[發明專利]五自由度交流主動磁軸承α階逆系統解耦控制器構造方法

無效

• 申請號: 201110003826.X
• 申請日: 2011-01-10
• 公開（公告）號: CN102102704A
• 公開（公告）日: 2011-06-22
• 發明（設計）人: 張婷婷;張維煜;朱睿智;陸靜;吳熙;朱熀秋
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04;F16C41/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及高速及超高速電機傳動領域中的磁軸承解耦控制器的構造方法，所構造的磁軸承解耦控制器用于人造衛星、導彈、潛艇等武器中的姿態控制和儲能，以及高性能的機床主軸、發電機、離心泵等，屬于電力傳動控制設備及機械潤滑密封技術領域。

背景技術

磁軸承利用磁場力將轉子無接觸地懸浮在空中，并且懸浮位置可以由控制系統控制。與傳統軸承相比，磁軸承具備了無摩擦磨損、無需潤滑、轉速高、精度高、壽命長等許多突出優點，特別是在高速機床主軸系統中，主軸的支承方式在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍，將磁軸承應用于高速機床主軸的支承中，為高速機床主軸技術水平的提高創造了有利條件。

交流主動磁軸承具有開環不穩定的非線性擾動力學特性，轉子的臨界轉速、干擾力和負載的存在使得轉子在高速時的特性非常復雜，因而必須采用經典控制理論或現代控制理論對線性化解耦后的偽線性子系統設計控制器。五自由度交流主動磁軸承系統是一個融合多學科領域的多變量、多耦合的復雜非線性系統，要獲得優良的動態懸浮特性及控制性能，必須對各個自由度的位移變量進行解耦。目前，針對非線性交流主動磁軸承系統的解耦控制方法有近似線性化解耦控制方法、微分幾何反饋線性化解耦控制方法、神經網絡逆解耦控制方法、逆系統解耦控制方法及各種方法的綜合應用等。其中，近似線性化解耦控制方法只能實現系統靜態解耦，不能實現系統動態解耦。微分幾何反饋線性化解耦控制方法在線性化過程中沒有忽略掉任何高階非線性項，實現的途徑比較抽象，不便在工程上推廣應用。神經網絡逆解耦控制方法能夠在解析逆難以求得的情況下實現系統的動態解耦，獲得優良的靜、動態特性，但神經網絡在理論和設計方法上還存在學習速度慢、訓練時間長，理想的樣本提取困難，網絡結構不易優化等難以克服的缺陷。逆系統解耦控制方法通過將系統線性化和解耦成為互相獨立的線性積分子系統來實現各個被控量之間的動態解耦控制，能夠有效提高整個系統的控制性能，其物理概念清晰，既直觀又易于理解，不需要高深的數學理論知識等優點，具有一定的普遍性，但常用的逆系統解耦控制方法的缺陷是要求獲得被控對象精確數學模型，需要通過設計位置控制器來彌補。

發明內容

本發明的目的是為克服現有交流主動磁軸承系統的常用的幾種解耦控制方法的不足而提供一種五自由度交流主動磁軸承α階逆系統解耦控制器構造方法，既可實現五自由度交流主動磁軸承系統徑向及軸向各自由度的位移變量之間的解耦控制，又可使系統獲得良好的動、靜態性能。

本發明采用的技術方案是：五自由度交流主動磁軸承包括由共用一個轉軸的2個徑向主動磁軸承、1個軸向主動磁軸承和高速電機以及分別測量轉子徑向、軸向位移的徑向位移傳感器、軸向位移傳感器構成；先將第一、第二Clark逆變換和第一、第二電流跟蹤逆變器依次連接構造成第一、第二擴展的電流跟蹤逆變器；將第一、第二擴展的電流跟蹤逆變器、雙極性開關功率放大器分別串接所述五自由度交流主動磁軸承后共同組成復合被控對象；通過建立復合被控對象的數學模型構造α階逆系統，在復合被控對象之前串接α階逆系統后形成偽線性系統，偽線性系統線性化和解耦成為5個互相獨立的線性積分子系統；然后對5個線性積分子系統分別設計相應的四個徑向位置控制器和一個軸向位置控制器，這五個位置控制器組成線性閉環控制器；最后將線性閉環控制器、α階逆系統、第一、第二擴展的電流跟蹤逆變器及雙極性開關功率放大器共同構造成五自由度交流主動磁軸承α階逆系統解耦控制器。

本發明的優點在于：

1、本發明由兩個徑向主動磁軸承和一個軸向主動磁軸承構成，采用三相功率逆變器提供徑向控制電流，并采用雙極性功率放大器提供軸向控制電流，大大減小了功率放大器體積，降低了功率損耗，減少了成本。

2、采用逆系統構造出復合被控對象的α階逆系統，將五自由度交流主動磁軸承系統這一非線性、強耦合的多輸入多輸出系統采用α階逆系統方法構建復合控制對象的逆系統模型，將控制對象解耦成偽線性系統，線性化和解耦成為5個相互獨立的單輸入單輸出線性積分子系統，從而使復雜的非線性耦合控制變為簡單的線性控制。在此基礎上采用線性系統對偽線性子系統設計控制器，能夠實現五自由度交流主動磁軸承5個自由度位移變量之間的獨立控制，即實現五自由度交流主動磁軸承系統的解耦控制，對交流主動磁軸承的運行進行有效的解耦控制，可獲得良好的控制性能以及抗負載擾動能力，控制方法簡單，物理概念清晰直觀、數學分析簡單明了，易于工程實現。