基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911353494.0 (22)申请日 2019.12.25 (71)申请人 河海大学 地址 210098 江苏省南京市鼓楼区西康路1 号 (72)发明人 谭超王宏华王燚 (74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 代理人 张欢欢 (51)Int.Cl. H02P 25/08(2016.01) H02P 23/04(2006.01) H02P 23/12(2006.01) H02P 23/14(2006.01) H02P 23/00(2016.01) 。

2、(54)发明名称 一种基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控 制方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于EKF的BSRM转子不平 衡振动补偿控制方法， 包括以下步骤： 建立BSRM 状态空间模型， 进行线性化和离散化； 将离散线 性状态空间方程带入EKF进行递归计算， 实时更 新EKF中的协方差矩阵P和卡尔曼增益矩阵K， 进 而更新状态变量； EKF在BSRM转子稳定控制过程 中对随机干扰和测量噪声进行削弱的同时， 实时 估计转子实际位移信号和不平衡振动位移信号； 将EKF估计得到的不平衡振动位移信号实时地补 偿给EKF估计得到的位移信号， 从而消除位移反 馈信号中的不平衡振动量， 因此控制。

3、系统将不产 生相应的不平衡控制力， 以达到减小定子振动的 目的。 本发明不仅能够有效滤除BSRM位移测量噪 声和随机干扰， 同时可有效减小BSRM的不平衡控 制力。 权利要求书7页 说明书14页 附图3页 CN 111092585 A 2020.05.01 CN 111092585 A 1.一种基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控制方法， 其特征是， 包括以下步骤： 采用EKF得到BSRM转子转速的估计值转子实际位移信号的估计值和不平衡振 动位移信号的估计值 将不平衡振动位移信号的估计值实时补偿给转子实际位移信号的估计值 得到补偿后位移 c、 c； 根据转速估计值和补偿后位移 c、 c， 。

4、与期望转速*和期望转子位移 *、 *比较， 获得 转速误差e、 方向和 方向位移误差e、 e； 根据转速误差e、 方向和 方向位移误差e、 e， 通过PID控制器输出期望转矩T*和期望 径向悬浮力F *、 F *； 将 - 坐标系上的F *、 F *变换到A、 B、 C三相的相坐标系下， 得到相坐标系水平方向上的 期望悬浮力FA1*、 FB1*、 FC1*和垂直方向上的期望悬浮力FA2*、 FB2*、 FC2*； 根据相坐标系下的期望悬浮力FA1*、 FA2*、 FB1*、 FB2*、 FC1*、 FC2*， 计算得到期望主绕组电流 ima*、 imb*、 imc*和悬浮力绕组电流isa1*、。

5、 isa2*、 isb1*、 isb2*、 isc1*、 isc2*； 根据采集得到的电流信号ima、 imb、 imc、 isa1、 isa2、 isb1、 isb2、 isc1、 isc2和上一步得到的期望 电流信号ima*、 imb*、 imc*、 isa1*、 isa2*、 isb1*、 isb2*、 isc1*、 isc2*， 进行电流滞环控制， 得到开关控制 信号； 将得到的开关控制信号施加给功率变换电路， 得到施加给BSRM主绕组和悬浮绕组的电 压。 2.根据权利要求1所述的一种基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控制方法， 其特征 是， 所述采用EKF得到BSRM转子转速的估。

6、计值转子实际位移信号的估计值和不平 衡振动位移信号的估计值包括： 步骤1-1， 建立BSRM在 - 坐标系下的数学模型， 具体表达式为： 式中， u， u分别为 方向和 方向不平衡振动位移信号； F、 F分别为 方向和 方向悬浮 力； T为电磁转矩； 为转子转速； TL为负载转矩； jt为转动惯量； m为转子质量； g为重力加速 度； 步骤1-2， 选取状态空间表达式所需的状态向量x、 控制向量u以及输出向量y如下： 权利要求书 1/7 页 2 CN 111092585 A 2 在控制向量u中， F、 F和T根据下列公式获得： Nm、 Ns分别为主绕组和悬浮力绕组匝数； K1和K2分别为 方向。

7、和 方向的悬浮力系数， Kt为 电磁转矩系数， BSRM是A、 B、 C三相轮流导通， 当A相导通时， imima、 is1isa1和is2isa2， 当B 相导通时， imimb、 is1isb1和is2isb2， 当C相导通时， imimc、 is1isc1和is2isc2； 因此将 主绕组电流im、 悬浮绕组电流is1和is2代入u， 获得u1， u2和u3， 具体表达式为： 式中， K1、 K2和Kt的表达式分别为： 式中， Nm、 Ns分别为主绕组和悬浮力绕组匝数； 0为真空磁导率； h为叠片长度； r为转子 半径； r为转子齿极弧度； 为气隙边缘系数； l0为气隙长度； 为转子齿极。

8、偏离定子齿极角 权利要求书 2/7 页 3 CN 111092585 A 3 度； 步骤1-3， 根据步骤1-2中选取的状态向量x、 控制向量u以及输出向量y， 将步骤1-1中的 数学模型表达式写成非线性状态方程形式， 具体表达式为： 其中， w为系统噪声， 其协方差矩阵为Q； v为测量噪声， 其协方差矩阵为R； Q和R通常由试凑法 获得； 步骤1-4， 将步骤1-3中的非线性状态方程进行离散化处理， 采样周期为Ts， 得到离散化 状态方程， 具体表达式为： 其中， 权利要求书 3/7 页 4 CN 111092585 A 4 其中， f(x(k)为非线性函数， x(k)为x(t)离散值， B。

9、(k)为输入矩阵， H(k)为观测矩阵； 步骤1-5， 对步骤1-4中非线性离散状态方程进行线性化处理， 得到线性离散状态方程， 具体表达式为： 其中， (k)是f(x(k)线性化得到的雅克比矩阵， 具体表达式为： 权利要求书 4/7 页 5 CN 111092585 A 5 步骤1-6， 将离散状态方程带入EKF递归算法进行递归循环处理， 最终得到转子转速估 计值转子实际位移的估计值和不平衡振动位移信号的估计值 3.根据权利要求2所述的一种基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控制方法， 其特征 是， 所述将离散状态方程带入EKF递归算法进行递归循环处理包括： 步骤1-6-1： 初始化状态向。

10、量xx1， x2， x3， x4， x5， x6， x7T， 协方差矩阵P， 噪声协方差矩 阵Q和R； 步骤1-6-2： 根据k时刻的状态结合k时刻的输入量u(k)， 预测k+1时刻的先验状态 估计值 权利要求书 5/7 页 6 CN 111092585 A 6 步骤1-6-3： 根据BSRM离散化线性方程， 计算估计状态协方差矩阵P(k+1|k) P(k+1|k)(k+1|k)P(k|k)T(k+1|k)+Q 步骤1-6-4： 计算k+1时刻的卡尔曼增益矩阵K(k+1)： K(k+1)P(k+1|k)HT(k+1)H(k+1)P(k+1|k)HT(k+1)+R-1 步骤1-6-5： 根据当前。

11、观测值y(k+1)， 计算k+1时刻的状态估计值 步骤1-6-6： 更新误差协方差矩阵P(k+1|k+1)： P(k+1|k+1)I-K(k+1)H(k+1)P(k+1|k) 步骤1-6-7： 令kk+1， 返回步骤1-6-2。 4.根据权利要求1所述的一种基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控制方法， 其特征 是， 所述将不平衡振动位移信号的估计值实时补偿给转子实际位移信号的估计值 得到补偿后位移 c、 c的计算过程为： 5.根据权利要求1所述的一种基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控制方法， 其特征 是， 所述根据转速估计值和补偿后位移 c、 c， 与期望转速*和期望转子位移 *、 。

12、*比较， 获得转速误差e、 方向和 方向位移误差e、 e的计算过程为： 6.根据权利要求1所述的一种基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控制方法， 其特征 是， 将 - 坐标系上的F *、 F *变换到A、 B、 C三相的相坐标系下， 得到相坐标系水平方向上的 期望悬浮力FA1*、 FB1*、 FC1*和垂直方向上的期望悬浮力FA2*、 FB2*、 FC2*的计算过程为： 7.根据权利要求1所述的一种基于EKF的BSRM转子不平衡振动补偿控制方法， 其特征 是， 所述根据采集得到的电流信号ima、 imb、 imc、 isa1、 isa2、 isb1、 isb2、 isc1、 isc2和上一。

13、步得到的 期望电流信号ima*、 imb*、 imc*、 isa1*、 isa2*、 isb1*、 isb2*、 isc1*、 isc2*， 进行电流滞环控制， 得到开关 控制信号包括： 权利要求书 6/7 页 7 CN 111092585 A 7 以电流信号ima和期望电流信号ima*为例， 电流滞环控制具体流程为： 步骤7-1， 设定滞环宽度I； 步骤7-2， 当ima*-imaI， 输出A相主绕组开通信号； 当ima*-imaI， 输出A相主绕组开通信号； 当ima*-imaI， 输出A相主绕组开通信号； 当ima*-ima-I， 输出A相主绕 组关断信号。 0172 步骤8， 选择不对。

14、称半桥电路作为主绕组功率变换电路， 三相H桥电路作为悬浮绕 组功率变换电路。 以A相为例， 不对称半桥电路每相有两个开关管和两个续流二极管， 电路 拓扑如图4所示； 以A相 方向悬浮绕组为例， 三相H桥电路每相有四个开关管和四个续流二 极管， 电路拓扑如图5所示。 将步骤7得到的开关控制信号施加给功率变换电路中的开关管， 得到施加给BSRM主绕组和悬浮绕组的电压。 0173 本发明中的EKF不仅对由BSRM参数误差造成的系统噪声， 有着很好的消除作用， 而 且可以滤除测量噪声， 使得BSRM的控制系统有更好的动、 静态响应。 0174 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技术人 员来说， 在不脱离本发明技术原理的前提下， 还可以做出若干改进和变型， 这些改进和变型 也应视为本发明的保护范围。 说明书 14/14 页 22 CN 111092585 A 22 图1 说明书附图 1/3 页 23 CN 111092585 A 23 图2 说明书附图 2/3 页 24 CN 111092585 A 24 图3 图4 图5 说明书附图 3/3 页 25 CN 111092585 A 25 。