[发明专利]一种用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器及其控制方法

权利要求书

1.一种控制主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器，包括位移传感器、锁相环、转子位置控制器、神经网络调节器、第一电流调节器和第二电流调节器，其中，转子位置控制器为滑模控制器，位移传感器用于采集一对主动磁悬浮轴承中转子位移信号测量值x_s，并将转子位移信号测量值x_s输入至锁相环，锁相环计算得到的转子位移信号计算值和转子速度信号计算值反馈到转子位移控制器中，获得电磁力F_smc；另外，转子位移信号计算值和转子速度信号计算值以及滑模变量s输入到神经网络调节器，计算得到补偿力F_Δ；F_smc与F_Δ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁力F_ref，然后计算出一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i_1ref，i_2ref；参考电流i_1ref和i_2ref分别输入第一电流调节器和第二电流调节器中，用于分别控制一对主动磁悬浮轴承中的两个线圈中的电流，从而达到控制转子位置保持在平衡位置的目的；

控制方法包括以下步骤：

(1)通过位移传感器检测转子位移信号测量值x_s；

(2)将转子位移信号测量值x_s输入到锁相环，计算得到转子位移信号计算值和转子速度信号计算值

(3)将转子位移信号计算值和转子速度信号计算值反馈到转子位置控制器中，通过转子位置控制器的调节获得所需电磁力F_smc；

(4)同时，将转子位移信号计算值和转子速度信号计算值以及滑模变量s输入到单层神经网络调节器，计算得到补偿力F_Δ；

(5)F_smc与F_Δ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁总力F_ref，然后计算出一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i_1ref，i_2ref；

(6)参考电流i_1ref，i_2ref分别作为一对主动磁悬浮轴承的第一电流调节器和第二电流调节器的参考输入，第一电流调节器和第二电流调节器分别控制一对主动磁悬浮轴承两个线圈中的电流，从而最终达到控制转子位置，使其保持在平衡位置的目的。

2.根据权利要求1所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，步骤(2)中锁相环对转子位移信号计算值和转子速度信号计算值的计算公式如下：

其中，为当前采样时刻的转子位移信号计算值，为下一采样时刻的转子位移信号计算值，为当前采样时刻的速度信号计算值，为下一采样时刻的速度信号计算值，当前采样时刻的转子位移信号误差x_s(k)为当前采样时刻的位移传感器测得的转子位移信号测量值，T_s为采样周期，K_n和K_v为锁相环的系数，其值决定了锁相环的带宽；

则锁相环计算所得的转子位移信号计算值取转子速度信号计算值取

3.根据权利要求1所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，步骤(3)中转子位置控制器为滑模控制器，其基于以下运动模型设计：

其中，m为转子质量，为转子加速度，ΣF为转子所受电磁合力，Δ为未建模的非线性因素以及扰动；

滑模控制器的滑模变量选取为：

其中，当前采样时刻的转子位移信号误差速度误差c为一正常数；

滑模控制器采用趋近率方式设计，趋近率采用：

其中，k_s和δ均为正常数，sgn(s)为符号函数；

通过(3)(4)和(5)，得到滑模控制器的控制输出电磁力为：

4.根据权利要求1所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，步骤(4)中单层神经网络调节器的输入选取为其输出为：

其中，为单层神经网络调节器当前采样时刻的权重矩阵，σ(q)为单层神经网络调节器的激活函数，选取为：