xd依次进行拉普拉斯变换得i x (s)、X (s)、Θ x (s)、Xd (s),写出转子动 力学方程有:
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 其中,Ks为位移传感器环节、Ge(S)为控制器环节,G w(S)为功放环节。
[0031] 从上式可以看出,由于质量不平衡和传感器谐波的存在,不仅导致线圈电流中存 在与转速同频的基频成分,还存在倍频成分。线圈电流中的同频和倍频成分合称为谐波电 流。谐波电流不仅会增加磁轴承功耗,还会引起谐波振动,并通过磁轴承直接传递给航天 器,影响航天器姿态控制的精度,需要加以抑制。
[0032] 步骤(2)、设计基于并联相移滤波器的谐波电流抑制方法
[0033] 谐波电流中所含谐波成分是转子转速的整数倍,而陷波器能对特定频率进行滤 除,因此采用自适应陷波器对所需要抑制的频率成分进行抑制,该抑制方法在传统陷波器 基础上引入相移,根据不同转速调整相移,保证转子系统在不同转速下的稳定性。以电流 作为自适应相移陷波器的输入,陷波器的输出反馈至功放的输入端。相移陷波器的核心是 带有相移的滤波器,并联多个带有相移的滤波器对不同频率成分的谐波电流进行提取和抑 制。
[0034] 进一步的,所述的步骤(2)带有相移的滤波器传递函数可写为:
[0035]
[0036] 其中,Θ为相移,对于要滤除的不同频率成分的谐波电流,并联相应频率成分的带 有相移的滤波器,多个频率下带有相移的滤波器N f (s)可写为:
[0037]
[0038] 其中,k为所考虑的频率成分的最尚次数,定义灵敏度函数:
[0039]
[0040] 其中,G(S)为磁轴承转子被控对象P(S)和控制器GJs)的等效控制器,Kh = KCT+Kpp在转速为Ω时,为使转子系统稳定,需满足:
[0041] -90。< arg[S(j Ω)]+Θ < 90。〇
[0042] 本发明基本原理:对磁悬浮控制力矩陀螺来讲,高频振动会降低卫星平台的指向 精度和稳定度,必须加以抑制。其中,振动的主要来源是质量不平衡和传感器谐波。本发明 针对谐波电流进行抑制,从而减小谐波振动。由于质量不平衡和传感器谐波的存在,导致控 制电流和中含有谐波,即谐波电流,从而使磁悬浮控制力矩陀螺中含有谐波振动。通过建立 含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型,分析谐波电流的频率成分,提出一 种基于相移陷波器的谐波电流抑制方法。在传统陷波器基础上引入相移,根据不同转速调 整相移,保证系统在不同转速下的稳定性。
[0043] 本发明与现有技术相比的优点在于:本发明提出的基于并联相移滤波器的谐波电 流抑制方法,对灵敏度函数进行相位补偿,根据不同转速选择合适的相移,从而保证系统在 不同转速下的稳定性,且在不同转速下仅需对相移这一参数进行调整。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明的流程图;
[0045] 图2为主被动磁悬浮转子系统结构示意图;
[0046] 图3为传感器谐波示意图;
[0047] 图4为X通道磁轴承控制系统框图;
[0048] 图5为Y通道磁轴承控制系统框图;
[0049] 图6为X通道等效控制系统原理框图;
[0050] 图7为带有相移的自适应滤波器;
[0051] 图8为X通道带有相移陷波器的谐波电流抑制框图;
[0052] 图9为Y通道带有相移陷波器的谐波电流抑制框图。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0054] 如图1所示,一种基于并联相移滤波器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法的实施过 程是:首先建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型,然后设计一种基于 并联相移滤波器的谐波电流抑制方法。
[0055] (1)建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型
[0056] 磁悬浮控制力矩陀螺依据支承转子的磁轴承主动控制自由度个数,可以分为全主 动磁悬浮控制力矩陀螺和主被动磁悬浮控制力矩陀螺。如图2所示,主被动磁悬浮控制力 矩陀螺转子主动磁轴承控制转子径向两自由度实现悬浮,其余三个自由度由安装在转子和 定子上的永磁环实现无源稳定悬浮。
[0057] 主被动磁轴承轴承力由主动磁轴承电磁力和被动磁轴承磁力两部分组成。以X通 道为例,轴承力f x可写为:
[0058]
[0059] 其中,4为X通道主动磁轴承电磁力,f pxS X通道被动磁轴承磁力。被动磁轴承 产生的力与位移呈线性关系,表示为:
[0060]
[0061] 其中,Ktff是被动磁轴承位移刚度,X为转子几何中心的位移。
[0062] 当转子悬浮在磁中心附近时,主动磁轴承电磁力可近似线性化为:
[0063]
[0064] 其中,KdP K j别为主动磁轴承位移刚度和电流刚度,i x为功放输出电流。<
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