專利名稱：一種補償磁軸承開關功放數(shù)字控制延時的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種補償磁軸承開關功放數(shù)字控制延時的方法，適用于高速磁懸浮轉子系統(tǒng)的快響應和高穩(wěn)定控制，屬于磁軸承控制技術領域。
背景技術：
磁懸浮軸承因具有無摩擦、低振動、易于實現(xiàn)高精度和長壽命等突出優(yōu)點而在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代軍事等領域有著廣闊的應用前景。在磁軸承控制系統(tǒng)中，開關功率放大器的作用是向電磁軸承線圈提供相應的電流以產(chǎn)生所需要的電磁力。電磁軸承開關功放主要有脈寬調制(PWM)型、采樣保持型、滯環(huán)比較型和最小脈寬型等四種形式。其中，PWM開關功放的優(yōu)點是開關頻率固定，能限制最小導通和關斷脈沖的寬度，輸出波形質量好、穩(wěn)態(tài)精度高、可靠性高，在電磁軸承中得到了廣泛應用。電磁軸承PWM開關功放主要包括控制器、PWM發(fā)生器、全橋主電路和電流傳感器。對于PWM H全橋開關功放電路，根據(jù)驅動控制方式的不同又可分為單極性PWM開關功放和雙極性PWM開關功放。與雙極性PWM開關功放相比，單極性PWM開關功放的電流紋波并不隨著直流母線電壓的增加而增大，因此單極性PWM開關功放更廣泛地應用于磁軸承開關功放系統(tǒng)。傳統(tǒng)的單極性PWM開關功放是由模擬電路實現(xiàn)，隨著數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展，數(shù)字控制越來越廣泛地應用于磁軸承開關功放系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的模擬控制相比，數(shù)字控制具有許多優(yōu)點，比如可以運行更復雜的控制算法，對環(huán)境和參數(shù)變化具有更強的魯棒性，可重復編程，以及便于故障診斷和容錯控制等。然而，數(shù)字控制不可避免地引進包括A/D轉換延時、計算延時和PWM調制延時在內的數(shù)字控制延時。這些延時將不可避免地導致功放系統(tǒng)的相位滯后，從而影響系統(tǒng)動態(tài)響應速度甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特別是對于具有高轉速、大電感和強陀螺效應的磁懸浮轉子系統(tǒng)，太大的相位滯后嚴重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電磁軸承開關功放的相位滯后主要包括數(shù)字控制延時和被控對象延時兩部分。其中，數(shù)字控制延時是一個純滯后環(huán)節(jié)，其大小由數(shù)字控制系統(tǒng)本身決定，與被控對象無關； 而對象延時是由感性負載引起，其大小也與數(shù)字控制系統(tǒng)無關。在PWM H橋單極性開關功放中，對于同樣大小的感性負載，直流母線電壓越大，在同一頻率處的對象延時就越小，但系統(tǒng)的控制延時并不隨直流母線電壓大小的改變而改變。因此，提高直流母線電壓只能補償磁軸承的對象延時，并不能補償其數(shù)字控制延時。目前，補償磁軸承數(shù)字控制延時的方法主要有各種模型預測控制、獨立控制等。這些控制方法理論上可以實現(xiàn)精確的電流控制，但是由于這些方法依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學模型使其對系統(tǒng)參數(shù)變化很敏感。特別地，這些先進的控制方法往往需要更多的計算資源，導致系統(tǒng)的計算延時增加，這又進一步增加了系統(tǒng)的數(shù)字控制延時。因此這些方法目前還未能在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。軌跡控制和跟蹤控制雖然相對簡單，但其通常需要較高的且變化的開關頻率，這不僅增加了開關管的功耗而且加大了輸出濾波器設計的難度。為了克服以上控制方法的不足，近年來，線性預測控制理論得到了較大的發(fā)展，并廣泛應用于整流器、逆變器等工業(yè)生產(chǎn)中。與模型預測控制方法相比，線性預測控制是一種簡單而且魯棒性較強的方法，其主要的缺點是穩(wěn)態(tài)跟蹤精度較差和電流噪聲較大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服線性預測控制方法電流噪聲較大、跟蹤精度不高和需要增加額外計算資源的不足，在不增加任何硬件電路和軟件計算量的基礎上，通過不對稱采樣電阻網(wǎng)絡，實現(xiàn)對磁軸承功放系統(tǒng)數(shù)字控制延時的有效補償。本發(fā)明的技術解決方案是在測量開關功放系統(tǒng)數(shù)字控制延時和磁軸承繞組等效電感、電阻的基礎上，根據(jù)線性預測控制理論，設置不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱因子，最后根據(jù)不對稱因子配置不對稱采樣電阻網(wǎng)絡。包括以下步驟(1)測量開關功放系統(tǒng)的數(shù)字控制延時TdTd = Tad+Tcal+Tawa+o. 5TC其中，Tad表示功放系統(tǒng)AD采樣延時，1^表示計算延時，Tawa表示PWM等待延時， Tc表示功放系統(tǒng)的伺服周期；(2)用萬用表和電感測試儀分別測量磁軸承繞組等效電阻R和電感L ；(3)確定電流采樣電阻的大小Rm和電流采樣用分壓電阻的比值kab;(4)根據(jù)線性預測控制理論，確定不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱度因子 T T,k hR
權利要求
1. 一種補償磁軸承開關功放數(shù)字控制延時的方法，其特征在于在測量開關功放系統(tǒng)數(shù)字控制延時和磁軸承繞組等效電感、電阻的基礎上，根據(jù)線性預測控制理論，設置不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱因子，最后根據(jù)不對稱因子配置不對稱采樣電阻網(wǎng)絡，包括以下步驟(1)測量開關功放系統(tǒng)的數(shù)字控制延時Td Td — Tad+Tcal+Tawa+0. 5TC其中，Tad表示功放系統(tǒng)AD采樣延時，Tcal表示計算延時，Tawa表示PWM等待延時，Tc表示系統(tǒng)的伺服周期；(2)用萬用表和電感測試儀分別測量磁軸承繞組等效電阻R和電感L；(3)確定電流采樣電阻的大小Rm和電流采樣用分壓電阻的比值kab；(4)根據(jù)線性預測控制理論，確定不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱度因子 T T,k hR7 = LT-TTR^ Ts為功放系統(tǒng)的采樣周期；c s d(5)兼顧采樣電阻網(wǎng)絡的功耗和信噪比，根據(jù)不對稱因子Y配置采樣電阻網(wǎng)絡的Ra、 Rb、Rc 和 Rd，其中民=Rd, Rb = -^-Ra ,Rc = H+，)]。
全文摘要
一種補償磁軸承開關功放數(shù)字控制延時的方法，該發(fā)明是一種能夠用來補償磁軸承開關功率放大器數(shù)字控制延時的方法。在測量開關功放系統(tǒng)數(shù)字控制延時和磁軸承繞組等效電感、電阻的基礎上，根據(jù)線性預測控制理論，設置不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱因子，最后根據(jù)不對稱因子配置不對稱采樣電阻網(wǎng)絡。本發(fā)明屬于磁軸承控制技術領域，可應用于高速磁懸浮轉子系統(tǒng)的快響應和高穩(wěn)定控制。
文檔編號G05B13/04GK102508433SQ20111034678
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月6日 優(yōu)先權日2011年11月6日
發(fā)明者任元, 信思博, 向岷, 崔華, 房建成, 郭蕊, 陳建仔 申請人:北京航空航天大學