專利名稱：一種高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮飛輪控制系統(tǒng)，用于高速磁懸浮飛輪的穩(wěn)定懸浮控制和轉(zhuǎn)子振動控制。
背景技術(shù)：
隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮飛輪技術(shù)研究受到了各國的普遍重視。磁懸浮飛輪具有高轉(zhuǎn)速、長壽命、低振動、低功耗，以及高儲能密度等優(yōu)點，在航空航天、交通運輸、電力能源等領域有著廣泛的應用前景。特別是在航天應用方面，磁懸浮飛輪即可用作動量輪進行姿態(tài)控制，又可以作為儲能單元替代蓄電池，從而實現(xiàn)姿控和儲能的一體化。
磁懸浮飛輪控制技術(shù)是磁懸浮飛輪實現(xiàn)高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，為了實現(xiàn)大動量、大儲能密度，磁懸浮飛輪通常采用大慣量轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高速運轉(zhuǎn)，由于其轉(zhuǎn)子動力學特性所固有的強陀螺耦合效應，當采用分散PID控制時，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的兩個渦動模態(tài)一前向渦動(章動)和后向渦動(進動)，在高速時會因為低阻尼而變得不穩(wěn)定，使得飛輪系統(tǒng)無法達到額定轉(zhuǎn)速。針對飛輪轉(zhuǎn)子的陀螺效應問題，已經(jīng)提出了許多種控制方法，一類是以現(xiàn)代控制理論為基礎的控制方法，如增益規(guī)劃H∞控制、滑模控制、魯棒控制、自適應控制、非線性控制等，大都要求數(shù)字實現(xiàn)，控制算法復雜，實時性不好。另一類則是傳統(tǒng)的交叉反饋控制方法，控制算法簡單，即可以采用模擬電路實現(xiàn)，又可以數(shù)字實現(xiàn)，同時保證良好的實時性。但是，現(xiàn)有的交叉反饋控制僅可以實現(xiàn)對低頻后向渦動的控制，對于高頻渦動，則由于受到多種因素的限制，很難取得滿意的控制效果，從而成為制約磁懸浮飛輪實現(xiàn)高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的最主要原因。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有磁懸浮飛輪控制系統(tǒng)在飛輪轉(zhuǎn)子后向渦動、前向渦動穩(wěn)定控制方面存在的不足，特別是解決磁懸浮飛輪高頻渦動的穩(wěn)定控制問題，提供一種高轉(zhuǎn)速大慣量磁懸浮飛輪在整個升、降速過程中，可以同時對前向渦動和后向渦動實現(xiàn)穩(wěn)定振動控制、簡單實用的磁懸浮飛輪控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，包括位移傳感器、位移信號接口電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、磁軸承控制器、磁軸承功率放大驅(qū)動電路，其中磁軸承控制器由軸向磁軸承控制器和徑向磁軸承控制器組成。其特點在于所述的徑向磁軸承控制器由X向兩端的2個分散PID控制模塊、Y向兩端的2個分散PID控制模塊及X向和Y向交叉反饋控制模塊組成。由位移傳感器檢測出飛輪徑向X兩端位移信號和徑向Y兩端位移信號，經(jīng)過位移信號接口電路后分為兩路控制，其中一路分別送至4個分散PID控制模塊，用于實現(xiàn)飛輪的靜態(tài)懸浮和低轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定控制；另一路，X向兩端位移信號經(jīng)過渦動檢測器將X向渦動信號檢測出后，送至X向交叉反饋控制模塊輸入端，Y向兩端位移信號經(jīng)過渦動檢測器將Y向渦動信號檢測出后，送至Y向交叉反饋控制模塊的輸入端，X向交叉反饋控制模塊的輸出以相反的極性分別與Y向兩端2個分散PID控制模塊的輸出相并聯(lián)，Y向交叉反饋控制模塊的輸出以相反的極性分別與X向兩端2個分散PID控制模塊的輸出相并聯(lián)，整體上連接成X向、Y向交叉反饋控制模塊輸出之間相互反相與X向、Y向PID控制模塊輸出交叉并聯(lián)的反饋方式，用于實現(xiàn)飛輪前向渦動和后向渦動的相位超前補償控制；同時，轉(zhuǎn)速檢測電路將檢測到的飛輪轉(zhuǎn)速信號分別送至X向和Y向交叉反饋控制模塊，用于交叉反饋控制模塊跟蹤飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以便能夠隨時調(diào)節(jié)其相位超前量和交叉反饋量；經(jīng)過相位超前補償?shù)腦向和Y向共4路徑向輸出控制信號和1路軸向輸出控制信號經(jīng)磁軸承功率放大驅(qū)動電路，生成控制電流送到磁軸承線圈，實現(xiàn)對飛輪轉(zhuǎn)子的閉環(huán)主動懸浮控制。
所述的交叉反饋控制模塊由前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道和交叉增益通道組成，可以實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子前向渦動和后向渦動信號的有效分離、反相和變交叉增益控制。前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道與交叉增益通道的連接方式，可以是前向渦動濾波通道與后向渦動濾波通道通過加法器反相并聯(lián)后，再與交叉增益通道相串聯(lián)，也可以是前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道分別與交叉增益通道先串聯(lián)后，再通過加法器進行反相并聯(lián)，前向渦動濾波通道與后向渦動濾波通道的輸入信號為由渦動檢測器檢測得到的轉(zhuǎn)子渦動信號，同時轉(zhuǎn)速信號接入前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道和交叉增益通道中。
所述的前向渦動濾波通道由前向渦動濾波器和前向渦動濾波增益可調(diào)放大器串聯(lián)組成，允許轉(zhuǎn)子前向渦動頻率信號通過。前向渦動濾波器可以是高通濾波器(LPF)、帶通濾波器(BPF)或跟隨濾波器，前向渦動濾波器的特征頻率(截止頻率或中心頻率)、階次、增益與飛輪轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，可以是跟隨轉(zhuǎn)速而變化的，也可以是固定的。所述的后向渦動濾波通道由后向渦動濾波器和后向渦動濾波增益可調(diào)放大器串聯(lián)組成，允許轉(zhuǎn)子后向渦動頻率信號通過。后向渦動濾波器可以是低通濾波器(LPF)、帶通濾波器(BPF)或跟隨濾波器，后向渦動濾波器的特征頻率(截止頻率或中心頻率)、階次、增益與飛輪轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，可以是跟隨轉(zhuǎn)速而變化的，也可以是固定的。所述的交叉增益通道由交叉增益調(diào)節(jié)器組成，用于跟蹤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)交叉控制量，其增益放大倍數(shù)與轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，可以是跟隨轉(zhuǎn)速而變化的，也可以是固定的。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明中的分散PID控制模塊，實現(xiàn)磁懸浮飛輪的靜態(tài)懸浮和低轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定控制。在分散PID控制模塊的基礎上，同時并聯(lián)引入主要由前向渦動濾波器和后向渦動濾波器組成的交叉反饋控制模塊，構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子徑向運動部分解耦控制的多輸入多輸出(MIMO)控制系統(tǒng)，將前向渦動和后向渦動進行分離，并根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化，有針對性地分別調(diào)整后向渦動濾波通道和前向渦動濾波通道的交叉反饋控制量和相位超前量，同時實現(xiàn)對前向渦動和后向渦動的相位超前補償控制。另外，將飛輪轉(zhuǎn)速引入交叉反饋控制，使交叉反饋控制參數(shù)能夠跟隨轉(zhuǎn)速的變化而不斷調(diào)整，從而實現(xiàn)磁懸浮飛輪系統(tǒng)在整個升、降速過程中的穩(wěn)定懸浮。
其實現(xiàn)具體原理闡述如下(1)利用轉(zhuǎn)子渦動與平動的差別，由渦動檢測器將轉(zhuǎn)子渦動從轉(zhuǎn)子位移檢測信號中分離出來。
(2)利用前向渦動與后向渦動在振動頻率上的差別，用前向渦動濾波器和后向渦動濾波器實現(xiàn)其分離。
(3)由于前向渦動與后向渦動在渦動方向以及振動頻率上的差別，采用了相互反相的兩條交叉反饋通道分別對前向渦動和后向渦動進行相位超前補償。其中前向渦動濾波通道主要實現(xiàn)對前向渦動的交叉反饋控制，后向渦動濾波通道主要實現(xiàn)對后向渦動的交叉反饋控制。
(4)由于前向渦動和后向渦動的振動頻率和幅度是隨著轉(zhuǎn)速、控制系統(tǒng)參數(shù)的變化而變化的，在兩條交叉反饋控制通道中均引入了轉(zhuǎn)速信號，并用于調(diào)整交叉反饋控制通道的交叉反饋控制量和相位超前量。
(5)相位超前補償控制的實現(xiàn)主要是利用了轉(zhuǎn)子渦動在不同幾何檢測位置上的相位差別，濾波器的頻率特性，以及控制矢量合成原理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于保留了傳統(tǒng)分散PID控制系統(tǒng)控制算法簡單，易于參數(shù)整定、實現(xiàn)技術(shù)成熟的優(yōu)點，用于磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的靜態(tài)懸浮和平動穩(wěn)定控制，同時又克服了分散PID控制系統(tǒng)不能有針對性地對飛輪轉(zhuǎn)子渦動進行穩(wěn)定控制的缺點。本發(fā)明的特點在于它增加了分別針對前向渦動和后向渦動的交叉反饋控制模塊，特別是解決了高頻渦動的穩(wěn)定控制問題，從而可以防止磁懸浮飛輪由于陀螺效應引進的前向渦動和后向渦動失穩(wěn)，抑制其他與轉(zhuǎn)速相關(guān)的各種渦動模態(tài)振動，有效提升飛輪的臨界轉(zhuǎn)速，保證磁懸浮飛輪系統(tǒng)在整個升、降速過程中穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。本發(fā)明所采用控制方法靈活，控制系統(tǒng)設計簡單，即可以采用模擬方法實現(xiàn)，也可以采用數(shù)字方法實現(xiàn)。
圖1為本發(fā)明的一種磁懸浮飛輪控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖2為本發(fā)明的一種磁懸浮飛輪徑向磁軸承控制器原理框圖；圖3為本發(fā)明的一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子渦動示意圖；圖4為本發(fā)明的一種交叉反饋控制模塊原理框圖；圖5為本發(fā)明的一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子渦動無阻尼振蕩頻率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線；圖6為本發(fā)明的一種前向渦動濾波通道實施方式原理框圖；圖7為本發(fā)明的一種交叉增益通道實施方式原理框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括位移傳感器1、位移信號接口電路2、轉(zhuǎn)速檢測電路4、磁軸承控制器5和磁軸承功率放大驅(qū)動電路6，位移信號接口電路2，用于對磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子位移傳感器1檢測得到的四個徑向位移A端X方向、Y方向位移，B端X方向、Y方向位移信號和一個軸向位移信號，進行調(diào)零、高頻噪聲濾波；轉(zhuǎn)速檢測電路4，用于將飛輪轉(zhuǎn)速脈沖信號進行隔離、量化(可以是脈沖頻率量、數(shù)字量或電壓量，依據(jù)所用磁軸承控制器輸入接口類型來定)；磁軸承功率放大驅(qū)動電路6，用于將磁軸承控制器5的五路輸出控制信號(四路徑向輸出控制信號和一路軸向輸出控制信號)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動磁懸浮飛輪徑向和軸向磁軸承線圈7的控制電流，從而實現(xiàn)磁懸浮飛輪的閉環(huán)穩(wěn)定懸浮。
如圖1、2所示，磁軸承控制器5由軸向磁軸承控制器和徑向磁軸承控制器組成，其中徑向磁軸承控制器是本發(fā)明的關(guān)鍵組成部分，如圖2所示，Xa、Xb、Ya、Yb依次代表經(jīng)位移信號接口電路2處理后得到的A端X向位移、B端X向位移、A端Y向位移、B端Y向位移，相應的輸出控制信號依次為OUTxa、OUTxb、OUTya、OUTyb，Ω為經(jīng)轉(zhuǎn)速檢測電路4處理后得到的量化轉(zhuǎn)速信號。
徑向磁軸承控制器由分散PID控制模塊8和交叉反饋控制模塊9兩部分組成，兩部分以相互交叉并聯(lián)的方式11相連，組成多輸入多輸出(MIMO)控制系統(tǒng)。分散PID控制模塊8，主要用于實現(xiàn)磁懸浮飛輪徑向的靜態(tài)懸浮和低轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定控制。交叉反饋控制模塊9，則主要用于不同轉(zhuǎn)速下前向渦動和后向渦動的相位超前補償控制。
如圖2所示，由位移傳感器1檢測出飛輪徑向X兩端位移信號Xa、Xb，徑向Y兩端位移信號Ya、Yb，經(jīng)過位移信號接口電路2后分為兩路控制，其中一路分別送至四個分散PID控制模塊8，用于實現(xiàn)飛輪的靜態(tài)懸浮和低轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定控制；另一路，X向兩端位移信號Xa、Xb經(jīng)過渦動檢測器10將X向渦動信號檢測出后，送至X向交叉反饋控制模塊9輸入端，Y向兩端位移信號Ya、Yb經(jīng)過渦動檢測器10將Y向渦動信號檢測出后，送至Y向交叉反饋控制模塊9的輸入端，X向交叉反饋控制模塊9的輸出以相反的極性分別與Y向兩端兩個分散PID控制模塊8的輸出相并聯(lián)，Y向交叉反饋控制模塊9的輸出以相反的極性分別與X向兩端兩個分散PID控制模塊8的輸出相并聯(lián)，整體上連接成X向、Y向交叉反饋控制模塊輸出之間相互反相與X向、Y向PID控制模塊輸出交叉并聯(lián)的反饋方式11，用于實現(xiàn)飛輪前向渦動和后向渦動的相位超前補償控制；同時，轉(zhuǎn)速檢測電路4將檢測到的飛輪轉(zhuǎn)速信號分別送至X向和Y向交叉反饋控制模塊9，用于交叉反饋控制模塊9跟蹤飛輪轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)速，以便能夠隨時調(diào)節(jié)其相位超前量和交叉反饋量。
上述分散PID控制模塊8和交叉反饋控制模塊9兩部分之間的相互反向交叉并聯(lián)方式11依據(jù)所控轉(zhuǎn)子渦動方向而定，為所控轉(zhuǎn)子渦動提供相位超前控制，渦動可以是前向渦動，也可以是后向渦動。相位超前控制的實現(xiàn)主要是利用了轉(zhuǎn)子渦動在不同幾何檢測位置上的相位關(guān)系。以圖3為例，當轉(zhuǎn)子渦動方向如圖3所示時(依據(jù)圖1中的坐標定義及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，此時的渦動為前向渦動)，則AX+處檢測信號將超前AY+處檢測信號90°，這時將AX+處的位移信號用于交叉(負)反饋控制AY+處的轉(zhuǎn)子運動，將起到90°相位超前控制的作用；同理，若將AX+處的位移信號用于正反饋控制AX+處的轉(zhuǎn)子運動，還可以進一步得到180°相位超前控制的作用。在實際應用中，可以根據(jù)實際系統(tǒng)相位滯后的嚴重程度不同進行選擇。
如圖4所示，交叉反饋控制模塊9由前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道和交叉增益通道組成，用于實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子前向渦動和后向渦動信號的有效分離、反相和變交叉增益控制。前向渦動濾波通道由前向渦動濾波器14和前向渦動濾波增益可調(diào)放大器(KH)15串聯(lián)組成，前向渦動濾波器可以是高通濾波器(LPF)、帶通濾波器(BPF)或跟隨濾波器，此例中為高通濾波器，用于濾出高頻前向渦動信號。后向渦動濾波通道由后向渦動濾波器12和后向渦動濾波增益可調(diào)放大器(KL)13串聯(lián)組成，后向渦動濾波器可以是低通濾波器(LPF)、帶通濾波器(BPF)或跟隨濾波器，此例中為低通濾波器，用于濾出低頻后向渦動信號。兩濾波通道通過加法器16以相反的極性相并聯(lián)。交叉增益通道由交叉增益調(diào)節(jié)器17組成，用于跟蹤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)交叉控制量。另外，本發(fā)明交叉反饋控制模塊9還可以是前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道分別與交叉增益通道先串聯(lián)后，再通過加法器16進行反相并聯(lián)組成。前向渦動濾波通道與后向渦動濾波通道的輸入信號為由渦動檢測器10檢測得到的轉(zhuǎn)子渦動信號，同時將轉(zhuǎn)速信號Ω接入前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道和交叉增益通道中，用于跟隨轉(zhuǎn)速變化調(diào)整前向渦動濾波器14和后向渦動濾波器12的特征頻率(截止頻率或中心頻率)、階次、增益，以及跟隨轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)交叉增益調(diào)節(jié)器17的增益放大倍數(shù)。
為了對本發(fā)明交叉反饋控制模塊的實施方式給予補充說明，圖5給出了一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子渦動無阻尼振蕩頻率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零時，轉(zhuǎn)子渦動頻率唯一，起始頻率主要由控制系統(tǒng)增益決定。轉(zhuǎn)速不為零時，渦動頻率分叉為前向渦動和后向渦動兩個頻率，其中前向渦動方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，其渦動頻率在圖中用正值表示；后向渦動方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，其渦動頻率在圖中用負值表示。隨著轉(zhuǎn)速的上升，前向渦動頻率不斷增大，最后趨近于Jp/Je×Ω(Jp為飛輪轉(zhuǎn)子極轉(zhuǎn)動慣量，Je為飛輪轉(zhuǎn)子赤道轉(zhuǎn)動慣量)；后向渦動頻率不斷減小，最后趨近于0。
為了使磁懸浮飛輪控制系統(tǒng)有更好的適應性，本實施例中前向渦動濾波器和后向渦動濾波器的特征頻率(截止頻率或中心頻率)、階次、增益是可調(diào)的，在實際應用中可以根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化，采用不同的濾波器特征頻率、階次和增益，但也可以是固定不變的，視實際情況確定。在具體實施時，可以依據(jù)轉(zhuǎn)速變化，采用多路前向(后向)濾波通道分級切換的方法來實現(xiàn)。以前向渦動濾波通道為例，如圖6所示，可將前向渦動濾波通道分為多級，本例采用了三級，高通濾波器(HPF1)21、高通濾波增益放大器(KH1)22組成第一級，高通濾波器(HPF2)24、高通濾波增益放大器(KH2)25組成第二級，高通濾波器(HPF3)27、高通濾波增益放大器(KH3)28組成第三級，跟隨轉(zhuǎn)速Ω由低速，到中速，再到高速的變化，控制切換開關(guān)19實現(xiàn)由第一級，到第二級，再到第三級的切換。
交叉增益通道的交叉增益調(diào)節(jié)器17，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化，采用乘法器，實現(xiàn)正比于轉(zhuǎn)速的變增益放大，也可以采用多路交叉增益通道分級切換的方法，實現(xiàn)可調(diào)增益放大，用于跟蹤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)交叉控制量。但也可以直接采用比例放大器，實現(xiàn)固定增益放大，視實際情況確定。采用乘法器具體實施變增益放大時，如圖7所示，可將經(jīng)交叉比例放大調(diào)節(jié)器(KC)30調(diào)整的轉(zhuǎn)速信號Ω并同濾波通道輸出一起，作為乘法器31的兩個輸入，由乘法器實現(xiàn)交叉控制量跟隨轉(zhuǎn)速的變增益放大調(diào)節(jié)。
本發(fā)明中，由于磁懸浮飛輪軸向的懸浮控制單獨采用傳統(tǒng)的PID控制就可以很容易地實現(xiàn)，同時對磁懸浮飛輪高速穩(wěn)定懸浮并不造成嚴重影響，因此在本發(fā)明的圖例中均未對磁懸浮飛輪軸向控制系統(tǒng)進行特別標示，但不應理解為其不是本發(fā)明的組成部分。
本發(fā)明的磁懸浮控制器5可以采用運放電路等模擬實現(xiàn)，亦可以采用DSP、CPLD、FPGA等通過軟件編程數(shù)字實現(xiàn)。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的
權(quán)利要求
1.一種高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，包括位移傳感器(1)、位移信號接口電路(2)、轉(zhuǎn)速檢測電路(4)、磁軸承控制器(5)、磁軸承功率放大驅(qū)動電路(6)，其中磁軸承控制器(5)由軸向磁軸承控制器和徑向磁軸承控制器組成，其特征在于所述的徑向磁軸承控制器由X向兩端的2個分散PID控制模塊(8)、Y向兩端的2個分散PID控制模塊(8)及X向和Y向交叉反饋控制模塊(9)組成，位移傳感器(1)檢測出飛輪徑向X兩端位移信號Xa、Xb，徑向Y兩端位移信號Ya、Yb，經(jīng)過位移信號接口電路(2)后分為兩路控制，其中一路分別送至4個分散PID控制模塊(8)，用于實現(xiàn)飛輪的靜態(tài)懸浮和低轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定控制；另一路，X向兩端位移信號Xa、Xb經(jīng)過渦動檢測器(10)將X向渦動信號檢測出后，送至X向交叉反饋控制模塊(9)輸入端，Y向兩端位移信號Ya、Yb經(jīng)過渦動檢測器(10)將Y向渦動信號檢測出后，送至Y向交叉反饋控制模塊(9)的輸入端，X向交叉反饋控制模塊(9)的輸出以相反的極性分別與Y向兩端2個分散PID控制模塊(8)的輸出相并聯(lián)，Y向交叉反饋控制模塊(9)的輸出以相反的極性分別與X向兩端2個分散PID控制模塊(8)的輸出相并聯(lián)，整體上連接成X向、Y向交叉反饋控制模塊輸出之間相互反相與X向、Y向PID控制模塊輸出交叉并聯(lián)的反饋方式(11)，用于實現(xiàn)飛輪前向渦動和后向渦動的相位超前補償控制；同時，轉(zhuǎn)速檢測電路(4)將檢測到的飛輪轉(zhuǎn)速信號分別送至X向和Y向交叉反饋控制模塊(9)，用于交叉反饋控制模塊(9)跟蹤飛輪轉(zhuǎn)子(3)的轉(zhuǎn)速，以便能夠隨時調(diào)節(jié)其相位超前量和交叉反饋量；經(jīng)過相位超前補償?shù)腦向和Y向共4路徑向輸出控制信號和1路軸向輸出控制信號經(jīng)磁軸承功率放大驅(qū)動電路(6)，生成控制電流送到磁軸承線圈(7)，實現(xiàn)對飛輪轉(zhuǎn)子(3)的閉環(huán)主動懸浮控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的交叉反饋控制模塊(9)由前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道和交叉增益通道組成，前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道與交叉增益通道的連接方式，可以是前向渦動濾波通道與后向渦動濾波通道通過加法器反相并聯(lián)后，再與交叉增益通道相串聯(lián)，也可以是前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道分別與交叉增益通道先串聯(lián)后，再通過加法器進行反相并聯(lián)，前向渦動濾波通道與后向渦動濾波通道的輸入信號為由渦動檢測器(10)檢測得到的轉(zhuǎn)子渦動信號，同時轉(zhuǎn)速信號接入前向渦動濾波通道、后向渦動濾波通道和交叉增益通道中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的前向渦動濾波通道由前向渦動濾波器(14)和前向渦動濾波增益可調(diào)放大器(15)串聯(lián)組成，允許轉(zhuǎn)子前向渦動頻率信號通過。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的前向渦動濾波器可以是高通濾波器(LPF)、帶通濾波器(BPF)或跟隨濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的前向渦動濾波器的特征頻率(截止頻率或中心頻率)、階次、增益與飛輪轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，可以是跟隨轉(zhuǎn)速而變化的，也可以是固定的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的后向渦動濾波通道由后向渦動濾波器(12)和后向渦動濾波增益可調(diào)放大器(13)串聯(lián)組成，允許轉(zhuǎn)子后向渦動頻率信號通過。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的后向渦動濾波器可以是低通濾波器(LPF)、帶通濾波器(BPF)或跟隨濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的后向渦動濾波器的特征頻率(截止頻率或中心頻率)、階次、增益與飛輪轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，可以是跟隨轉(zhuǎn)速而變化的，也可以是固定的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的交叉增益通道由交叉增益調(diào)節(jié)器(17)組成，用于跟蹤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)交叉控制量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其特征在于所述的交叉增益調(diào)節(jié)器的增益與飛輪轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，可以是跟隨轉(zhuǎn)速而變化的，也可以是固定的。
全文摘要
一種高速磁懸浮飛輪穩(wěn)定控制系統(tǒng)，包括位移傳感器、位移信號接口電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、磁軸承控制器和磁軸承功率放大驅(qū)動電路。磁軸承控制器包括軸向磁軸承控制器和徑向磁軸承控制器，其中徑向磁軸承控制器由分散PID控制模塊和交叉反饋控制模塊兩部分組成，兩模塊輸出之間以相互交叉并聯(lián)的反饋方式相連。本發(fā)明在分散PID控制的基礎上，并聯(lián)引入由前向渦動濾波器和后向渦動濾波器組成的交叉反饋控制，利用前向渦動、后向渦動在頻率和渦動方向上的差別，以及前向渦動、后向渦動隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，結(jié)合飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號，對前向渦動和后向渦動同時實現(xiàn)相位超前補償，從而有效提升飛輪的臨界轉(zhuǎn)速，同時保證磁懸浮飛輪系統(tǒng)在整個升、降速過程中穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
文檔編號F16C32/04GK1738183SQ20051001223
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者房建成, 樊亞洪, 魏彤, 田希暉 申請人:北京航空航天大學