[实用新型]一种五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器

说明书

技术领域

本实用新型涉及高速及超高速电机传动领域中的磁轴承解耦控制器，用于人造卫星、导弹、潜艇等武器中的姿态控制和储能，以及高性能的机床主轴、发电机、离心泵等，属于电力传动控制设备及机械润滑密封技术领域。 

背景技术

磁轴承利用磁场力将转子无接触地悬浮在空中，并且悬浮位置可以由控制系统控制。与传统轴承相比，磁轴承具备了无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点，特别是在高速机床主轴系统中，主轴的支承方式在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围，将磁轴承应用于高速机床主轴的支承中，为高速机床主轴技术水平的提高创造了有利条件。 

交流主动磁轴承具有开环不稳定的非线性扰动力学特性，转子的临界转速、干扰力和负载的存在使得转子在高速时的特性非常复杂，因而必须采用经典控制理论或现代控制理论对线性化解耦后的伪线性子系统设计控制器。五自由度交流主动磁轴承系统是一个融合多学科领域的多变量、多耦合的复杂非线性系统，要获得优良的动态悬浮特性及控制性能，必须对各个自由度的位移变量进行解耦。目前，针对非线性交流主动磁轴承系统的解耦控制器有近似线性化解耦控制器、微分几何反馈线性化解耦器、神经网络逆解耦器、逆系统解耦器及综合应用的解耦控制器等。其中，近似线性化解耦控制器只能实现系统静态解耦，不能实现系统动态解耦。微分几何反馈线性化解耦器在线性化过程中没有忽略掉任何高阶非线性项，实现的途径比较抽象，不便在工程上推广应用。神经网络逆解耦控制器能够在解析逆难以求得的情况下实现系统的动态解耦，获得优良的静、动态特性，但神经网络在理论和设计方法上还存在学习速度慢、训练时间长，理想的样本提取困难，网络结构不易优化等难以克服的缺陷。逆系统解耦控制器通过将系统线性化和解耦成为互相独立的线性积分子系统来实现各个被控量之间的动态解耦控制，能够有效提高整个系统的控制性能，其物理概念清晰，既直观又易于理解，不需要高深的数学理论知识等优点，具有一定的普遍性，但常用的逆系统解耦器的缺陷是要求获得被控对象精确数学模型，需要通过设计位置控制器来弥补。 

发明内容

本实用新型的目的是为克服现有交流主动磁轴承系统的常用的几种解耦控制器的不足而提供一种五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器，既可实现五自由度交流主动 磁轴承系统径向及轴向各自由度的位移变量之间的解耦控制，又可使系统获得良好的动、静态性能。 

本实用新型采用的技术方案是：五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器串接于五自由度交流主动磁轴承之前，五自由度交流主动磁轴承包括由共用一个转轴的2个径向主动磁轴承、1个轴向主动磁轴承和高速电机以及径向位移传感器、轴向位移传感器组成，五自由度交流主动磁轴承α阶逆系统解耦控制器由线性闭环控制器、α阶逆系统和复合被控对象依次串接组成；复合被控对象由第一、第二扩展的电流跟踪逆变器及双极性开关功率放大器分别串接于五自由度交流主动磁轴承之前组成；第一、第二扩展的电流跟踪逆变器由第一、第二Clark逆变换和第一、第二电流跟踪逆变器连接组成，线性闭环控制器由分别串接于α阶逆系统之前的4个径向位置控制器和1个轴向位置控制器组成。 

本实用新型的优点在于： 

1、目前国内外对磁轴承的研究多为直流式磁轴承，而直流开关功率放大器相对于交流逆变器来说其体积大、功耗大及成本高。本实用新型提出的新型五自由度交流主动磁轴承结构由两个径向主动磁轴承和一个轴向主动磁轴承构成，采用三相功率逆变器提供径向控制电流，并采用双极性功率放大器提供轴向控制电流，大大减小了功率放大器体积，降低了功率损耗，减少了成本。

2、采用逆系统构造出复合被控对象的α阶逆系统，将五自由度交流主动磁轴承系统这一非线性、强耦合的多输入多输出系统采用α阶逆系统方法构建复合控制对象的逆系统模型，将控制对象解耦成伪线性系统，线性化和解耦成为5个相互独立的单输入单输出线性积分子系统，从而使复杂的非线性耦合控制变为简单的线性控制。在此基础上采用线性系统对伪线性子系统设计控制器，能够实现五自由度交流主动磁轴承5个自由度位移变量之间的独立控制，即实现五自由度交流主动磁轴承系统的解耦控制，对交流主动磁轴承的运行进行有效的解耦控制，可获得良好的控制性能以及抗负载扰动能力，控制结构简单，物理概念清晰直观、数学分析简单明了，易于工程实现。