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为了解决延时引起的磁轴承系统稳定裕度下降问题,针对磁轴承开关功率放大器中存在的固有延时和可变延时进行了研究,提出了一种利用干扰观测器(disturbance observer,DOB)理论的时间延时补偿方法。该方法将开关功率放大器中产生的延时作为扰动项等效到输入端,并构造相应的干扰观测器模型对扰动项进行估计,实现对磁轴承开关功率放大器的延时补偿。仿真和实验结果表明,干扰观测器可以有效的降低超调,减小波形滞后失真,提高跟踪性能,从而验证此方法对于提高系统的动态响应速度是可行有效的。
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第
17
卷第
5
期
2013
年
5
月
电机与控制学报
ELECTRIC
MACHINES
AND
CONTROL
Vol. 17
No.5
May 2013
基于干扰观测器的磁轴承开关功放延时补偿
范友鹏
刘淑琴
李红伟
张云鹏
代燕杰
2
(1.山东大学电气工程学院,山东济南
250061;
2.
山东电力集团公司电力科学研究院,山东济南
25
∞
14
)
摘
要:为了解决延时引起的磁轴承系统稳定裕度下降问题,针对磁轴承开关功率放大器中存在的
固有延时和可变延时进行了研究,提出了一种利用干扰观测器
(disturbance
observer,
DOB)
理论的
时间延时补偿方法。该方法将开关功率放大器中产生的延时作为扰动项等效到输入端,并构造相
应的干扰观测器模型对扰动项进行估计,实现对磁轴承开关功率放大器的延时补偿。仿真和实验
结果表明,干扰观测器可以有效的降低超调,减小波形滞后失具,提高跟踪性能,从而验证此方法对
于提高系统的动态响应速度是可行有效的。
关键词:磁轴承;开关功率放大器;脉冲宽度调制;时间延时补偿;干扰观测器
中图分类号
:TH
133.
3
文献标志码
:A
文章编号:
1OO7-449X(2013
)05-0103-07
Time delay compensation of switching power amplifier
for magnetic bearing based on DOB
FAN
You-peng
1
,
LIU
Shu-qin
1
,
LI
Hong-wei
1
,
ZHANG
Yun-peng
1
,
DAI
Yan-jie
2
(1.
School
of
Electrical
Engineering
,
Shandong
University
,
Jinan
250061
, China;
2.
Electric
Power
Research
Institute
of
Shandong
Electric
Power
Company
,
Jinan
250014
, China)
Abstract
: Time delay in magnetic bearing system declined the stability margin.
In
order to solve
the
prob-
lem
, constant delay and variable delay of switching power amplifier were studied, and a time delay com-
pensation method based on disturbance observer
(DOB)
theory was presented.
In
this method, time de-
lay caused by switching power amplifier was transferred to the input of the system as disturbance source.
and the corresponding disturbance observer model was constructed
, which realized time delay compensa-
tion in switching power amplifier. Simulation and experimental results show that the overshoot
and
wavefor
distortion are effectively reduced
, and the tracking
perfo
口
nance
is improved , which verified the feasibility
and effectivity for improving the dynamic response of system.
Key
words:
magnetic bearing; switching power amplifier; PWM; time delay compensation;
disturbance observer
收稿日期:
2012
-07 -20
基金项目:国家自然科学基金
(51075236
,
51105231)
;山东省自然科学基金
(ZR2
012EEM031
,Z
R2
011EE
Q0
29)
;山东省优秀中青年科学家科研
奖励基金
(BS2012DX013
)
作者简介:范友鹏(1
984
一)
,男,博士研究生,研究方向为磁悬浮轴承功率放大器及其控制技术;
刘淑琴(1
958
一)
,女,博士生导师,研究方向为磁悬浮技术及其应用,垂直轴风力发电机纽;
李红伟(1
979
一)
,男,博士,讲师,研究方向为磁悬浮轴承理论及应用;
张云鹏
(1981
一)
,男,博士,讲师,研究方向为磁悬浮轴承理论及应用;
代燕杰(1
983
一)
,女,硕士,研究方向为电能计量。
通讯作者:刘淑琴
104
电机与控制学报
第
17
卷
。引言
功率放大器是磁轴承控制系统中的执行部
件
[1]
它的作用是将控制信号转化为相应的足够大
的电磁力来保持转子的稳定悬浮,因而功率放大器
的性能对磁轴承系统控制效果有显著的影响。由于
磁轴承系统中的主要损耗由功率放大器产生,为了
降低损耗,
0.6
kVA
以上的磁轴承系统中几乎全部
采用开关型功率放大器。目前的磁轴承开关功率放
大器主要有模拟型开关功率放大器和数字型开关功
率放大器两种形式。与模拟型开关功率放大器相
比,数字型开关功率放大器具有抗干扰能力强、噪声
容限大、易于实现复杂算法、可重复编程等优点,因
而逐渐取代模拟型开关功率放大器。但是由于
AD
转换时间、控制器计算时间、
PWM
调制时间等因素
的存在,开关功率放大器环路上不可避免出现时间
延时的累加,时间延时会减小开关功率放大器的稳
定裕度,影响控制系统的稳定性,严重时会导致磁轴
承系统振荡甚至使轴承转子系统失稳。
近年来,针对磁轴承系统的时间延时,不少学者
进行了深入的研究。文献
[2
-3]
采用
Hopf
分岔理
论对磁轴承控制中的延时进行了分析,并得到了发
生
Hopf
分岔而失稳的临界延时与系统控制参数的
关系;文献
[4]
建立了磁轴承的时间延时模型,并从
数值上对时间延时的影响进行了仿真。针对控制系
统中的时间延时问题,补偿方法主要有
Smith
预估
补偿、预测补偿控制等。
Smith
预估补偿通过引人预
估器,使系统闭环特征方程不含滞后项,但
Smith
预
估器对被控对象数学模型的精确度有很强的依赖
性,而且需要辨识时延的大小,鲁棒性较差;线性预
测补偿方法实现起来较为简单,但其精度受采样周
期的限制;在之前的研究中
[5]
本课题组针对磁轴
承系统中的数字控制器采用预测补偿方法进行了时
间延时补偿,并对补偿系数进行了神经网络修正,取
得了成效。考虑到磁轴承系统为双环控制系统,外
环是位移环,内环为电流环,即开关功率放大器部
分。以前的研究主要是针对磁轴承位移环的时间延
时进行的,但随着磁轴承精确度和转速的提高,磁轴
承电流环的时间延时对系统性能的影响加大。对于
电流环,传统的研究方法忽略电流环中时间延时的
影响,采用一阶惯性环节和比例环节作为电流环的
模型。对于电流环中时间延时对系统的影响问题,
文献
[6]
曾分析电流环对时间延时的影响但是没有
进行补偿研究,近来,人们开始重视电流环的研究,
文献
[7]
研究电流环的影响采用搭建硬件电路以实
现功放环节的相位补偿。本文针对磁轴承内环电流
环中固有延时和可变延时,建立了开关功放的数学
模型,应用奈奎斯特图分析了时间延时的稳定性,并
设计了干扰观测器进行了延时补偿,最后,为了验证
干扰观测器的有效性,在基于以
FPGA
(field
- pro-
grammable gate
array)
为主控芯片的磁轴承开关功率
放大器上进行了实验验证。
1
磁轴承开关功率放大器延时模型
分析
1.
1
磁悬浮开关功率放大器框圄
目前开关功率放大器主要有脉宽调制
(PWM)
型、采样保持型、滞环比较型和最小脉宽型。
PWM
型以其开关频率恒定、谐波含量少、可靠性高等特点
得到广泛应用
[11-12]0
PWM
型开关功率放大器主要
由电流控制器、
PWM
产生电路、驱动电路、功率主电
路和电流反馈环节组成,其控制系统框图如图
1
所示。
圈
1
开关功率放大器原理框图
Fi
g.
1 Schematic of
sw
扭曲
ing
power amplitier
电流控制器的作用是将参考电流信号和反馈电
流信号产生的误差信号经过运算产生相应的控制信
号,控制信号通过与三角载波进行比较产生开关信
号,经过光藕隔离后驱动开关管的导通和关断。由
于是电磁悬浮,线圈电流单向流动,所以功率主电路
采用半桥拓扑结构,半桥电路由开关管
VT
1
和
V
飞、
快恢复二极管
VD
1
和
VD
2
组成。采用三电平控制策
略,对开关管
VT
1
和
VT
2
进行独立控制,霍尔电流传
感器反馈电流信号到系统的输人端从而构成电流反
馈闭环控制。
1.2
含延时环节的开关功率放大器数学模型
开关功率放大器的传递函数如图
2
所示,其中
R(s)
为参考输人信号
,J
(s)
为线圈输出电流,
C(s)
为电流控制器的传递函数
,
Kp
=
号,其中几为直流
母线电压,只为三角载波信号幅值,
e -
T
d'表示时间
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