技术领域
[0001] 本
发明涉及
磁轴承非线性动态建模与控制技术领域，具体涉及一种用于高比能/高比功率储能
飞轮系统的磁轴承控制方法及其控制平台。
背景技术
[0002] 近年来，储能技术与应用发展迅速，其中储能飞轮系统(FESS)利用飞轮
转子的升、降速实现
电能-机械能的双向流动，
单体容量大、状态可全监控，具有功率
密度高、允许短时间大
电流充放电、寿命长、
温度适应性好等优点。大惯量飞轮体是
能量载体，在磁轴承支承下由
电机驱动高速旋转充电、拖动发电机释放电能，实现储能飞轮高比能/高比功率设计的关键在于降低轴承支承损耗、提高飞轮转子临界转速和能量转换效率，同时提高储能飞轮的运行寿命和安全性。
[0003] 高速磁悬浮轴承技术的进步为高效储能飞轮的研制提供了有效的解决途径。磁悬浮轴承通过高
精度位移
传感器检测转子位移，通过稳定控制
算法对电磁
铁实时动态控制使其产生受控的非
接触磁场力实现物体的悬浮。通常基于主动磁轴承的产品或设备通过不同的磁轴承结构形式组合应用实现五
自由度转子在空间稳定悬浮控制，Z轴旋转自由度由电机拖动实现高速旋转和力矩输出功能，具有无接触、无机械磨损、无需润滑等特点，并能进行动力学行为的主动控制，是高功率储能飞轮降低支承损耗、提高转子临界转速的理想支承方式。
[0004] 反馈控制律关系到磁轴承悬浮状态的
稳定性以及这种支承形式的
刚度和阻尼特性。这种刚度和阻尼特性理论上是可以多种多样的，并且能根据需要进行设计，甚至可运行时在线调整。磁悬浮轴承这种支承主动可调节的特性，在增加磁轴承适用能力和灵活性的同时，也为磁轴承工业应用带来了挑战和困难，即需要根据特定使用对象设计刚度和阻尼特性合适的磁轴承组件，这就对设计人员的经验和能力提出了较高的要求。我国从上世纪80年代以来开始研究磁轴承
基础理论与应用，其应用主要集中在国防军事领域，在工业领域尚未展开规模应用。主要原因有：一方面，由于磁轴承支承的可调节特性与转子动力学特性高度耦合，特定应用需要有针对性的开展设计与调节；另一方面，国内学者采用Matlab
软件建立磁轴承控
制模型时通常采用电流控制方案，基于平衡点线性化方法将磁轴承被控对象抽象成为一个二阶系统，往往忽略了磁轴承线圈的非线性动态特性，这种控制方法无法准确反映磁轴承组件的动态特性，尤其是在高速大承载磁轴承设计时由于气隙和承载力更大、磁轴承线圈的非线性影响更大，使得磁轴承设计理论的通用准则和一般方法无法直接应用，增加了设计开发难度。
[0005] 本发明针对高功率(300kW/kWh)储能飞轮高速大承载磁轴承建模和控制算法验证、磁轴承组件设计与产品应用等实际需求，围绕磁轴承非线性动态建模和
硬件系统构建与实现等两个方面技术应用提出。
发明内容
[0006] 基于线圈非线性动态模型和高带宽电流闭环控制，本发明提出了一种适用于高功率储能飞轮系统的磁轴承控制方法及其控制平台，以提高磁轴承控制的准确度、降低参数设计的难度，降低磁轴承组件设计难度和实际成本。
[0007] 本发明提出的磁轴承控制方法适用于高功率储能飞轮系统，包含以下过程：
[0008] 步骤1位移控制指令Xcmd(k)与位移反馈模
块输出的位移反馈
信号x(k-1)比较产生磁轴承位移偏差信号，经抗噪声干扰数字
滤波器滤波整形后输入分散PID和交叉解耦
位置控制器，其中，k为当前
采样时刻、k-1为上一个采样时刻；
[0009] 步骤2分散PID和交叉解耦位置控制器根据输入的、经滤波
整理的磁轴承位移偏差信号，生成相应的电流控制指令icmd(k)；
[0010] 步骤3所述电流控制指令icmd(k)与线圈电流反馈模块实时反馈的线圈电流i(k-1)比较产生电流偏差控制指令，经高带宽电流控制器处理生成相应的
电压控制信号v(k)；
[0011] 步骤4所述电压控制信号v(k)和位移反馈模块输出的位移反馈信号x(k-1)输入磁轴承线圈非线性动态模型，经所述磁轴承线圈非线性动态模型处理生成当前的线圈电流i(k)；
[0012] 步骤5所述线圈电流i(k)和位移反馈模块输出的位移反馈信号x(k-1)输入磁轴承力学模型，通过所述磁轴承力学模型计算生成磁轴承作用力fm(k)；
[0013] 步骤6所述磁轴承作用力fm(k)作用于磁轴承-转子动力学模型，由磁轴承-转子动力学模型生成当前的转子位移信号x(k)并传送给位移反馈模块，从而形成磁轴承位移闭环控制。
[0014] 可选地，所述磁轴承控制方法通过抗噪声干扰
数字滤波器对磁轴承位移偏差信号中的高频噪声进行抑制，增加磁轴承控制器高速范围内的稳定性。
[0015] 可选地，所述磁轴承控制方法采用双环控制，外环采用抗积分饱和的数字式分散PID和交叉解耦为核心的位置闭环，同时内嵌高动态电流闭环，保证宽速域范围内磁轴承稳定性和位置
跟踪的精度。
[0016] 可选地，所述分散PID和交叉解耦位置控制器采用抗积分饱和的数字式PID和交叉解耦的控制结构，当积分通道达到
阈值上限则切换为PD控制方式，否则采用PID控制方式；交叉解耦算法采用位移交叉反馈
串联速度交叉反馈的控制结构，提高对高速转子陀螺效应的抑制能力。
[0017] 可选地，所述高带宽电流控制器采用阈值预调整的bang-bang控制算法处理输入的电流偏差控制指令生成当前控制周期线圈电流方向和电压控制信号v(k)。
[0018] 可选地，所述位移反馈模块和线圈电流反馈模块均采用一阶保持器来进行状态采样，从而有i(k)＝i(k-1)和x(k)＝x(k-1)。
[0019] 可选地，所述磁轴承控制方法适用于单通道磁轴承位移闭环控制，还适用于多通道磁轴承位移闭环控制。
[0020] 本发明的另一个技术方案为一种基于上述磁轴承控制方法的控制平台，用于控制储能飞轮转子或类似的磁轴承支承转子结构，包含磁轴承数字控制板、磁轴承功率驱动板、位移传感器、磁轴承线圈；
[0021] 所述磁轴承数字控制板以基于
数字信号处理器DSP和
可编程逻辑器件FPGA的微处理控制器MCU为核心，所述
微控制器MCUMCU包含模拟/数字转换器ADC和输出引脚output pins；所述磁轴承功率驱动板包含集成功率驱动模块、电流调理
电路和位移调理电路，以集成功率驱动模块中的通用功率驱动芯片或集成H桥臂为核心，所述集成功率驱动模块还包含电流传感器。
[0022] 所述位移传感器实时采集受控对象当前的位移状态信息，并将所采集的位移状态信息传送给位移调理电路；所述位移调理电路将受控对象当前的位移状态信息处理转换为电压信号，所述电压信号由模拟/数字转换器ADC采集输入微控制器MCU；
[0023] 同时，所述电流传感器实时采集检测磁轴承线圈的当前电流信息，并将采集检测后的电流信息传送给电流调理电路，所述电流调理电路将输入的电流信息转换为电压信号，所述电压信号由模拟/数字转换器ADC采集输入微控制器MCU；
[0024] 根据磁轴承控制模型中控制算法，所述微控制器MCU对受控对象当前的位移状态信息转换得到电压信号和磁轴承线圈的当前电流信息转换得到电压信号进行处理，并产生相应电压控制信号，所述电压控制信号控制功率驱动芯片或集成H桥生成控制电流，所述控制电流驱动磁轴承线圈产生相应的电磁控制力控制受控对象。
[0025] 可选地，所述控制平台采用磁轴承数字控制板和磁轴承功率驱动板的结构形式，提高所述控制平台通用化程度。
[0026] 可选地，所述位移传感器采用高精度高带宽电感式传感器或性能兼容的电
涡流传感器，提高所述控制平台的高动态特性。
附图说明
[0027] 图1为本发明提供的磁轴承控制方法示意图；
[0029] 图3为bang-bang控制算法
流程图；
[0030] 图4为储能飞轮系统用异极性径向八极磁轴承结构；
[0031] 图5为储能飞轮转子受力模型；
[0032] 图6为本发明提供的磁轴承硬件控制平台示意图。
具体实施方式
[0033] 基于线圈非线性动态模型和高带宽电流闭环控制，本发明提供了一种适用于高功率FESS的磁轴承控制方法，如图1所示，通过高精度位移传感器实时监测磁悬浮转子位移，经分散PID和交叉解耦位置控制器生成电流控制指令输送给电流控制器，电流控制器采用高带宽bang-bang控制算法生成电压控制信号输送给磁轴承组件线圈非线性动态模型实时生成线圈电流，最后根据当前的线圈电流由磁轴承力学模型和磁轴承-转子动力学模型计算当前的磁轴承作用力和位移数据。本发明提供的磁轴承控制方法不仅适用于单通道磁轴承位移闭环控制，还适用于多通道磁轴承位移闭环控制。
[0034] 以下结合附图及
实施例，对本发明进行详细说明介绍。
[0035] 为了提高对高频噪声的抑制能力和磁轴承高转速范围内的稳定性，在分散PID和交叉解耦位置控制器前串联二阶Butterworth数字滤波器，带宽根据需要和调试效果进行调整，本实施例中根据转速和工作环境需要将数字滤波器的带宽配置为1.5kHz，Z域传递函数如下：
[0036]
[0037] 其中，a1、a2、b0、b1和b2分别为滤波器系数，根据带宽和截至
频率来配置，在实际使用中根据应用效果来调整。
[0038] 利用进动和章动频率上的差异，采用位移交叉反馈控制和速度交叉反馈控制分别对磁悬浮高速飞轮转子进动和章动振动进行
相位补偿以提供足够大的阻尼，交叉反馈控制结构框图如图2所示。控制器交叉反馈补偿部分传递函数为：
[0039] kcl/(Tlps+1)+kchs/(Thps+1) (2)
[0040] 其中，速度交叉反馈补偿部分中 l为径向磁轴承间距，ω为转子旋转
角速度，βc为自定义衰减因子，JP为储能飞轮转子极
转动惯量，ki为磁轴承力/电流系数，kcl、kch、Tlp和Thp分别为
低通滤波器增益、
高通滤波器反馈增益、低通滤波器时间常数和高通滤波器时间常数。
[0041] 本发明提供的磁轴承控制方法采用抗积分饱和的数字式分散PID和交叉解耦为核心的位置闭环、同时内嵌高动态电流闭环的双环控制结构，其中抗积分饱和的分散PID闭环控制算法公式如下：
[0042] yctrl(k)＝yP(k)+yI(k)+yD(k) (3)
[0043] yP(k)＝KPe(k) (4)
[0044]
[0045]
[0046] 其中，k为采样时刻，e(k)和e(k-1)分别为第k时刻和第k-1时刻的位移误差量，yctrl(k)、yP(k)、yI(k)、yD(k)分别为第k时刻的控制量、比例控制分量、积分控制分量和微分控制分量，yI(k-1)、yD(k-1)分别为第k-1时刻的积分控制分量、微分控制分量，KP、KI、KD、Ts、TD分别为比例增益、积分增益、微分增益、采样时间和微分时间常数。
[0047] 高带宽电流控制器(或称电流滞环控制器)采用阈值预调整的bang-bang控制算法，线圈电流反馈模块实时采集磁轴承线圈电流i(k-1)反馈给高带宽电流控制器，电流控制指令icmd(k)和线圈电流i(k-1)过bang-bang控制算法给出当前控制周期线圈电流方向和电压控制信号v(k)，bang-bang控制算法流程如图3所示。
[0048] 为了满足高动态电流闭环控制要求，电流采样速率必须高于位移采样速率3～5倍以上，本实施例中电流采样速率设定为80kHz；为了提高算法的实用性、降低功率器件的
开关次数，可根据实际需要设定高带宽电流控制器的动作阈值。
[0049] 磁轴承控制方法建模过程中常采用多通道分散PID控制和交叉解耦控制的线性模型，往往忽略了磁轴承线圈电流i(k)、气隙x0等非线性因素对控制参数和稳定性的影响，造成模型无法有效反映磁轴承动态特性。磁轴承线圈非线性动态模型首先根据Ampere环路定律给出磁感应强度B与磁轴承线圈Ni和气隙x0之间的关系；考虑磁轴承线圈Faraday
电磁感应定律和气隙x0、线圈电流i的影响，得到磁轴承线圈数学模型，基于磁轴承线圈数学模型采用Matlab/simulink工具软件建立磁轴承线圈非线性动态模型，引入高承载下大气隙和控制电流的非线性影响特性，提高磁轴承动态性能。
[0050] 基于图4所示储能飞轮系统用异极性径向八极磁轴承结构建立磁轴承非线性动态模型，以X轴为例，为了在平衡点附近小范围内对磁轴承力进行线性化展开，X轴方向常配置为差动布置，X轴两个方向的电磁力分别为：
[0051]
[0052]
[0053] X轴方向合力为：
[0054]
[0055] 其中，电流i1、i2由偏置电流i0和控制电流Δi生成，位移x1、x2分别由气隙x0和位移偏移量Δx生成，i1＝i0+Δi，i2＝i0-Δi，x1＝x0-Δx，x2＝x0+Δx，系数其中μ0为
真空磁导率，N为线圈
匝数，A为线圈磁极面积，i为控制电流，xj磁轴承转子位移，j＝1，2。
[0056] 在磁轴承线圈漏电感的情况下，磁轴承线圈非线性动态模型公式如下：
[0057]
[0058]
[0059] 在实际磁轴承使用过程中，线圈漏电感很小，通常忽略不计，故磁轴承线圈非线性动态模型可表示为：
[0060]
[0061]
[0062] 其中，νcoil1、νcoil2分别为X方向磁轴承线圈1和线圈2的端电压，Ls1、Ls2分别为X方向磁轴承线圈1和线圈2的线圈电感，i1、i2分别为X方向磁轴承线圈1和线圈2的线圈电流，x1、x2分别为X方向磁轴承线圈1和线圈2的线圈与转子间位移，R1和R2分别为线圈1和线圈2
电阻。
[0063] 建立储能飞轮转子-磁轴承动力学模型，简化储能飞轮转子的受力情况如图5所示，施加在转子上的力包括右径向磁轴承MB1、左径向磁轴承MB2和轴向磁轴承MB3的电磁力，O表示转子质心所在的位置，转子的运动微分方程为：
[0064]
[0065] 其中，Ω为转子转速，x1、y1为MB1处坐标，x2、y2为MB2处坐标，xc、yc、z为转子质心O处坐标，α为转子绕Y轴转角，β为转子绕X轴的转角，m为转子
质量，Jd为转子赤道转动惯量，Jp为转子极转动惯量，Fx1、Fx2、Fy1、Fy2分别为右侧和左侧转子在X方向和Y方向上的磁轴承力，Fz为Z轴的磁轴承作用力，a、b分别为右侧磁轴承到质心的距离、左侧磁轴承到质心的距离。
[0066] 本发明提出的基于通用功率驱动电路的高动态磁轴承硬件控制平台包含磁轴承数字控制板1、磁轴承功率驱动板2、位移传感器3、磁轴承线圈4。如图6所示，所述磁轴承数字控制板1以基于数字
信号处理器DSP和可编程逻辑器件FPGA的微控制器MCU11为核心，所述微控制器MCU11包含模拟/数字转换器ADC12和输出引脚output pins13；所述磁轴承功率驱动板2包含集成功率驱动模块21、电流调理电路22和位移调理电路23，以集成功率驱动模块中的通用功率驱动芯片或集成H桥24为核心，所述集成功率驱动模块还包含电流传感器25。其中，受控对象5为实际应用中的储能飞轮转子或类似的磁轴承支承转子结构，并非所述的磁轴承硬件控制平台的组成部分，故以虚线表示，以示区别。
[0067] 所述位移传感器3实时采集受控对象5当前的位移状态信息，并将所采集的位移状态信息传送给位移调理电路23；所述位移调理电路23将受控对象5当前的位移状态信息处理转换为电压信号，所述电压信号经模拟/数字转换器ADC12采集并输入微控制器MCU11；同时，所述电流传感器25实时采集检测磁轴承线圈4的当前电流信息，并将采集检测后的电流信息传送给电流调理电路22，所述电流调理电路22将输入的电流信息转换为电压信号，所述电压信号经模拟/数字转换器ADC12采集并输入微控制器MCU11。
[0068] 采用以TI工业控制
数字信号处理器DSP或同类性能的数字信号处理器DSP为核心的高性能微控制器MCU实时处理受控对象当前的位移状态信息x转换得到电压信号和磁轴承线圈的当前电流信息i转换得到电压信号，根据相应的闭环控制算法生成当前的电压控制信号v(k)；所述电压控制信号v(k)控制通用功率驱动芯片或电机驱动集成H桥生成控制电流i驱动线圈产生所需要的电磁控制力。
[0069] 为了提高硬件平台的高动态特性，
位置传感器采用高精度高带宽电感式传感器或性能兼容的电涡流传感器，
采样频率不小于10kHz；电流传感器采用ACS714系列专用电流采样芯片或同类兼容专用芯片，电流采样速率不小于80kHz，具有动态特性好、体积小、可靠性高等特点；硬件平台采用可编程逻辑器件FPGA进行逻辑管理和通信等辅助功能实现。
[0070] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种
修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的
权利要求来限定。
