一种基于并联相移滤波器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于并联相移滤波器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，该方法针对磁悬浮控制力矩陀螺，首先建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型，然后设计了一种基于相移滤波器的谐波电流抑制方法，根据不同转速选择不同相移，从而保证系统的稳定性。本发明能对磁悬浮转子中磁轴承线圈电流的谐波分量进行抑制，适用于存在质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子系统谐波电流抑制。

主权项

一种基于并联相移滤波器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)、建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型主被动磁悬浮控制力矩陀螺转子主动磁轴承控制转子径向两自由度实现悬浮，其余三个自由度由安装在转子和定子上的永磁环实现无源稳定悬浮，主被动磁轴承轴承力由主动磁轴承电磁力和被动磁轴承磁力两部分组成，X通道轴承力f_x可写为：f_x＝f_ex+f_px其中，f_ex为X通道主动磁轴承电磁力，f_px为X通道被动磁轴承磁力，被动磁轴承产生的力与位移呈线性关系，表示为：f_px＝K_prx其中，K_pr是被动磁轴承位移刚度，x为转子几何中心的位移；当转子悬浮在磁中心附近时，主动磁轴承电磁力可近似线性化为：f_ex≈K_erx+K_ii_x其中，K_er、K_i分别为主动磁轴承位移刚度、电流刚度，i_x为功放输出电流；对于含有质量不平衡的转子系统，有：X(t)＝x(t)+Θ_x(t)其中，X(t)为转子质心位移，x(t)为转子几何中心位移，Θ_x(t)为质量不平衡引起的位移扰动，记为：Θ_x(t)＝l cos(Ωt+θ)其中，l为质量不平衡的幅值，θ为相位，Ω为转子转速；在实际转子系统中，由于机械加工精度和材料的不均匀因素的影响，传感器谐波不可避免，传感器实际测得的位移x_s(t)可表示为：x_s(t)＝x(t)+x_d(t)其中，x_d(t)为传感器谐波，可写为：$x_d\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{c}_{i}sin(i\Omega t+{\theta }_i)$其中，c_i是传感器谐波系数的幅值，θ_i是传感器谐波系数的相位，n为传感器谐波的最高次数；将i_x、X、Θ_x、x_d依次进行拉普拉斯变换得i_x(s)、X(s)、Θ_x(s)、x_d(s)，写出转子动力学方程有：ms²X(s)＝(K_er+K_pr)(X(s)‑Θ_x(s))+K_ii_x(s)其中，i_x(s)＝‑K_sK_iG_c(s)G_w(s)(X(s)‑Θ_x(s)+x_d(s))其中，K_s为位移传感器环节、G_c(s)为控制器环节，G_w(s)为功放环节；从上式可以看出，由于质量不平衡和传感器谐波的存在，不仅导致线圈电流中存在与转速同频的基频成分，还存在倍频成分，线圈电流中的同频和倍频成分合称为谐波电流，谐波电流不仅会增加磁轴承功耗，还会引起谐波振动，并通过磁轴承直接传递给航天器，影响航天器姿态控制的精度，需要加以抑制；步骤(2)、设计基于并联相移滤波器的谐波电流抑制方法谐波电流中所含谐波成分是转子转速的整数倍，而陷波器能对特定频率进行滤除，因此采用自适应陷波器对所需要抑制的频率成分进行抑制，该抑制方法在传统滤波器基础上引入相移，根据不同转速调整相移，保证转子系统在不同转速下的稳定性，以电流作为自适应相移陷波器的输入，陷波器的输出反馈至功放的输入端，相移陷波器的核心是带有相移的滤波器，并联多个带有相移的滤波器对不同频率成分的谐波电流进行提取和抑制。