[发明专利]轴向分相磁悬浮飞轮转子陀螺效应抑制方法

说明书

本发明提供一种轴向分相磁悬浮飞轮转子陀螺效应抑制方法，属于磁悬浮传动技术领域。首先基于平动和转动坐标系构建轴向分相磁悬浮转子动力学模型，进而采用分散控制实现平动模态与转动模态解耦，再基于逆系统解耦的集中控制实现章动模态与进动模态解耦，最后对解耦后的非线性系统通过鲁棒伺服调节器和动态补偿器进行系统闭环综合。本发明将分散控制和集中控制相结合，完成基于模态解耦的磁悬浮飞轮转子陀螺效应抑制算法，能够简化控制算法，同时提高控制精度和鲁棒性。

技术领域

本发明涉及一种轴向分相磁悬浮飞轮转子陀螺效应抑制方法。

背景技术

飞轮储能系统是一种机电能量转换的物理储能装置，具备比功率大、体积小、寿命长、充放电快、清洁无污染等优点，是一种研究价值高、应用前景广阔的新型储能技术。磁悬浮开关磁阻电机在充分保留开关磁阻电机高速优良特性基础上，通过自身悬浮力的主动控制，进一步改善电机高速性能与运行效率。将其引入飞轮储能，可实现系统超低功耗的悬浮支承和高速、高效的充放电一体化运行，大幅度减小系统损耗与体积，提高悬浮性能、临界转速与功率密度，是飞轮储能悬浮支承与能量转换系统理想的选择之一。

传统径向分相磁悬浮开关磁阻电机只能实现两自由度支承，且电机绕组-磁路-电磁力均存在复杂的电磁强耦合关系，分析与控制难度大。为此，发明专利 201610864124.3发明了一种轴向分相内定子永磁偏置轴向分相磁悬浮飞轮电机，该电机通过轴向分相设计，从结构上实现四自由度悬浮且悬浮磁路和转矩磁路的解耦，但是该电机为了满足飞轮的高转速运行性能要求，电机转子与飞轮集为一体，采用扁平状结构且刚性较大，这使其在高速下极转动惯量大于赤道转动惯量，高转速时表现出强烈的陀螺效应。

由于高速飞轮转子系统的弯曲临界转速远高于其额定的工作转速，可近似地将其简化为一个刚性转子系统来处理，这样会出现转动和平动两种刚性模态。飞轮转子旋转时，由于飞轮转子强陀螺效应的作用，转动模态又会分解为章动模态和进动模态。章动模态的频率随转速同步上升，高速下与转子转动同步频率之比接近于转子的极转动惯量与横向转动惯量之比。进动模态的频率则随转速上升不断下降，在高速下趋向于零。理论上章动模态频率和进动模态频率的乘积在任何转速下保持不变。如果飞轮系统中各组成部分都是线性系统且没有时间延迟，则通过传统分散比例微分(PD)控制策略可以满足飞轮转子系统对刚度和阻尼的要求，使飞轮转子高速时在强陀螺效应作用下也能保持稳定运行。但在实际的系统中，由于控制系统的延时、功放、控制器的积分作用等原因，过高的章动频率与过低的进动频率都会降低控制系统的稳定性，甚至可能导致系统失稳。所以飞轮转子在高速旋转过程中产生的强陀螺效应会严重影响飞轮的正常运行。

目前，针对磁悬浮飞轮转子的陀螺效应问题，国内外学者已开展了研究，并提出了多种抑制方法，一定程度上得到较为成熟的应用，但在精度、效率和实时性上存在欠缺。如应用最为广泛的分散比例积分微分(PID)控制忽略各自由度之间的耦合作用，高速下控制精度低；而各种交叉反馈控制算法多采用泰勒线性化方法在平衡点处线性化系统模型，藉此完成反馈控制，对气隙变化鲁棒性不足；自适应反馈控制方法具备较好的控制精度和鲁棒性，但算法计算量大，实时性不高；逆系统线性化解耦算法物理概念清晰，易于实现，但是易受模型和参数变化的影响，实际应用中还需要进一步设计鲁棒伺服调节器，如滑模控制、H∞控制、μ综合、线性二次型(LQR)控制、神经网络、模糊控制等，这又使得算法非常复杂。因此，现有陀螺效应抑制方法在算法精度、简单性及鲁棒性方面存在不足，难以在实际复杂的高速磁悬浮系统的实际应用中取得满意控制效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向分相磁悬浮飞轮转子陀螺效应抑制方法，从飞轮转子动力学出发，依据转子平动模态与转动模态以及高速下章动模态与进动模态特征，将分散控制与集中控制相结合，设计基于运动模态解耦策略的陀螺效应抑制算法，实现轴向分相磁悬浮飞轮电机高速运行下高性能稳定悬浮控制，解决现有技术中存在的在算法精度、简单性及鲁棒性方面存在不足的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种轴向分相磁悬浮飞轮转子陀螺效应抑制方法，包括以下步骤，