一种磁悬浮旋转关节转子周期扰动自适应抑制系统的制作方法

1.本发明涉及一种磁悬浮旋转关节转子周期扰动自适应抑制系统，适用于对磁悬浮旋转关节转子周期扰动进行自适应抑制，可大幅提磁悬浮转子的悬浮控制精度。


背景技术：

2.磁悬浮轴承支承相对于传统机械轴承支承具有无接触、无磨损、振动小、可主动控制等特点，在磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺和磁悬浮旋转关节等航天精密机电产品中有广阔的应用前景。
3.高精度音圈电机在旋转关节、惯性执行机构、指向机构、转台、天线等领域应用广泛。音圈电机永磁体非正弦畸变、周向磁场不均匀等导致的电磁扰动力矩存在对转子的法向扰动力，对磁悬浮转子形成周期性扰动，
4.现有磁悬浮周期扰动力一般使用扰动观测器、重复控制等方法实现，扰动观测器不特定针对某个周期频率扰动，观测器对高频扰动跟踪速度慢，造成高频周期扰动抑制能力不足，重复控制虽然特定抑制周期频率扰动，但其抑制精度受限于重复步长和品质因数。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种磁悬浮旋转关节转子周期扰动自适应抑制系统，实时辨识扰动力和扰动力矩的大小和方向并提供反向力和力矩进行抵消，提高磁悬浮转子悬浮控制精度。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种磁悬浮旋转关节转子周期扰动自适应抑制系统，包括：磁悬浮转子模态控制单元、平动扰动自适应抑制单元、转动扰动自适应抑制单元、周期扰动评价单元；
8.所述磁悬浮转子模态控制单元包括位置传感器a、位置传感器b、分散姿态量-》模态姿态量转换模块、平动模态控制器、转动模态控制器、模态控制量-》分散控制量转换模块、功率放大器a、电流传感器a、磁轴承a、功率放大器b、电流传感器b、磁轴承b以及磁悬浮转子；
9.周期扰动评价单元给旋转关节电机发送指令角速度，控制磁悬浮转子定转速旋转，并对位置传感器a和位置传感器b输出的磁悬浮转子a、b端位置进行频谱分析，将频谱分析得到的扰动谐波次数n传送给平动扰动自适应抑制单元和转动扰动自适应抑制单元，作为扰动力矩抑制的参考。
10.平动扰动自适应抑制单元加在与磁悬浮转子模态控制单元中平动控制器平行位置，对平动模态中谐波次数为n的扰动力矩进行自适应控制，消除n次谐波扰动量；
11.转动扰动自适应抑制单元加在与磁悬浮转子模态控制单元中转动控制器平行位置，对转动模态中谐波次数为n的扰动力矩进行自适应控制，消除n次谐波扰动量。
12.进一步的，磁悬浮转子模态控制单元中，位置传感器a检测转子a端位置s_a，位置传感器b检测转子b端位置s_b，送入分散姿态量-》模态姿态量转换模块，得到平动姿态量s_
tran和转动姿态量s_rotate，将平动姿态量s_tran送入平动模态控制器得到平动控制量ctr_tran，将转动姿态量s_rotate送入转动模态控制器得到转动控制量ctr_rotate，将s_rotate和ctr_rotate送入模态控制量-》分散控制量转换模块得到a端电流控制量和b端电流控制量，分别经过a端功率放大器和b端功率放大器后得到a端绕组电压控制量和b端绕组电压控制量，分别施加给磁轴承a和磁轴承b，形成a、b端磁轴承绕组控制电流，提供电磁力，控制磁悬浮转子悬浮在目标位置。
13.进一步的，假设周期扰动评价单元给旋转关节电机发送控制指令角速度为vel_zl，则频谱分析后，扰动谐波次数
[0014][0015]
其中，fn为主要频谱成分的频率，并依据fn处的频谱幅值大小评价谐波扰动大小。
[0016]
进一步的，平动扰动自适应抑制单元平动模态中谐波次数为n的扰动力矩进行自适应控制，具体为：
[0017]
将伺服控制单元测量角位置θ引入到平动扰动自适应抑制单元；
[0018]
乘以扰动谐波次数n，得到nθ；
[0019]
然后对nθ进行正余弦变换得到sin(nθ)和cos(nθ)；
[0020]
对sin(nθ)和cos(nθ)进行相移处理；
[0021]
乘以平动姿态量s_tran和增益系数a_tran；
[0022]
然后分别进行积分运算；
[0023]
将积分运算结果与sin(nθ)和cos(nθ)分别相乘并相加后得到平动扰动自适应抑制量；
[0024]
与平动控制量ctr_tran相加后送入磁悬浮转子模态控制单元的模态控制量-》分散控制量转换模块。
[0025]
进一步的，对sin(nθ)和cos(nθ)进行相移处理，得到和乘以平动姿态量s_tran和增益系数a_tran，得到和
[0026]
进一步的，分别进行积分运算得到
[0027][0028][0029]
进一步的，将积分结果与sin(nθ)和cos(nθ)分别相乘并相加后得到平动扰动自适应抑制量：
[0030][0031]
进一步的，转动扰动自适应抑制单元对转动模态中谐波次数为n的扰动力矩进行自适应控制，具体为：
[0032]
将伺服控制单元测量角位置θ引入到转动扰动自适应抑制单元；
[0033]
乘以扰动谐波次数n，得到nθ；
[0034]
然后对nθ进行正余弦变换得到sin(nθ)和cos(nθ)；
[0035]
对sin(nθ)和cos(nθ)进行相移处理，得到和
[0036]
乘以转动姿态量s_rotate和增益系数a_rotate；
[0037]
然后分别进行积分运算；
[0038]
将积分运算结果与sin(nθ)和cos(nθ)分别相乘并相加后得到平动扰动自适应抑制量；
[0039]
与转动控制量ctr_rotate相加后送入磁悬浮转子模态控制单元的模态控制量到分散控制量转换模块。
[0040]
进一步的，乘以转动姿态量s_rotate和增益系数a_rotate，得到和分别进行积分运算得到和
[0041]
进一步的，将积分运算结果与sin(nθ)和cos(nθ)分别相乘并相加后得到平动扰动自适应抑制量：
[0042][0043]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0044]
(1)本发明利用电磁谐波扰动力矩自身的频率特性(转频的谐波频率)进行周期自适应控制，可适应扰动变化的情况。
[0045]
(2)本发明使用模态控制方法对平动模态和转动模态进行解耦控制，可对平动扰动力和转动扰动力矩分别设计自适应控制器，提高控制精度和稳定性。
[0046]
(3)本发明可以抑制不同周期频率的扰动力/力矩，且不影响原系统的稳定性。
[0047]
(4)本发明适用于对电机磁场周期不均匀性进行自辨识、自补偿，进而抑制电机谐波扰动力矩，可大幅提高伺服系统的控制精度。
附图说明
[0048]
图1为磁悬浮旋转关节转子周期扰动自适应抑制框图；
[0049]
图2为平动扰动自适应抑制器框图；
[0050]
图3为转动扰动自适应抑制器框图；
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0052]
如图1所示，本发明公开了一种磁悬浮旋转关节转子周期扰动自适应抑制系统，包括四个单元：
[0053]
(1)磁悬浮转子模态控制单元
[0054]
磁悬浮转子模态控制单元对位置传感器a和位置传感器b检测到的转子位置进行模态转换，得到转子模态姿态量，分别进行转动模态和平动模态控制，然后转换成各功放控制量，给磁轴承提供控制电流，控制转子回到目标位置。
[0055]
(2)周期扰动评价单元
[0056]
周期扰动评价单元给旋转关节电机发送指令角速度，控制磁悬浮转子定转速旋转，并对位置传感器a和位置传感器b输出的磁悬浮转子a、b端位置进行频谱分析，将频谱分
析得到的扰动谐波次数n传送给平动扰动自适应抑制器和转动扰动自适应抑制器，作为扰动力矩抑制的参考。
[0057]
(3)平动扰动自适应抑制单元
[0058]
平动扰动自适应抑制单元加在与磁悬浮转子模态控制单元中平动控制器平行位置，对平动模态中谐波次数为n的扰动力矩进行自适应控制，消除n次谐波扰动量。
[0059]
(4)转动扰动自适应抑制单元
[0060]
转动扰动自适应抑制单元加在与磁悬浮转子模态控制单元中转动控制器平行位置，对转动模态中谐波次数为n的扰动力矩进行自适应控制，消除n次谐波扰动量。
[0061]
1、磁悬浮转子模态控制单元
[0062]
如图1所示，磁悬浮转子模态控制单元包括位置传感器a，位置传感器b，分散姿态量-》模态姿态量转换模块、平动模态控制器、转动模态控制器、模态控制量-》分散控制量转换模块、功率放大器a、电流传感器a、磁轴承a、功率放大器b、电流传感器b、磁轴承b、磁悬浮转子。位置传感器a检测转子a端位置s_a，位置传感器b检测转子b端位置s_b，送入分散姿态量-》模态姿态量转换模块，得到平动姿态量s_tran和转动姿态量s_rotate，将平动姿态量s_tran送入平动控制器得到平动控制量ctr_tran，将转动姿态量s_rotate送入转动控制器得到转动控制量ctr_rotate，将s_rotate和ctr_rotate送入模态控制量-》分散控制量转换模块得到a端电流控制量和b端电流控制量，经过a端功率放大器和b端功率放大器后得到a端绕组电压控制量和b端绕组电压控制量，施加给a端磁轴承和b端磁轴承，形成a、b端磁轴承绕组控制电流，提供电磁力，控制磁悬浮转子悬浮在目标位置。
[0063]
2、周期扰动力矩评价单元
[0064]
周期扰动评价单元给旋转关节电机发送控制指令角速度vel_zl，控制负载恒定转速旋转，并对位置传感器a和位置传感器b输出的磁悬浮转子a、b端位置进行频谱分析，根据其主要频谱成分的频率fn计算扰动谐波次数并依据fn处的频谱幅值大小评价谐波扰动大小。同时，将扰动谐波次数n送入平动扰动自适应抑制单元和转动扰动自适应抑制单元进行对应处理。
[0065]
3、平动扰动自适应抑制单元
[0066]
如图2所示，平动扰动自适应抑制单元将伺服控制单元测量角位置θ引入到平动扰动自适应抑制单元，乘以扰动谐波次数n，得到nθ，然后对nθ进行正余弦变换得到sin(nθ)和cos(nθ)，对sin(nθ)和cos(nθ)进行相移处理，得到和乘以平动姿态量s_tran和增益系数a_tran，得到和然后分别进行积分运算得到和将和与sin(nθ)和cos(nθ)分别相乘并相加后得到平动扰动自适应抑制量：
[0067]
与平动控制量ctr_tran相加后送入磁悬浮转子模态控制单元的模态控制量-》分散控制量转换模块。
[0068]
4、转动扰动自适应抑制单元
[0069]
如图3所示，转动扰动自适应抑制单元将伺服控制单元测量角位置θ引入到转动扰动自适应抑制单元，乘以扰动谐波次数n，得到nθ，然后对nθ进行正余弦变换得到sin(nθ)和cos(nθ)，对sin(nθ)和cos(nθ)进行相移处理，得到和乘以转动姿态量s_rotate和增益系数a_rotate，得到和然后分别进行积分运算得到和将和与sin(nθ)和cos(nθ)分别相乘并相加后得到平动扰动自适应抑制量：
[0070][0071]
与转动控制量ctr_rotate相加后送入磁悬浮转子模态控制单元的模态控制量-》分散控制量转换模块。
[0072]
本发明适用于对电机磁场周期不均匀性进行自辨识、自补偿，进而抑制电机谐波扰动力矩，可大幅提高伺服系统的控制精度。
[0073]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。