[发明专利]基于相位滞后补偿的磁悬浮飞轮同频振动力抑制方法及控制系统

说明书

本发明公开了一种基于相位滞后补偿的磁悬浮飞轮同频振动力抑制方法及控制系统，本发明针对磁悬浮飞轮，考虑转子质量不平衡，建立包含同频振动力的磁悬浮转子动力学模型，通过相移陷波器有效消除时变转速频率下控制电流中的同频扰动分量，再利用比例补偿项和额外补偿项完全消除位移刚度中的残余同频振动力，从而获得高精度和强鲁棒的时变同频振动力抑制性能，并对磁悬浮‑转子系统的主动振动控制具有参考意义。

技术领域

本发明属于磁悬浮-转子系统主动振动控制领域，具体涉及一种基于相位滞后补偿的磁悬浮飞轮同频振动力抑制方法及控制系统。

背景技术

磁悬浮飞轮中最主要的振动源是转子不平衡质量。转子的质量不平衡会导致转子几何轴与惯性轴不一致，从而产生与飞轮转速同频的振动。磁悬浮飞轮的同频振动力主要由两部分组成，一部分是来自线圈中同频控制电流的扰动，另一部分是来自磁轴承位移刚度中的残余同频振动分量。质量不平衡补偿技术已经被广泛地用于减少同频控制电流的扰动，并驱使转子绕惯性轴旋转。尽管质量不平衡补偿技术可以减少很大一部分的不平衡振动力，但仍然残余位移刚度部分的不平衡振动力分量。为了获得超高精度的卫星姿态控制性能，非常有必要尽可能地减少磁悬浮飞轮的同频振动力。因此，高精度的同频振动力抑制方法不仅需要抑制同频控制电流的扰动，还需消除位移刚度引起的残余同频振动力。此外，磁悬浮飞轮通常由永磁偏置混合磁轴承组成，由于永磁体的存在，残余在位移刚度中的同频分量与纯电磁轴承结构相比更大。

磁轴承控制系统通常采用电流模式的功率放大器来产生对应的控制电流输入信号，而磁轴承线圈是典型的电感负荷，当转子转速不为零时，会产生相位滞后问题，而且转速越高，这种相位滞后问题越严重，对于完全消除位移刚度中残余同频振动力的影响也越大。因此，为了有效消除位移刚度中的残余同频振动力，必须考虑功率放大器相位滞后的问题，从而获得高精度的同频振动力抑制效果。

特别需要注意的是，由于磁悬浮飞轮工作时需要不断地升降速来与卫星交换角动量，以稳定卫星的姿态，因此，对于磁悬浮飞轮的不平衡振动控制需要自适应变化于时变转速频率。另一方面，主动振动算法是“嵌入”磁轴承基本悬浮控制系统中，并与基本控制器同时作用，不可避免的会影响整个控制系统的稳定性。因此，迫切需要为时变转速频率下的磁悬浮飞轮同频振动力控制研究一种简单实用的方法，以获得高精度和强鲁棒的时变同频振动力抑制性能。

发明内容

本发明研究磁悬浮飞轮系统的全转速高精度同频振动力抑制方法，提出一种基于相位滞后补偿的磁悬浮飞轮同频振动力抑制方法，其特征在于，通过引入调节相位得到的相移陷波器消除磁悬浮-转子系统在时变转速频率下控制电流中的同频扰动分量，再通过用于抑制考虑功率放大器相位滞后的位移刚度中残余同频振动力的比例补偿项和额外补偿项以消除磁悬浮-转子系统的位移刚度中的残余同频振动力。从而获得高精度和强鲁棒的时变同频振动力抑制性能。

为实现上述目的，本发明提出一种基于相位滞后补偿的磁悬浮飞轮同频振动力抑制方法，包括以下步骤：

1)考虑转子质量不平衡，建立包含同频振动力的磁悬浮转子动力学模型；

2)设计用于消除时变转速频率下控制电流中同频扰动分量的相移陷波器，并在基本悬浮控制系统中嵌入相移陷波器，得到带有相移陷波器的悬浮控制系统；

3)设计比例补偿项和额外补偿项，并在带有相移陷波器的悬浮控制系统中嵌入这两个补偿项，从而得到同频振动力控制系统；

4)对步骤3)中得到的同频振动力控制系统进行稳定性分析，确定相移陷波器中调节相位的稳定性条件；

5)确定额外补偿相位γ；

6)通过相移陷波器消除时变转速频率下控制电流中的同频扰动分量，再通过比例补偿项和额外补偿项有效抑制位移刚度中的残余同频振动力；

所述基本悬浮控制系统包括悬浮控制器、功率放大器和磁轴承。