磁悬浮系统的电流环自适应控制方法

摘要

本发明公开了一种磁悬浮系统的电流环自适应控制方法，其实施步骤如下：1)在磁悬浮系统悬浮后定时判断磁悬浮系统是否悬浮稳定；2)如果悬浮稳定则采集磁悬浮系统线圈的悬浮稳定电流和悬浮稳定电压，获取线圈的悬浮稳定电阻R；3)往线圈叠加高频电流，在线圈电流变化过程中多次采集线圈的电流和电压，获取线圈电流变化过程中的多个电感值，并对多个电感值取平均值获得稳态平均电感值L；4)获取线圈的反馈增益K

说明书

技术领域

本发明涉及磁悬浮系统的电流环控制，具体涉及一种用于磁悬浮系统的电流环自适应控 制方法。

背景技术

悬浮控制技术是磁悬浮系统的核心技术之一，如图1所示，磁悬浮系统的基本结构由悬 浮磁铁1、悬浮传感器2、悬浮控制器3和功率放大器4组成。其中，悬浮磁铁1由线圈和铁 心组成，悬浮磁铁1用于给磁悬浮列车提供动力；悬浮传感器2用于检测出悬浮磁铁1的状 态，其包括间隙传感器和电流传感器，其中间隙传感器获取悬浮间隙信号x，电流传感器获 取电流信号i。悬浮控制器3的作用和其它类似系统的悬浮控制器相同，用于将接收的上述悬 浮间隙信号x和电流信号i进行一些必要的处理，如：滤波，放大和微分等，并将处理后的 信号按照一定的控制算法获取悬浮过程中电磁铁两端的电压控制量u2；功率放大器4将悬浮 控制器给出的电压控制量u2进行放大，向悬浮磁铁提供必要的电流以维持磁铁的稳定悬浮。

目前悬浮控制技术采用双环控制方法。如图2所示，将系统分为电流环和位置环进行调 节，电流环负责调整线圈中电流上升时间和电流环增益，位置环的调整目的是为了使得悬浮 系统稳定，并且使得系统的性能满足一定的要求。电流环的作用是尽量加快电流的上升速度， 当电流上升速度大于一定的值时，就可以忽略电流延时对位置环的影响；另外，电流环还要 确保其增益保持不变，因为如果电流环增益变化，会影响到位置环的增益，从而影响系统的 性能，只有在电流环增益不变的情况下，才能对位置环进行独立设计。其中电流环控制的目 的让电磁线圈中的电流能够以最快的速度跟踪控制电压，又能将噪声限制在允许的范围内， 使得线圈电流上升时间足够快，且电流环的增益保持不变，从而提高磁悬浮系统的整体性能， 实现对位置环进行独立的调节。因此，电流环是悬浮控制系统的一个重要子系统。

根据应用场合和控制目标的不同，电流环通常分为以下几种：①PI电流环；②P电流环； ③最速电流环；④次速电流环。经典方法是采用PI电流环控制或P电流环控制，PI电流环控 制与纯粹P电流环控制相比，具有既扩展频带又抑制噪声的作用，而且便于实现，不足之处 是它没有考虑控制约束；基于极大值原理的最速电流环控制能处理控制量有约束的问题，具 有最快的调节速度，但如果系统中存在噪声，输出将出现颤震；次速电流环将最速电流环和 PI型电流环结合，在误差较大时，采用最速电流环控制以提高快速性，在误差较小时采用PI 电流环控制，克服频繁切换的缺点，具有调节速度快、抗信号扰动能力强等优点。在磁悬浮 系统的运行过程中，悬浮磁铁的温度会发生变化，从而导致电磁线圈参数(即线圈的电阻和 电感)会发生改变。

在实际运行过程中，电磁铁的温度会发生变化，随着电磁铁温度的变化，磁铁线圈的电 阻和电感会发生较大的变化，从而会影响到电流环的电流上升时间和增益，这势必会影响到 磁悬浮系统的整体性能。上述几种电流环均是基于固定的线圈参数进行设计，它们的电流环 控制参数固定，当线圈的参数改变时，电流环的性能会发生变化，从而会影响到磁悬浮系统 的整体性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种线圈中的电流上升速度快、增益始终保持不变、悬 浮性能不受线圈电阻和电感的改变而受到影响、悬浮性能稳定可靠的磁悬浮系统的电流环自 适应控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种磁悬浮系统的电流环自适应控 制方法，其实施步骤如下：

1)在磁悬浮系统悬浮后定时判断磁悬浮系统是否悬浮稳定；

2)如果悬浮稳定则采集磁悬浮系统线圈的悬浮稳定电流和悬浮稳定电压，根据所述悬浮 稳定电流和悬浮稳定电压获取线圈的悬浮稳定电阻R；

3)往线圈叠加不改变磁悬浮系统悬浮间隙的高频电流，在线圈电流变化过程中多次采集 线圈的电流和电压，根据线圈在电流变化过程中采集的电流、电压和悬浮稳定电阻R获取线 圈在电流变化过程中的多个电感值，并对多个电感值取平均值获得稳态平均电感值L；

4)根据K_f/(R+K_bK_f)＝A和L/(R+K_bK_f)＝T获取线圈的反馈增益K_b和前向增益 K_f，其中A为电流环的设计增益常数、T为电流环的时间常数；将所述反馈增益K_b和前向 增益K_f作为电流环控制参数应用到电流环。

作为本发明技术方案的进一步改进：

所述步骤1)中判断磁悬浮系统是否悬浮稳定具体是指：预先设定悬浮间隙偏差临界值 和悬浮间隙微分临界值，然后获取磁悬浮系统当前的悬浮间隙偏差值和悬浮间隙对线圈电流 的微分值，如果当前悬浮间隙偏差值小于预设悬浮间隙偏差临界值，且悬浮间隙对线圈电流 的微分值小于悬浮间隙微分临界值，则判定磁悬浮系统当前处于悬浮稳定状态。

所述步骤3)叠加高频电流的频率为磁悬浮系统中位置环截止频率的5～15倍，所述叠加 高频电流的幅值为磁悬浮系统稳定悬浮时线圈稳定电流的0.05～0.15倍。

所述步骤1)中电流环的设计增益常数A为1，电流环的时间常数T为0.01秒。

所述磁悬浮系统悬浮前的实施步骤如下：

I)给线圈通直流电，在线圈电流增大至稳定的过程中多次采集线圈的电流和电压；

II)采集线圈在电流稳定时的电压和电流值，并根据该电压和电流值获取线圈的初始电 阻R₀；

III)根据步骤I)中多次采集的电流、电压和步骤II)中获取的初始电阻R₀获取线圈电 流增大过程中的多个电感值，并对所述多个电感值取平均值获得初始平均电感值L₀；

IV)根据K_f0/(R₀+K_b0K_f0)＝A和L₀/(R₀+K_b0K_f0)＝T获取线圈的初始反馈增益K_b0和 初始前向增益K_f0作为电流环的控制参数，其中A为电流环的设计增益常数、T为电流环的 时间常数，将所述初始反馈增益K_b0和初始前向增益K_f0作为电流环控制参数应用到电流环中 直至磁悬浮系统悬浮稳定。

本发明具有下述优点：本发明在磁悬浮系统悬浮稳定时，通过采集线圈的悬浮稳定电流 和线圈两端的悬浮稳定电压，根据悬浮稳定电流和悬浮稳定电压获取线圈的悬浮稳定电阻R； 然后往线圈叠加一幅值较小的高频电流，根据线圈中的电流和电压的变化情况以及线圈电阻 获取线圈的电感L，然后根据线圈的电阻R和电感L以及电流环的设计指标，计算并更新电 流环的控制参数反馈增益K_b和前向增益K_f，使得即使线圈的电感和电阻发生改变的情况下， 依然能够确保线圈中的电流上升时间和电流环增益保持不变，确保电流环的性能不变以保证 悬浮系统的稳定性，本发明继承了电流环控制位置环的双环控制方法，有效克服了固定电流 环控制参数方法悬浮系统性能不稳定，具有悬浮性能不受线圈电阻和电感的改变而受到影响、 悬浮性能稳定可靠、实现简单方便的优点。

附图说明

图1为现有技术磁悬浮系统的结构示意图。

图2为现有技术的双环控制的结构示意图。

图3为本发明实施例的流程示意图。

图4为本发明实施例磁悬浮系统悬浮前的实施流程示意图。

图5为本发明实施例线圈的电流在闭环情况下与开环情况下对比示意图。

图6为本发明实施例稳定悬浮时未叠加高频电流时的悬浮间隙响应示意图。

图7为本发明实施例稳定悬浮时叠加高频电流后的悬浮间隙响应示意图。

图8为本发明实施例与普通电流环的系统间隙响应结果对比示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明实施例磁悬浮系统的电流环自适应控制方法的实施步骤如下：

1)在磁悬浮系统悬浮后定时判断磁悬浮系统是否悬浮稳定；

2)如果悬浮稳定则采集磁悬浮系统线圈的悬浮稳定电流I和悬浮稳定电压U，根据悬浮 稳定电流I和悬浮稳定电压U结合R＝U/I获取线圈的悬浮稳定电阻R；

3)往线圈叠加不改变磁悬浮系统悬浮间隙的高频电流，在线圈电流变化过程中多次采集 线圈的电流I_i(i＝1，2，3...)和电压U_i(i＝1，2，3...)，根据线圈在电流变化过程中采集的电流 I_i(i＝1，2，3...)、电压U_i(i＝1，2，3...)和悬浮稳定电阻R，结合L_i＝(U_i-RI_i)/(I_i+1-I_i)获取线 圈电流变化过程中的多个电感值L_i，并对多个电感值L_i取平均值获得稳态平均电感值L；

4)根据K_f/(R+K_bK_f)＝A和L/(R+K_bK_f)＝T获取线圈的反馈增益K_b和前向增益 K_f，其中A为电流环的设计增益常数、T为电流环的时间常数；将所述反馈增益K_b和前向 增益K_f作为电流环控制参数应用到电流环。

本实施例在磁悬浮系统悬浮稳定具体是指：通过采集线圈的悬浮稳定电流和线圈两端的 悬浮稳定电压，根据悬浮稳定电流和悬浮稳定电压获取线圈的悬浮稳定电阻R；然后往线圈 叠加一幅值较小的高频电流，根据线圈中的电流和电压的变化情况以及线圈电阻获取线圈的 电感L，然后根据线圈的电阻R和电感L以及电流环的设计指标，计算并更新电流环的控制 参数反馈增益K_b和前向增益K_f，使得即使线圈的电感和电阻发生改变的情况下，依然能够 确保线圈中的电流上升时间和电流环增益保持不变，达到了更新电流环控制参数确保电流环 的性能不变以保证悬浮系统的稳定性的目的。本发明能够弥补常见的固定电流环控制参数方 法的不足，同时继承了传统电流环控制方法的思想，不需要改动传统双环控制结构，完全基 于软件实现，具有容易实现的优点。为了确保电流环的性能不变，必须得到线圈电阻和电感， 以便对电流环的控制参数进行适当的调整，但是通常情况下线圈的电阻和电感不能通过传感 器直接检测，需要通过间接方法来计算。由于线圈的电阻和电感与线圈中的电流和电压有直 接的关系，本实施例中根据线圈中的电流和电压来获取线圈的电阻和电感，根据获取的线圈 电阻和电感以及电流环的设计上升时间和增益，可以求出在各个时刻的电流环反馈增益和前 向增益，从而可以有效保持电流环性能不变。

本实施例中，步骤1)中通过自适应周期T₀来实现定时判断磁悬浮系统是否悬浮稳定， 并通过计数器T_c来判定是否达到自适应周期T₀，计数器T_c在磁悬浮系统悬浮以后开始计时。 如果计数器T_c的时间等于自适应周期T₀，则进行判断磁悬浮系统是否悬浮稳定，且仅仅在悬 浮稳定的情况才触发步骤2)～5)，并在步骤5)后清零计数器T_c；如果没有达到自适应周期 T₀的触发时刻则继续判断计数器T_c的值是否到达设定时间；如果达到自适应周期T₀的触发时 刻，但是磁悬浮系统尚未悬浮稳定，则清零计数器T_c并重新计时，然后重新转入步骤1)。步 骤1)中判断磁悬浮系统是否悬浮稳定时，预先设定悬浮间隙偏差临界值和悬浮间隙微分临 界值，然后获取磁悬浮系统当前的悬浮间隙偏差值和悬浮间隙对线圈电流的微分值，如果当 前悬浮间隙偏差值小于预设悬浮间隙偏差临界值，且悬浮间隙对线圈电流的微分值小于悬浮 间隙微分临界值，则判定磁悬浮系统当前处于悬浮稳定状态。本实施例中，用于判断磁悬浮 系统是否悬浮稳定的表达式为：

|x-x₀|≤M且|v|＜N

其中，x为当前悬浮间隙，x₀为设定悬浮间隙，M为悬浮间隙偏差临界值，v为悬浮间 隙对线圈电流的微分值(即线圈在悬浮间隙方向的运动速度)，N为悬浮间隙微分临界值。 本实施例中，悬浮间隙偏差临界值M取值为1毫米。只有当当前的悬浮间隙偏差值的绝对值 |x-x₀|小于悬浮间隙偏差临界值M且线圈在悬浮方向上的速度小于N时才认为磁悬浮系统 是悬浮稳定的。

步骤3)中往线圈叠加的高频电流为一幅值较小的高频正弦电流时，其幅值以不改变磁 悬浮系统悬浮间隙为上限。由于磁悬浮系统的位置环为低通环节，电流环为高通环节，因此 频率较高的电流能够引起线圈中的电流改变，但是不会引起位置环的输出即悬浮间隙发生改 变，从而可以有效获得磁悬浮系统在悬浮稳定下电流变化过程中的稳态平均电感值L，可以 有效提高电感检测的准确性，克服温度等因素对线圈电感产生的影响，通过修改控制参数保 持电流环的性能不变。步骤3)叠加高频电流的频率为磁悬浮系统中位置环截止频率的5～15 倍，叠加高频电流的幅值为磁悬浮系统稳定悬浮时线圈稳定电流的0.05～0.15倍。本实施例中， 高频正弦电流的频率为磁悬浮系统中位置环截止频率的十倍，高频正弦电流的幅值为磁悬浮 系统稳定悬浮时线圈稳定电流的十分之一，磁悬浮系统中位置环的截止频率为10Hz，叠加高 频电流的频率100Hz；常导高速磁浮列车稳定悬浮时线圈稳定电流的幅值为25A，高频电流 的幅值取值2.5A。

本实施例中采用反馈增益和前向增益后，电流环的传递函数为：

$\frac{I}{U}=\frac{K_f/(R+K_b{K}_f)}{[L/(R+K_b{K}_f)]·s+1}$

本实施例中，电流环的设计增益常数A为1，电流环的时间常数T为10毫秒(0.01秒)。 因此可以得出：

K_f/(R+K_bK_f)＝1

L/(R+K_bK_f)＝0.01

结合上述表达式可获取反馈增益K_b和前向增益K_f的表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{K}_b=1-\frac{R}{100L}\\ K_f=100L\end{array}\right)$

电流环是为了加快电磁线圈中电流的上升速度并保持电流环增益一定，如果线圈中的电 流上升时间太长，则相当于外界给出一个电压控制量，由于电流延时的存在，电磁铁不能及 时提供电磁力，这样会对位置环的控制造成不利影响，从而影响到悬浮性能。本发明实施例 通过设置电流环的设计增益常数A为1，电流环的时间常数T为0.01秒，确保电流环具有最 好的性能，而且通过周期更新电流环的控制参数反馈增益K_b和前向增益K_f，可以保持电流 环的设计增益不变，从而保证电流环的性能不变，且电流环一直处于性能最优状态，即使当 线圈参数改变时会使得电流环性能改变也不会导致磁悬浮系统性能变差。

本实施例中，还包括对磁悬浮系统悬浮前的电流环进行控制。如图4所示，磁悬浮系统 悬浮前的实施步骤如下：

I)给线圈通直流电，直流电的大小以不能让系统悬浮起来为限，由于线圈电感的作用， 线圈电流不会突然增大，而是缓慢的增大，然后在线圈电流增大至稳定的过程中多次采集线 圈的电流和电压，采集得到电流I_i(i＝1，2，3...)和电压U_i(i＝1，2，3...)；

II)采集线圈在电流稳定时的电流I₀和电压U₀，并根据该电流I₀和电压U₀结合公式 R₀＝U₀/I₀获取线圈的初始电阻R₀；

III)根据步骤I)中多次采集的电流I_i(i＝1，2，3...)、电压U_i(i＝1，2，3...)和步骤II)中获 取的初始电阻R₀结合L_i＝(U_i-R₀I_i)/(I_i+1-I_i)获取线圈电流增大过程中的多个电感值L_i，并 对多个电感值L_i取平均值获得初始平均电感值L₀；

IV)根据K_f0/(R₀+K_b0K_f0)＝A和L₀/(R₀+K_b0K_f0)＝T获取线圈的初始反馈增益K_b0和 初始前向增益K_f0作为电流环的控制参数，其中A为电流环的设计增益常数、T为电流环的 时间常数，将所述初始反馈增益K_b0和初始前向增益K_f0作为电流环控制参数应用到电流环中 直至磁悬浮系统悬浮稳定。

如图5所示，在仿真过程中，输入的阶跃信号的幅值为1，模型线圈的电阻R为4欧姆， 线圈电感L为0.8亨，来仿真具有电流环的双环控制和普通控制方法的电流相应效果。从图 中可以看出，在没有电流环时，线圈中的电流上升时间为200毫秒左右，电流稳定时的幅值 为0.25；而当加上电流环后，线圈中的电流上升时间为10毫秒左右，电流稳定时的幅值为1。 由此可见，电流环大大减小了线圈中电流的响应时间，而且确保了电流环的增益等于1，这 样便于位置环的调试，最终确保系统的性能稳定，采用电流环的双环控制方法明显可以加快 电流上升的时间。

如图6和图7所示，在磁悬浮系统稳定悬浮时，稳定悬浮时悬浮间隙为12毫米左右。图 7中叠加了高频电流和图6中未叠加高频电流对于悬浮间隙响应而言影响很小。从图中可以 看出，叠加了高频信号后，悬浮间隙的变化量非常小，将该信号放大后观察可知，该信号变 化的幅值在0.1毫米以内，这样的变化对磁悬浮系统的悬浮性能而言可以忽略不计的。由此 可见，在稳定的悬浮电流上叠加幅值较小的高频电流，检测线圈中的电流和线圈电压的变化， 然后可以获取线圈的电感和电阻，最终进行电流环控制参数的设计，这样的方法在磁悬浮系 统中是完全可行的。

如图8所示，0～0.6s以前，线圈的控制参数为某一固定值，本实施例和传统的固定控制 参数所得到的间隙响应曲线结果基本相同。然后通过修改线圈的控制参数(即改变线圈的电 阻和电感值)观察本实施例和传统的固定控制参数所得到的间隙响应曲线的结果发现，对于 采用普通的固定控制参数电流环而言，当线圈参数改变后，磁悬浮系统的悬浮性能受到影响， 系统的悬浮性能变差，而悬浮性能变差很有可能引起系统的不稳定。而本实施例通过对控制 参数的周期性更新，可以有效保证电流环的增益不变，使得磁悬浮系统的悬浮性能不因电流 环控制参数的变化而受到影响，悬浮性能稳定不变。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡 属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本 发明的保护范围。