CN105974790A - 一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制*** - Google Patents

一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制*** Download PDF

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Abstract

本发明一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制***，包括检测模块、处理器模块和线性功放模块；所述的检测模块包括磁密检测单元、电流检测单元和转子位置解算单元；所述的处理器模块完成悬浮和自适应主动振动控制运算；所述的线性功放模块选用线性集成功放芯片，驱动磁轴承绕组，实现转子微振动悬浮控制。本发明***不仅可以悬浮控制磁悬浮转子，实现传统控制***的所有功能，而且具有转子轴向尺寸小、检测/控制同位、具备振动检测功能、微振动控制精度高的特点，非常适合超静磁悬浮飞轮微振动控制的应用。

Description

一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制***
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮微振动控制***，适用于对磁悬浮飞轮/控制力矩陀螺进行微振动控制，具有转子轴向尺寸小、检测/控制共位、具备振动检测功能和控制精度高的特点。
背景技术
磁轴承作为一种非接触支承，同机械轴承相比，具有无磨损、可主动振动控制等优点，对提高航天器姿控***使用寿命、降低本体振动具有积极作用。
使用主动式磁轴承作为支承的磁悬浮***具有主动振动控制能力，此功能非常适合用于磁悬浮支承的惯性执行机构中，用以在磁悬浮支承***这一传递环节上降低振动。(房建成,冯锐,苏丹,等.一种磁悬浮旋转机械的不平衡量辨识与振动抑制控制***CN201310367769.2)，(崔培玲,赵光再,房建成,等.基于相移陷波器的磁轴承不平衡振动全频自适应控制[J].振动与冲击,2015,34(20):16-20)均采用磁力估计陷波的微振动控制方法。
如上方法使用位置传感器检测转子位置，需要单独的位置检测面。这不但增加了转子轴向尺寸，还会产生检测/控制异位的问题。
同时，如上方法没有振动力检测功能，微振动控制的目标振动需要根据转子位移和绕组电流进行估计获得。转子位移/绕组电流到电磁力的非线性误差、功放饱和非线性误差、高速旋转时的磁轴承涡流效应，加上检测/控制异位误差，均影响目标振动的估计精度，大大降低了微振动控制精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制***，该***不仅可以悬浮控制磁悬浮转子，实现传统控制***的所有功能，而且具有转子轴向尺寸小、检测/控制同位、具备振动检测 功能、微振动控制精度高的特点，非常适合超静磁悬浮飞轮微振动控制的应用。
本发明的技术方案是：一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制***，包括检测模块、处理器模块和线性功放模块；所述的检测模块包括磁密检测单元、电流检测单元和转子位置解算单元；所述的处理器模块完成悬浮和自适应主动振动控制运算；所述的线性功放模块选用线性集成功放芯片，驱动磁轴承绕组，实现转子微振动悬浮控制。
所述的电流检测单元包括电阻、第一仪器仪表放大电路、第一低通滤波电路和第一调偏电路；在磁轴承绕组上串联电阻，用第一仪器仪表放大电路检测电阻两端电压；把测得的电压信号送入第一低通滤波电路，进行信号硬件滤波；通过第一调偏电路对滤波完的电压信号进行调偏处理，得到磁轴承绕组电流信号；
磁密检测单元包括磁密探头、第二仪器仪表放大电路、第二低通滤波电路和第二调偏电路；将磁密探头放置在磁轴承的磁间隙中，使用恒流源给磁密探头供电，磁密探头输出信号经过仪器第二仪表放大电路放大后，送入第二低通滤波电路，进行信号硬件滤波，通过第二调偏电路对滤波完的信号进行调偏处理，得到磁轴承气隙磁密信号；
转子位置解算单元包括除法器、第三低通滤波电路和第三调偏电路；将调偏后的磁轴承绕组电流信号和磁轴承气隙磁密信号接入除法器进行除法运算，得到磁轴承气隙信号；将磁轴承气隙信号送入第三低通滤波电路，进行信号硬件滤波，通过第三调偏电路对滤波完的信号进行调偏处理，得到转子位置信号。
所述的处理器模块包括悬浮控制单元和主动振动控制单元；所述的悬浮控制单元包括AD采集器、PID控制器、前向比例放大器和后向比例放大器；AD采集器将采集到的转子位置信号与磁轴承中心位置相比较后，得到位置误差并送入PID控制器中进行运算，输出前向控制量；AD采集器将采集的磁密信号送入后向比例放大器，得到磁密环反馈量；将前向控制量与磁密环反馈量相加后送入前向比例放大器，得到悬浮控制量；
主动振动控制单元将磁密环反馈量乘以幅值增益系数A后，分两路分别对应乘以与转速同频的正、余弦函数，之后送入积分器进行积分处理，然后与带相位偏置系数的正、余弦函数分别相乘；将两路计算值相加得到振动控制量；振动控制量与悬浮控制量相加得到总控制量并送入线性功放模块。
所述的线性功放模块将总控制量进行数模转换，得到模拟控制量，送入线性功放芯片中，给磁轴承绕组提供所需控制电流，实现转子微振动悬浮控制。
本发明的有益效果：本发明使用磁轴承气隙磁密和绕组电流解算转子位置，省掉了专门的位置传感器和位置检测面，使得转子轴向尺寸变小，同时实现检测/控制同位。用磁密传感器测得磁轴承磁密，直接表征了定转子振动力，具备振动检测功能，消除了估计误差，提高了微振动控制精度。
附图说明
图1为磁密反馈磁悬浮微振动控制***功能组成示意图；
图2为检测模块结构框图；
图3为处理器模块结构框图；
图4为全局自适应控制框图；
图5为线性功放模块框图；
图6为使用磁密反馈微振动控制方法前后的磁悬浮***振动力大小变化图。
具体实施方式
本发明的控制对象为磁悬浮转子，转子由轮盘和转轴组成，磁轴承提供的磁力控制转子悬浮。因材质不均、加工装配误差等原因，转子旋转时的惯性轴和旋转轴不一致，导致磁轴承和转子之间存在与转速同频的相互作用力。此作用力传递到卫星本体上，使其产生振动，影响卫星性能。
如图1所示，本发明主要包括三个模块：(1)检测模块，包括磁密检测单元、电流检测单元和转子位置解算单元，获取磁轴承磁密、绕组电流和转子位置信息；(2)处理器模块，包括悬浮控制单元和主动振动控制单元，完成悬浮控制方法 和主动振动控制方法的运算；(3)线性功放模块，选用线性集成功放芯片，驱动磁轴承绕组，实现转子微振动悬浮控制。
下面对各模块进行详细介绍。
1、检测模块
如图2所示，为检测模块结构示意图。主要包括电流检测单元、磁密检测单元、转子位置解算单元。
1.1电流检测单元
所述的电流检测单元包括电阻、第一仪器仪表放大电路、第一低通滤波电路和第一调偏电路；在磁轴承绕组上串联电阻，用第一仪器仪表放大电路检测电阻两端电压；把测得的电压信号送入第一低通滤波电路，进行信号硬件滤波；通过第一调偏电路对滤波完的电压信号进行调偏处理，得到磁轴承绕组电流信号；
1.2磁密检测单元
磁密检测单元包括磁密探头、第二仪器仪表放大电路、第二低通滤波电路和第二调偏电路；将磁密探头放置在磁轴承的磁间隙中，使用恒流源给磁密探头供电，磁密探头输出信号经过仪器第二仪表放大电路放大后，送入第二低通滤波电路，进行信号硬件滤波，通过第二调偏电路对滤波完的信号进行调偏处理，得到磁轴承气隙磁密信号；
1.3转子位置解算单元
位移解算单元包括除法器、第三低通滤波电路和第三调偏电路；将调偏后的磁轴承绕组电流信号和磁轴承气隙磁密信号接入除法器进行除法运算，得到磁轴承气隙信号；将磁轴承气隙信号送入第三低通滤波电路，进行信号硬件滤波，通过第三调偏电路对滤波完的信号进行调偏处理，得到转子位置信号。
2、处理器模块
如图3所示，所述的处理器模块包括悬浮控制单元和主动振动控制单元；
2.1悬浮控制单元
如图4所示，所述悬浮控制单元包括AD采集器、PID控制器、前向比例放大器和后向比例放大器；AD采集器将采集到的转子位置信号与磁轴承中心位置相比较后，得到位置误差并送入PID控制器中进行运算，输出前向控制量；AD采集器将采集的磁密信号送入后向比例放大器，得到磁密环反馈量；将前向控制量与磁密环反馈量相加后送入前向比例放大器，得到悬浮控制量；
2.2主动振动控制单元
如图5所示，所述主动振动控制单元将磁密环反馈量乘以幅值增益系数A后，分两路分别乘以与转速同频的正、余弦函数，送入积分器进行积分处理，然后与带相位偏置系数的正、余弦函数相乘；将两路计算值相加得到振动控制量。振动控制量与悬浮控制量相加得到总控制量并送入线性功放模块。调节参数A和可以实现主动振动控制算法在全局范围内稳定。
3、线性功放模块
如图6所示，所述的线性功放模块将总控制量进行数模转换，得到模拟控制量，送入线性功放芯片中，给磁轴承绕组提供所需控制电流，实现转子微振动悬浮控制。为降低功放***对传感器***的开关干扰，功率放大单元选用线性功率芯片。DSP将计算完的数字控制量传给DA芯片。DA将数字控制量转换成模拟控制量，送入线性功放芯片中，给磁轴承绕组提供所需控制电流。悬浮转子
实施例1
(1)功能：超静磁悬浮飞轮的悬浮控制，实现磁悬浮飞轮的微振动控制，振动力<0.2N。不需要位移传感器和专门的检测面。
(2)磁密传感器：砷化镓超薄柔性磁密传感器，厚度<0.2mm，供电电流10mA。
(3)除法器：选用AD公司的AD734芯片。
(4)低通滤波器：本发明信号预处理低通滤波器选用二阶巴特沃斯滤波器，截止频率为3kHz。
(5)仪器仪表放大器：选用AD公司的AD623芯片
(6)DSP：选用TI公司TMS28335F，150M浮点运算能力。
(7)DA：选用TLV5614。
(8)线性功放芯片：选用OPA541。
(9)AD：选用TMS28335F自带的12位AD模块。
(10)图6为使用微振动控制方法前后的磁悬浮***振动力变化图，在第2秒加入微振动控制方法，振动力从45N迅速下降到0.4N。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制***，其特征在于：包括检测模块、处理器模块和线性功放模块；所述的检测模块包括磁密检测单元、电流检测单元和转子位置解算单元；所述的处理器模块完成悬浮和自适应主动振动控制运算；所述的线性功放模块选用线性集成功放芯片，驱动磁轴承绕组，实现转子微振动悬浮控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制***，其特征在于：所述的电流检测单元包括电阻、第一仪器仪表放大电路、第一低通滤波电路和第一调偏电路；在磁轴承绕组上串联电阻，用第一仪器仪表放大电路检测电阻两端电压；把测得的电压信号送入第一低通滤波电路，进行信号硬件滤波；通过第一调偏电路对滤波完的电压信号进行调偏处理，得到磁轴承绕组电流信号；
磁密检测单元包括磁密探头、第二仪器仪表放大电路、第二低通滤波电路和第二调偏电路；将磁密探头放置在磁轴承的磁间隙中，使用恒流源给磁密探头供电，磁密探头输出信号经过仪器第二仪表放大电路放大后，送入第二低通滤波电路，进行信号硬件滤波，通过第二调偏电路对滤波完的信号进行调偏处理，得到磁轴承气隙磁密信号；
转子位置解算单元包括除法器、第三低通滤波电路和第三调偏电路；将调偏后的磁轴承绕组电流信号和磁轴承气隙磁密信号接入除法器进行除法运算，得到磁轴承气隙信号；将磁轴承气隙信号送入第三低通滤波电路，进行信号硬件滤波，通过第三调偏电路对滤波完的信号进行调偏处理，得到转子位置信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制***，其特征在于：所述的处理器模块包括悬浮控制单元和主动振动控制单元；所述的悬浮控制单元包括AD采集器、PID控制器、前向比例放大器和后向比例放大器；AD采集器将采集到的转子位置信号与磁轴承中心位置相比较后，得到位置误差并送入PID控制器中进行运算，输出前向控制量；AD采集器将采集的磁密信号送入后向比例放大器，得到磁密环反馈量；将前向控制量与磁密环反馈量相加后送入前向比例放大器，得到悬浮控制量；
主动振动控制单元将磁密环反馈量乘以幅值增益系数A后，分两路分别对应乘以与转速同频的正、余弦函数，之后送入积分器进行积分处理，然后与带相位偏置系数的正、余弦函数分别相乘；将两路计算值相加得到振动控制量；振动控制量与悬浮控制量相加得到总控制量并送入线性功放模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁密反馈的磁悬浮微振动控制***，其特征在于：所述的线性功放模块将总控制量进行数模转换，得到模拟控制量，送入线性功放芯片中，给磁轴承绕组提供所需控制电流，实现转子微振动悬浮控制。
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