[發明專利]一種磁懸浮飛輪轉速控制方法

有效

• 申請號: 201010123240.2
• 申請日: 2010-03-12
• 公開（公告）號: CN101800505A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 房建成;周新秀;劉剛;張然;王志強;張聰
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H02P6/06
• 分類號: H02P6/06;G05B13/02;H02N15/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉

1.一種磁懸浮飛輪轉速控制方法，其特征在于實現步驟如下：

(1)檢測飛輪轉速值

采用光電碼盤利用M/T法進行測速，在測速程序中對光電碼盤信號進行判斷，當 光電碼盤的高電平與低電平保持一定時間后觸發計數器進行計數，以減少高頻干擾信號 的影響，最后根據M/T法檢測的光電碼盤脈沖數與高頻時鐘數進行轉換即得到當前時刻 磁懸浮飛輪轉速值n(k)＝60f*m1/[P*(m2+m3)]，其中，f是高頻時鐘脈沖的頻率，P是碼 盤一周發出的脈沖數，在規定的時間Tc內，分別計取光電碼盤的脈沖個數m1和高頻時 鐘的脈沖個數m2，m3是Tc結束后到碼盤下一個脈沖上升沿的時間間隔；

(2)對所述當前時刻磁懸浮飛輪轉速值進行模糊自適應kalman濾波

首先根據磁懸浮飛輪電機模型，取狀態向量x₁(k)＝n(k)，x₂(k)＝x₁(k+1)-Au(k)，其 中，x₁(k)，x₂(k)為系統狀態向量，n(k)為步驟(1)得到的當前時刻磁懸浮飛輪轉速值， A為根據系統參數計算得到的控制系數，u(k)為系統輸出控制量，則系統方程可寫為如 下的狀態空間方程式：

x1(k+1)x2(k+1)=01-D-F*x1(k)x2(k)+AB-A*F*u(k)=G*x(k)+H*u(k)n(k)=10*x1(k)x2(k)=C*x(k),]]>式中，D、F、A、B、 G、H、C均為常數矩陣，D、F、A、B為將系統方程轉換為狀態方程后得到的控制系統參 數的中間變量值，G為系統矩陣，H為輸入矩陣，C為輸出矩陣；

G=01-ed1T*ed2Ted1T+ed2T,]]>

H=30*keJ*L*π(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2)30*keJ*L*π(d1*ed1T*ed2T-d2*ed1T*ed2T+d2*ed2T-d1*ed1T)d1*d2*(d1-d2)-30*keJ*L*π(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2)*(-ed1T-ed2t)]]>

C＝[1??0]，其中，J為磁懸浮飛輪轉動慣量，k_e為反電動勢系數，L為電機繞組電 感，d₁，d₂為系統特征方程兩根；e為自然對數底數，T為采樣時間；

kalman濾波器的狀態估計方程：x^(k)=x^(k|k-1)+K(k)*[n(k)-C*x^(k|k-1)],]]>式中， 為狀態估計值；為狀態預報值；K(k)為濾波增益矩陣；kalman濾波的濾 波增益矩陣K(k)可按下式計算：K(k)＝δ(k)*P(k|k-1)*C^T*(C*P(k|k-1)*C^T+r(k))^-1， P(k|k-1)＝G*P(k-1)*G^T+H*Q*H^T，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k|k-1)其中， δ(k)=c(k),c(k)>=11c(k)<1,]]>c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*C^T， τ(k)＝C*G*P(k)*G^T*C^T，E(k)=e02k=0[ρ*E(k-1)+e(k)2]1+ρk>=1,]]>e(k)=n(k)-n^(k|k-1),]]>式中，δ(k)為衰退因子矩陣，P(k|k-1)為一步預測均方誤差，C為輸出矩陣，P(k)為估 計均方誤差，r為量測噪聲方差陣，G為系統矩陣，H為輸入矩陣，Q為系統噪聲方差 陣，P(k)為估計均方誤差，K(k)為濾波增益矩陣，衰退因子矩陣δ(k)由柔化因子ε和 遺忘因子ρ確定，e(k)為實測轉速與估計轉速偏差，e₀初始時刻轉速偏差，ε通過模糊 自適應調節確定，c(k)為衰退量，E(k)為誤差矩陣，η(k)為當前時刻誤差平方量、τ (k)為當前時刻估計偏差方差量；

(3)根據濾波后的轉速值進行轉速控制

磁懸浮飛輪電機控制系統的轉速控制通過外環轉速環，內環電流環的雙環控制方法 實現，轉速環與電流環都采用變積分PID控制方法實現，其中轉速環根據經濾波后的轉 速值與轉速參考值進行轉速環控制，轉速環控制參數根據轉速參考與轉速偏差絕對值進 行自適應調節，轉速環控制輸出電流參考值，用于磁懸浮飛輪電機繞組電流控制；電流 環控制程序根據轉速環輸出的電流參考值與電流反饋值進行磁懸浮飛輪電機繞組電流 控制，電流環控制參數要根據磁懸浮飛輪運行狀態、參考轉速值與電流偏差絕對值實時 調節，電流環輸出控制量直接用于驅動電機運行。

2.根據權利要求1所述的一種磁懸浮飛輪轉速控制方法，其特征在于：步驟(2)所 述柔化因子ε通過模糊自適應調節確定的方法如下：

模糊控制器采用一階T-S模型，令控制器的輸入為ζ＝e(k)²，隸屬度函數為： 其中t₁，t₂，t₃，t₄為輸入參數論域中的點，模糊控制規 則如下：