[发明专利]一种补偿磁轴承开关功放数字控制延时的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种补偿磁轴承开关功放数字控制延时的方法，适用于高速磁悬浮转子系统的快响应和高稳定控制，属于磁轴承控制技术领域。

背景技术

磁悬浮轴承因具有无摩擦、低振动、易于实现高精度和长寿命等突出优点而在航空航天、工业生产、现代军事等领域有着广阔的应用前景。

在磁轴承控制系统中，开关功率放大器的作用是向电磁轴承线圈提供相应的电流以产生所需要的电磁力。电磁轴承开关功放主要有脉宽调制(PWM)型、采样保持型、滞环比较型和最小脉宽型等四种形式。其中，PWM开关功放的优点是开关频率固定，能限制最小导通和关断脉冲的宽度，输出波形质量好、稳态精度高、可靠性高，在电磁轴承中得到了广泛应用。电磁轴承PWM开关功放主要包括控制器、PWM发生器、全桥主电路和电流传感器。

对于PWM H全桥开关功放电路，根据驱动控制方式的不同又可分为单极性PWM开关功放和双极性PWM开关功放。与双极性PWM开关功放相比，单极性PWM开关功放的电流纹波并不随着直流母线电压的增加而增大，因此单极性PWM开关功放更广泛地应用于磁轴承开关功放系统。

传统的单极性PWM开关功放是由模拟电路实现，随着数字信号处理器(DSP)的发展，数字控制越来越广泛地应用于磁轴承开关功放系统。与传统的模拟控制相比，数字控制具有许多优点，比如可以运行更复杂的控制算法，对环境和参数变化具有更强的鲁棒性，可重复编程，以及便于故障诊断和容错控制等。然而，数字控制不可避免地引进包括A/D转换延时、计算延时和PWM调制延时在内的数字控制延时。这些延时将不可避免地导致功放系统的相位滞后，从而影响系统动态响应速度甚至影响系统的稳定性。特别是对于具有高转速、大电感和强陀螺效应的磁悬浮转子系统，太大的相位滞后严重影响了系统的稳定性。

电磁轴承开关功放的相位滞后主要包括数字控制延时和被控对象延时两部分。其中，数字控制延时是一个纯滞后环节，其大小由数字控制系统本身决定，与被控对象无关；而对象延时是由感性负载引起，其大小也与数字控制系统无关。在PWM H桥单极性开关功放中，对于同样大小的感性负载，直流母线电压越大，在同一频率处的对象延时就越小，但系统的控制延时并不随直流母线电压大小的改变而改变。因此，提高直流母线电压只能补偿磁轴承的对象延时，并不能补偿其数字控制延时。目前，补偿磁轴承数字控制延时的方法主要有各种模型预测控制、独立控制等。这些控制方法理论上可以实现精确的电流控制，但是由于这些方法依赖于系统精确的数学模型使其对系统参数变化很敏感。特别地，这些先进的控制方法往往需要更多的计算资源，导致系统的计算延时增加，这又进一步增加了系统的数字控制延时。因此这些方法目前还未能在工业生产中得到广泛应用。轨迹控制和跟踪控制虽然相对简单，但其通常需要较高的且变化的开关频率，这不仅增加了开关管的功耗而且加大了输出滤波器设计的难度。

为了克服以上控制方法的不足，近年来，线性预测控制理论得到了较大的发展，并广泛应用于整流器、逆变器等工业生产中。与模型预测控制方法相比，线性预测控制是一种简单而且鲁棒性较强的方法，其主要的缺点是稳态跟踪精度较差和电流噪声较大。

发明内容

本发明的目的是：克服线性预测控制方法电流噪声较大、跟踪精度不高和需要增加额外计算资源的不足，在不增加任何硬件电路和软件计算量的基础上，通过不对称采样电阻网络，实现对磁轴承功放系统数字控制延时的有效补偿。

本发明的技术解决方案是：在测量开关功放系统数字控制延时和磁轴承绕组等效电感、电阻的基础上，根据线性预测控制理论，设置不对称采样电阻网络的不对称因子，最后根据不对称因子配置不对称采样电阻网络。包括以下步骤：

(1)测量开关功放系统的数字控制延时T_d

T_d＝T_ad+T_cal+T_awa+0.5T_c

其中，T_ad表示功放系统AD采样延时，T_cal表示计算延时，T_awa表示PWM等待延时，T_c表示功放系统的伺服周期；

(2)用万用表和电感测试仪分别测量磁轴承绕组等效电阻R和电感L；

(3)确定电流采样电阻的大小R_m和电流采样用分压电阻的比值k_ab；