專利名稱：一種磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，用于磁懸浮反作用飛輪的高精度控制和轉(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。磁懸浮飛輪根據(jù)額定轉(zhuǎn)速的不同可分為磁懸浮偏置動量輪和磁懸浮反作用飛輪。其中磁懸浮偏置動量輪工作于較高的額定轉(zhuǎn)速(如20000轉(zhuǎn)/分以上)附近，而磁懸浮反作用飛輪額定轉(zhuǎn)速較低(如10000轉(zhuǎn)/分以下)，飛輪在較低的轉(zhuǎn)速段內(nèi)工作。
傳統(tǒng)的機械軸承飛輪通過滾珠軸承支撐，剛性的滾珠軸承會將飛輪的不平衡力矩直接傳遞給航天器，同時滾珠軸承的潤滑還會導致粘滯力矩、力矩擾動，以及靜摩擦等，因而傳統(tǒng)的機械軸承飛輪也是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)擾動力或擾動力矩的主要來源，這些擾動力或擾動力矩會降低航天器指向精度。與傳統(tǒng)機械軸承飛輪相比，磁懸浮飛輪具有高精度、長壽命等技術(shù)優(yōu)勢，是目前國外航天器高精度姿態(tài)控制的主要執(zhí)行機構(gòu)。但是磁懸浮飛輪仍然存在一些振動源，如不平衡振動造成的飛輪基頻擾動、安裝誤差等非線性因素造成的擾動等，如果不對這些振動源引起的振動進行抑制，將嚴重影響姿態(tài)控制的精度，磁懸浮飛輪的高精度等技術(shù)優(yōu)勢也無法得以體現(xiàn)。
轉(zhuǎn)子的不平衡振動會造成飛輪系統(tǒng)的基頻擾動，是磁懸浮飛輪的最主要振動源。轉(zhuǎn)子的不平衡是指轉(zhuǎn)子的幾何軸與慣性主軸是不重合的，如附圖1所示。而磁懸浮飛輪的工作原理是將飛輪轉(zhuǎn)子懸浮于轉(zhuǎn)子的幾何軸，當飛輪工作于低速時(臨界轉(zhuǎn)速以下)，飛輪繞轉(zhuǎn)子幾何軸旋轉(zhuǎn)，此時飛輪的慣性主軸繞幾何軸轉(zhuǎn)動，從而就會有擾動力與擾動力矩輸出；而當飛輪工作于高速時(臨界轉(zhuǎn)速以上)，由于飛輪轉(zhuǎn)子的自對中效應，飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)子質(zhì)心會趨于重合，飛輪轉(zhuǎn)子會繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)，此時飛輪幾何軸繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)，由于磁懸浮飛輪的工作原理，磁軸承會向飛輪轉(zhuǎn)子施加主動控制力，由于作用力與反作用力的原理，此時也會有擾動力輸出。而飛輪的高精度控制是指飛輪輸出力矩的高精度控制，包括力矩大小和力矩方向的高精度控制兩部分。其中輸出力矩大小的高精度控制由電機的控制精度決定，而輸出力矩方向的高精度控制由飛輪本身的控制精度決定。所以由于轉(zhuǎn)子的不平衡造成的擾動力的輸出，必然影響飛輪輸出力矩的方向，因此如何對轉(zhuǎn)子的不平衡振動進行抑制，成為磁懸浮飛輪應用于高精度航天器姿態(tài)控制所需要解決的主要問題之一。
對于磁懸浮反作用飛輪，其正常工作范圍一般為臨界轉(zhuǎn)速及以下，因此包括臨界轉(zhuǎn)速以下的轉(zhuǎn)速段的整個轉(zhuǎn)速范圍的高精度控制對磁懸浮飛輪的高精度控制至關(guān)重要。在目前采用的磁懸浮飛輪高精度控制裝置中，其不平衡振動控制器只采用自適應陷波器對磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子位移信號進行閉環(huán)控制。由于飛輪轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速附近轉(zhuǎn)子會發(fā)生相位突跳，因此閉環(huán)不平衡振動控制的方法只能應用于高于臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速段，在臨界轉(zhuǎn)速附近及以下應用即會引起轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的問題。另外，Tamisier等對自適應陷波器進行了相位補償，使閉環(huán)不平衡振動控制可應用于臨界轉(zhuǎn)速附近，但仍然不適用于低于臨界轉(zhuǎn)速(如600轉(zhuǎn)/分以下)的轉(zhuǎn)速段，因此無法實現(xiàn)磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子在整個轉(zhuǎn)速范圍的高精度控制。因而現(xiàn)有的高精度控制裝置不能滿足磁懸浮反作用飛輪高精度控制的要求，存在不能對磁懸浮反作用飛輪的整個工作范圍進行不平衡振動控制的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有磁懸浮反作用飛輪控制系統(tǒng)在飛輪高精度控制方面存在的不足，特別是解決整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的不平衡振動控制問題，提供一種磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)磁懸浮反作用飛輪在整個升、降速過程中的高精度控制。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，包括位移傳感器、位移信號接口電路、轉(zhuǎn)速檢測裝置、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，位移傳感器用于檢測飛輪轉(zhuǎn)子位移信號；位移信號接口電路與位移傳感器和磁軸承控制器相連，用于將位移傳感器檢測到的飛輪轉(zhuǎn)子位移信號輸出給磁軸承控制器；轉(zhuǎn)速檢測裝置與磁軸承控制器相連，用于檢測飛輪轉(zhuǎn)速；功率放大驅(qū)動電路與磁軸承控制器和磁軸承線圈相連，用于將磁軸承控制器輸出的控制量進行功率放大輸出至磁軸承線圈，對飛輪轉(zhuǎn)子施加主動控制，其特征在于還包括飛輪位置鑒別裝置，與磁軸承控制器相連，用于檢測飛輪轉(zhuǎn)子的當前位置；徑向磁軸承控制器由穩(wěn)定控制器和不平衡振動控制器組成，其中穩(wěn)定控制器用以對飛輪進行穩(wěn)定控制，不平衡振動控制器與轉(zhuǎn)速檢測裝置和飛輪位置鑒別裝置共同組成不平衡振動控制模塊，通過飛輪轉(zhuǎn)速檢測裝置獲得轉(zhuǎn)子的不平衡量，依據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡量和飛輪位置鑒別裝置獲得的飛輪當前位置信號決定當前時刻不平衡補償量的大小，對系統(tǒng)進行開環(huán)補償，實現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子不平衡振動的開環(huán)高精度不平衡振動控制。
所述的不平衡振動控制器由自適應陷波器和開環(huán)補償算法組成，自適應陷波器由轉(zhuǎn)速檢測裝置獲得飛輪的轉(zhuǎn)速設(shè)置其中心頻率，用于對飛輪轉(zhuǎn)子閉環(huán)不平衡振動補償以使飛輪繞慣性主軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)并得到轉(zhuǎn)子的不平衡量大小和位置；開環(huán)補償算法根據(jù)得到的不平衡量大小和位置，并依據(jù)飛輪位置鑒別裝置獲得的飛輪轉(zhuǎn)子當前位置信號進行開環(huán)高精度不平衡振動控制。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明中的穩(wěn)定控制模塊可實現(xiàn)磁懸浮反作用飛輪的穩(wěn)定控制。在穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，引入不平衡振動控制，利用飛輪高速時識別的飛輪不平衡振動參數(shù)，并結(jié)合飛輪位置鑒別裝置獲得的飛輪實際位置，對飛輪整個轉(zhuǎn)速范圍進行開環(huán)高精度不平衡振動控制，從而實現(xiàn)飛輪在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的不平衡振動控制，使飛輪的在整個升、降速過程中都能夠高精度運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明采用臨界轉(zhuǎn)速以上識別出的飛輪轉(zhuǎn)子不平衡量參數(shù)對轉(zhuǎn)子進行開環(huán)高精度不平衡振動控制，克服了閉環(huán)不平衡振動控制應用于臨界轉(zhuǎn)速以下造成的飛輪穩(wěn)定性問題，因而實現(xiàn)了磁懸浮反作用飛輪轉(zhuǎn)子在整個轉(zhuǎn)速范圍的高精度控制。
(2)本發(fā)明的不平衡振動控制模塊采用了開環(huán)高精度不平衡振動控制的方法，既有開環(huán)的穩(wěn)定性，又具有閉環(huán)控制的精度，其具體實現(xiàn)中只是在現(xiàn)有高精度控制器的基礎(chǔ)上加入軟件開關(guān)以進行閉環(huán)與開環(huán)補償?shù)那袚Q和飛輪位置鑒別裝置以獲得轉(zhuǎn)子當前位置信號，因此具有方法簡單，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。


圖1為一種磁懸浮反作用飛輪轉(zhuǎn)子存在不平衡量時轉(zhuǎn)子幾何軸與慣性主軸關(guān)系示意圖；圖2為本發(fā)明的一種磁懸浮反作用飛輪控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖3為本發(fā)明的一種磁懸浮反作用飛輪控制系統(tǒng)的不平衡振動控制算法流程圖；圖4為本發(fā)明的一種磁懸浮反作用飛輪控制系統(tǒng)閉環(huán)不平衡補償原理框圖；圖5為本發(fā)明的一種磁懸浮反作用飛輪控制系統(tǒng)自適應陷波器原理圖；圖6為本發(fā)明的一種磁懸浮反作用飛輪控制系統(tǒng)開環(huán)補償算法流程圖；圖7為一種未經(jīng)不平衡振動控制的磁懸浮反作用飛輪轉(zhuǎn)子位移曲線；圖8為一種經(jīng)本發(fā)明的不平衡振動控制的磁懸浮反作用飛輪轉(zhuǎn)子位移曲線。
具體實施例方式
如圖2所示，本實施例所用的磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)輪包括位移傳感器1、位移信號接口電路2、轉(zhuǎn)速檢測裝置4、磁軸承控制器5、磁軸承功率放大驅(qū)動電路6和飛輪位置鑒別裝置8。位移信號接口電路2用于對磁懸浮反作用飛輪轉(zhuǎn)子位移傳感器1檢測得到的位移信號進行調(diào)零、高頻噪聲濾波；轉(zhuǎn)速檢測裝置4用于將飛輪轉(zhuǎn)速信號進行隔離、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5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的輸出控制信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動磁懸浮反作用飛輪磁軸承線圈7的控制電流，從而實現(xiàn)磁懸浮反作用飛輪的穩(wěn)定懸??；飛輪位置鑒別裝置8用于獲得飛輪準確的位置信號；磁軸承控制器5包括軸向磁軸承控制器51和徑向磁軸承控制器52，軸向磁軸承控制器51采用穩(wěn)定控制器，徑向磁軸承控制器52由穩(wěn)定控制器9和不平衡振動控制器10組成，其中不平衡振動控制器10對穩(wěn)定控制器9的位移反饋進行補償。
如圖3所示，依據(jù)飛輪轉(zhuǎn)速檢測裝置4獲得的飛輪轉(zhuǎn)速設(shè)置自適應陷波器13的中心頻率，當飛輪轉(zhuǎn)速達到臨界轉(zhuǎn)速以上時，由自適應陷波器13對飛輪轉(zhuǎn)子位移信號中的不平衡量進行提取并反饋回位移信號中，從而實現(xiàn)對飛輪轉(zhuǎn)子3的不平衡量的閉環(huán)補償；當?shù)玫椒€(wěn)定的補償量后，記錄下自適應陷波器13在飛輪各個位置時補償量的大小以建立一個二維數(shù)表，分別表征著轉(zhuǎn)子的不平衡量的大小和位置。
如圖4所示，磁軸承控制器5由穩(wěn)定控制器9和不平衡振動控制器10組成，當飛輪轉(zhuǎn)速達到臨界轉(zhuǎn)速以上后，閉合作用開關(guān)14，斷開作用開關(guān)11，不平衡振動控制器10由自適應陷波器13從飛輪轉(zhuǎn)子3的位移信號中提取不平衡量信號，通過負反饋后作用于飛輪轉(zhuǎn)子3位移信號中，對飛輪轉(zhuǎn)子的不平衡振動進行閉環(huán)補償。當飛輪轉(zhuǎn)子繞慣性主軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)后，得到穩(wěn)定的表征不平衡量的二維數(shù)表，斷開作用開關(guān)14，閉合作用開關(guān)11，根據(jù)閉環(huán)補償獲得的轉(zhuǎn)子不平衡量的大小和位置，并結(jié)合飛輪位置鑒別裝置提供的飛輪轉(zhuǎn)子的當前位置信號，對飛輪轉(zhuǎn)子不平衡振動進行開環(huán)補償，從而實現(xiàn)飛輪在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的不平衡振動控制，使飛輪的在整個升、降速過程中都能夠高精度運轉(zhuǎn)。
如圖5所示，本實施例采用的自適應陷波器13基于正交函數(shù)的正交性原理，將由轉(zhuǎn)速檢測裝置4測得的飛輪轉(zhuǎn)速作為自適應陷波器的中心頻率，將頻率為轉(zhuǎn)頻的正、余弦值分別與飛輪轉(zhuǎn)子的位移信號相乘后作積分，用于獲得飛輪轉(zhuǎn)子位移信號中與轉(zhuǎn)速同頻的正、余弦分量的系數(shù)，然后將此二系數(shù)再分別與頻率為轉(zhuǎn)頻的正、余弦信號做乘法，以獲得轉(zhuǎn)子位移信號中頻率為轉(zhuǎn)頻的正、余弦信號分量，再將此二分量做和，最終獲得飛輪轉(zhuǎn)子位移信號中頻率為轉(zhuǎn)頻的分量值，并反饋回轉(zhuǎn)子位移信號中。對轉(zhuǎn)速檢測裝置4測得的飛輪轉(zhuǎn)速乘以n倍(2≤n≤3)以作為自適應陷波器13的中心頻率，可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位移信號中頻率為n倍轉(zhuǎn)頻(2≤n≤3)分量的提取，將所提取的n倍轉(zhuǎn)頻(2≤n≤3)的分量負反饋作用至轉(zhuǎn)子位移信號中，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子n倍不平衡量(2≤n≤3)的閉環(huán)補償，用以獲得表征n倍不平衡量(2≤n≤3)大小和位置的二維數(shù)表，根據(jù)此二維數(shù)表并結(jié)合飛輪位置鑒別裝置所提供的飛輪實際位置信號，可實現(xiàn)對n倍轉(zhuǎn)頻(2≤n≤3)的開環(huán)高精度不平衡振動控制。
如圖6所示，開環(huán)補償算法12的流程圖如下首先由自適應陷波器13對飛輪轉(zhuǎn)子3進行閉環(huán)不平衡振動補償，以獲得飛輪轉(zhuǎn)子3的不平衡量的大小和位置，并生成表征不平衡量大小和位置的二維數(shù)表；由飛輪位置鑒別裝置8獲得飛輪轉(zhuǎn)子3的當前位置信號，通過查表獲得飛輪轉(zhuǎn)子當前位置的不平衡補償量的大小，進行開環(huán)高精度不平衡振動控制。
為了說明磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制的效果，圖7、圖8給出了某轉(zhuǎn)速下未加入不平衡振動控制和加入不平衡振動控制的飛輪轉(zhuǎn)子位移曲線進行對比。圖7為在某轉(zhuǎn)速下(本實施例為6000轉(zhuǎn)/分)，未加入不平衡振動控制時飛輪轉(zhuǎn)子的位移曲線；圖8為在某轉(zhuǎn)速下(本實施例為6000轉(zhuǎn)/分)，在加入開環(huán)高精度不平衡振動控制后，飛輪轉(zhuǎn)子的位移曲線。圖8與圖7相比，飛輪轉(zhuǎn)子位移中的不平衡量已得到顯著抑制，達到了飛輪高精度控制的效果。
本發(fā)明的磁懸浮反作用飛輪控制器5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(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，包括位移傳感器(1)、位移信號接口電路(2)、轉(zhuǎn)速檢測裝置(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(51)和徑向磁軸承控制器(52)組成，位移傳感器(1)用于檢測飛輪轉(zhuǎn)子位移信號；位移信號接口電路(2)與位移傳感器(1)和磁軸承控制器(5)相連，用于將位移傳感器檢測到的飛輪轉(zhuǎn)子位移信號輸出給磁軸承控制器；轉(zhuǎn)速檢測裝置(4)與磁軸承控制器(5)相連，用于檢測飛輪轉(zhuǎn)速；功率放大驅(qū)動電路(6)與磁軸承控制器(5)和磁軸承線圈(7)相連，用于將磁軸承控制器輸出的控制量進行功率放大輸出至磁軸承線圈，對飛輪轉(zhuǎn)子施加主動控制，其特征在于還包括飛輪位置鑒別裝置(8)，與磁軸承控制器(5)相連，用于檢測飛輪轉(zhuǎn)子的當前位置；徑向磁軸承控制器(52)由穩(wěn)定控制器(9)和不平衡振動控制器(10)組成，其中穩(wěn)定控制器(9)用以對飛輪進行穩(wěn)定控制，不平衡振動控制器(10)與轉(zhuǎn)速檢測裝置(4)和飛輪位置鑒別裝置(8)共同組成不平衡振動控制模塊，通過飛輪轉(zhuǎn)速檢測裝置(4)獲得轉(zhuǎn)子的不平衡量，依據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡量和飛輪位置鑒別裝置(8)獲得的飛輪當前位置信號決定當前時刻不平衡補償量的大小，對系統(tǒng)進行開環(huán)補償，實現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子不平衡振動的開環(huán)高精度不平衡振動控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的不平衡振動控制器(10)由自適應陷波器(13)和開環(huán)補償算法(12)組成，自適應陷波器(13)由轉(zhuǎn)速檢測裝置獲得飛輪的轉(zhuǎn)速設(shè)置其中心頻率，用于對飛輪轉(zhuǎn)子閉環(huán)不平衡振動補償以使飛輪繞慣性主軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)并得到轉(zhuǎn)子的不平衡量大小和位置；開環(huán)補償算法(12)根據(jù)得到的不平衡量大小和位置，并依據(jù)飛輪位置鑒別裝置獲得的飛輪轉(zhuǎn)子當前位置信號進行開環(huán)高精度不平衡振動控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的開環(huán)補償算法(12)，必須首先將飛輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)至臨界轉(zhuǎn)速以上以進行閉環(huán)不平衡振動補償，獲得飛輪轉(zhuǎn)子不平衡量的參數(shù)；在獲得不平衡量參數(shù)進行開環(huán)補償后即可以實現(xiàn)飛輪在整個轉(zhuǎn)速范圍的開環(huán)高精度不平衡振動控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的自適應陷波器(13)可以是一個用于對基頻或n倍頻進行自適應陷波，可以是兩個，用于對基頻和n倍頻中的任意兩個同時進行自適應陷波，或可以是三個，用于對基頻、二倍頻、三倍頻同時進行自適應陷波，上述的2≤n≤3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的穩(wěn)定控制器(9)為分散PID控制器，或分散PID加交叉反饋控制器，或解耦控制器。
全文摘要
一種磁懸浮反作用飛輪開環(huán)高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，包括位移傳感器、位移信號接口電路、轉(zhuǎn)速檢測裝置、磁軸承控制器、磁軸承功率放大驅(qū)動電路和飛輪位置鑒別裝置。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，徑向磁軸承控制器由穩(wěn)定控制器和不平衡振動控制器兩部分組成，其中不平衡振動控制器對穩(wěn)定控制器的位移反饋進行補償。本發(fā)明在穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，引入不平衡振動控制，利用飛輪高速時識別的飛輪不平衡振動參數(shù)，并結(jié)合飛輪位置鑒別裝置獲得的飛輪轉(zhuǎn)子當前位置，對飛輪整個轉(zhuǎn)速范圍進行開環(huán)高精度不平衡振動控制，從而實現(xiàn)飛輪在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的不平衡振動控制，使飛輪的在整個升、降速過程中都能夠高精度運轉(zhuǎn)。
文檔編號F16C32/04GK101046692SQ20071009856
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者房建成, 樊亞洪, 劉彬, 劉剛, 田希暉, 劉虎 申請人:北京航空航天大學