一种磁悬浮飞轮转速控制方法.pdf

本发明涉及一种高精度磁悬浮飞轮转速控制方法。根据磁悬浮飞轮转速反馈值，对转速反馈值进行模糊自适应kalman滤波，由转速参考值与经滤波后的转速值进行磁悬浮飞轮转速环控制，转速环控制参数根据转速参考值与转速偏差进行自适应调节，转速环输出电流参考值；由电流参考值与电流反馈值进行电流环控制，最终通过调节电机绕组电流值实现磁悬浮飞轮全转速范围的转速高精度控制。本发明属于航天控制技术领域，也可用于其它直流无刷电机高精度控制的应用。

权利要求书
1.  一种磁悬浮飞轮转速控制方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)检测飞轮转速值
采用光电码盘利用M/T法进行测速，在测速程序中对光电码盘信号进行判断，当光电码盘的高电平与低电平保持一定时间后触发计数器进行计数，以减少高频干扰信号的影响，最后根据M/T法检测的光电码盘脉冲数与高频时钟数进行转换即得到当前时刻磁悬浮飞轮转速值n(k)＝60f*m1/[P*(m2+m3)]，其中，f是高频时钟脉冲的频率，P是码盘一周发出的脉冲数，在规定的时间Tc内，分别计取光电码盘的脉冲个数m1和高频时钟的脉冲个数m2，m3是Tc结束后到码盘下一个脉冲上升沿的时间间隔；
(2)对所述当前时刻磁悬浮飞轮转速值进行模糊自适应kalman滤波
首先根据磁悬浮飞轮电机模型，取状态向量x1(k)＝n(k)，x2(k)＝x1(k+1)-Au(k)，其中，x1(k)，x2(k)为系统状态向量，n(k)为步骤(1)得到的当前时刻磁悬浮飞轮转速值，A为根据系统参数计算得到的控制系数，u(k)为系统输出控制量。则系统方程可写为如下的状态空间方程式：
x1(k+1)x2(k+1)=01-D-F*x1(k)x2(k)+AB-A*F*u(k)=G*x(k)+H*u(k)n(k)=10*x1(k)x2(k)=C*x(k),]]>式中，D、F、A、B、G、H、C均为常数矩阵，D、F、A、B为将系统方程转换为状态方程后得到的控制系统参数的中间变量值，G为系统矩阵，H为输入矩阵，C为输出矩阵；
G=01-ed1T*ed2Ted1T+ed2T),]]>
H=30*keJ*L*π(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2)30*keJ*L*π(d1*ed1T*ed2T-d2*ed1T*ed2T+d2*ed2T-d1*ed1T)d1*d2*(d1-d2)-30*keJ*L*π(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2)*(-ed1T-ed2T)]]>
C＝[10]，其中，J为磁悬浮飞轮转动惯量，ke为反电动势系数，B为阻尼系数，u为电源输出电压，R为电机绕组电阻，L为电机绕组电感，d1，d2为系统特征方程两根；e为自然对数底数，T为采样时间；
kalman滤波器的状态估计方程：式中，为状态估计值；为状态预报值；K(k)为滤波增益矩阵；kalman滤波的滤波增益矩阵K(k)可按下式计算：K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT*(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1，P(k/k-1)＝G*P(k-1)*GT+H*Q*HT，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1)其中，c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*CT，τ(k)＝C*G*P(k)*GT*CT，式中，δ(k)为衰退因子矩阵，P(k/k-1)为一步预测均方误差，C为输出矩阵，P(k)为估计均方误差，r(k)为量测噪声方差阵，G为系统矩阵，H为输入矩阵，Q为系统噪声方差阵，P(k)为估计均方误差，K(k)为滤波增益矩阵，衰退因子矩阵δ(k)由柔化因子ε和遗忘因子ρ确定，e(k)为实测转速与估计转速偏差，e0初始时刻转速偏差，ε通过模糊自适应调节确定，c(k)为衰退量，E(k)为误差矩阵，η(k)为当前时刻误差平方量、τ(k)为当前时刻估计偏差方差量；
(3)根据滤波后的转速值进行转速控制
磁悬浮飞轮电机控制系统的转速控制通过外环转速环，内环电流环的双环控制方法实现，转速环与电流环都采用变积分PID控制方法实现，其中转速环根据经滤波后的转速值与转速参考值进行转速环控制，转速环控制参数根据转速参考与转速偏差绝对值进行自适应调节，转速环控制输出电流参考值，用于磁悬浮飞轮电机绕组电流控制；电流环控制程序根据转速环输出的电流参考值与电流反馈值进行磁悬浮飞轮电机绕组电流控制，电流环控制参数要根据磁悬浮飞轮运行状态、参考转速值与电流偏差绝对值实时调节，电流环输出控制量直接用于驱动电机运行。

2.  根据权利要求1所述的一种磁悬浮飞轮转速控制方法，其特征在于：步骤(1)所述模糊自适应kalman滤波参数ε通过模糊自适应调节确定，确定的方法如下：
模糊控制器采用一阶T-S模型，令控制器的输入为ζ＝e(k)2，隶属度函数为：
μ=0ζ≤t1ζ-t1t2-t1t1≤ζ≤t21t2≤ζ≤t3t4-ζt4-t3t3≤ζ≤t40t4≤ζ,]]>其中t1，t2，t3，t4为输入参数论域中的点，模糊控制规则如下：

说明书一种磁悬浮飞轮转速控制方法
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮飞轮转速控制方法，适用于磁悬浮飞轮转速的高精度控制，属于航天控制的技术领域。
背景技术
磁悬浮飞轮因具有无摩擦特点，使其易于实现高精度和长寿命等突出优点而成为空间站、空间机动平台和敏捷机动卫星等航天器姿态控制执行机构的重要发展方向。要实现磁悬浮飞轮的高精度转速控制，高精度的转速反馈与转速控制是其必要条件。
目前，测速主要有两种方法：hall位置传感器与光电码盘位置传感器。hall位置传感器进行测速的问题是其信号输出频率太低，转速检测精度很差，因此，进行转速高精度控制一般不采用hall位置传感器。采用光电码盘进行转速检测存在的问题是：采用光电码盘进行测速时，由于光电码盘输出信号的频率很高，容易受到强电干扰，另外，当磁悬浮飞轮转子振动时，转速检测值也出现偏差。一般进行光电码盘M/T法(M/T法，是指测速过程中，不仅测取的测速脉冲m1和高频时钟脉冲m2随电机转速的不同而变化，而且测量时间T也是变化的，它的时钟等于光电脉冲发生器m1各脉冲信号周期之和)测速不进行处理，转速检测值会有一定偏差，因此，要对转速进行滤波处理，一般的滤波方法不考虑噪声或干扰信号的性质滤波效果较差。
要实现磁悬浮飞轮的高精度控制既要保证控制程序的可靠运行又要保证控制精度。在磁悬浮飞轮运行过程中其高速与低速电机参数存在摄动，当磁悬浮飞轮制动运行时其控制系统模型与电动运行时的系统模型不同。采用一般的PID控制转速精度不能达到要求，采用复杂的控制算法，可靠性却不能保证。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有方法对磁悬浮飞轮转速检测精度与控制性能的不足，提出一种高精度的磁悬浮飞轮转速控制方法，在磁悬浮飞轮的全转速范围都有较高的转速控制精度。
本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮飞轮转速控制方法，根据给定磁悬浮飞轮速度指令，控制磁悬浮飞轮的转速跟踪给定转速值，实现步骤如下：
(1)检测飞轮转速值
采用光电码盘利用M/T法进行测速，在测速程序中对光电码盘信号进行判断，当光电码盘的高电平与低电平保持一定时间后触发计数器进行计数，以减少高频干扰信号的影响，最后根据M/T法检测的光电码盘脉冲数与高频时钟数进行转换即得到当前时刻磁悬浮飞轮转速值n(k)＝60f*m1/[P*(m2+m3)]，其中，f是高频时钟脉冲的频率，P是码盘一周发出的脉冲数，在规定的时间Tc(一般是采样周期)内，分别计取光电码盘的脉冲个数m1和高频时钟的脉冲个数m2，m3是Tc结束后到码盘下一个脉冲上升沿的时间间隔；
(2)对所述当前时刻磁悬浮飞轮转速值进行模糊自适应kalman滤波
首先根据磁悬浮飞轮电机模型，取状态向量x1(k)＝n(k)，x2(k)＝x1(k+1)-A*u(k)，其中，x1(k)，x2(k)为系统状态向量，n(k)为步骤(1)得到的当前时刻磁悬浮飞轮转速值，A为根据系统参数计算得到的控制系数，u(k)为系统输出控制量。
则系统方程可写为如下的状态空间方程式：
x1(k+1)x2(k+1)=01-D-F*x1(k)x2(k)+AB-AF*u(k)=G(k)+H*u(k)n(k)10x1(k)x2(k)=C*x(k)]]>，式中，D、F、A、B、G、H、C均为常数矩阵，D、F、A、B为将系统方程转换为状态方程后得到的控制系统参数的中间变量值，G为系统矩阵，H为输入矩阵，C为输出矩阵；
G=01-ed1T*ed2Ted1T+ed2T,]]>
H=30*keJ*L*π(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2)30*keJ*L*π(d1*ed1T*ed2T-d2*ed1T+d2*ed2T-d1*ed1T)d1*d2*(d1-d2)-30*keJ*L*π(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2)*(ed1T-ed2T)]]>
C＝[10]，其中，J为磁悬浮飞轮转动惯量，ke为反电动势系数，B为阻尼系数，u为电源输出电压，R为电机绕组电阻，L为电机绕组电感，d1，d2为系统特征方程两根；e为自然对数底数，T为采样时间。
kalman滤波器的状态估计方程：式中，为状态估计值；为状态预报值；K(k)为滤波增益矩阵；kalman滤波的滤波增益矩阵K(k)可按下式计算：K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT*(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1，P(k/k-1)＝G*P(k-1)*GT+H*Q*HT，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1)
其中，c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*CT，τ(k)＝C*G*P(k)*GT*CT，式中，δ(k)为衰退因子矩阵，P(k/k-1)为一步预测均方误差，C为输出矩阵，P(k)为估计均方误差，r(k)为量测噪声方差阵，G为系统矩阵，H为输入矩阵，Q为系统噪声方差阵，P(k)为估计均方误差，K(k)为滤波增益矩阵，衰退因子矩阵δ(k)由柔化因子ε和遗忘因子ρ确定，e(k)为实测转速与估计转速偏差，e0初始时刻转速偏差，ε通过模糊自适应调节确定，c(k)为衰退量，E(k)为误差矩阵，η(k)为当前时刻误差平方量、τ(k)为当前时刻估计偏差方差量；
(3)根据滤波后的转速值进行转速控制
磁悬浮飞轮电机控制系统的转速控制通过外环转速环，内环电流环的双环控制方法实现，转速环与电流环都采用变积分PID控制方法实现，其中转速环根据经滤波后的转速值与转速参考值进行转速环控制，转速环控制参数根据转速参考与转速偏差绝对值进行自适应调节，通过转速环控制输出电流参考值，用于磁悬浮飞轮电机绕组电流控制；电流环控制程序根据转速环输出的电流参考值与电流反馈值进行磁悬浮飞轮电机绕组电流控制，电流环控制参数要根据磁悬浮飞轮运行状态、参考转速值与电流偏差绝对值实时调节，电流环输出控制量直接用于驱动电机运行。
本发明方法中模糊自适应kalman滤波参数ε通过模糊自适应调节确定，确定的方法如下：
模糊控制器采用一阶T-S模型，令控制器的输入为ζ＝e(k)2，隶属度函数为：
μ=0ζ≤t1ζ-t1t2-t1t1≤ζ≤t21t2≤ζ≤t3t4-ζt4-t3t3≤ζ≤t40t4≤ζ,]]>其中t1，t2，t3，t4为输入参数论域中的点，模糊控制规
则如下：

本发明的原理是：在磁悬浮飞轮控制过程中由于控制系统存在确定性干扰与不确定性干扰，对于扰动的频率、扰动的大小、扰动的产生时刻都不可以预知。但这些扰动对控制系统的性能有较大的影响。如果要获得较好的控制效果就必须要对转速反馈值进行滤波处理。当磁悬浮飞轮工作在不同转速、不同运行状态(电动、能耗制动、反接制动)时，飞轮的转速不同，电机绕组的电流不同，产生的扰动大小与频率也不相同。因此滤波方法要能够根据系统噪声自适应调节滤波系数。本发明采用模糊自适应kalman滤波方法，在滤波过程中如果对系统模型和量测模型的先验知识了解较少，就会降低kalman滤波的性能，甚至会激发滤波器发散。模糊自适应kalman滤波方法应用衰退因子矩阵δ(k)增加预测状态向量的不一致性，不同衰退记忆算法的主要差别在于衰退矩阵的计算。当δ(k)＜＝1时滤波器处于稳定处理状态；当δ(k)＝1时，退化为一般的kalman滤波方法，当δ(k)＞＝1时滤波器趋于不稳定。采用常值衰退因子的缺陷在于，在滤波过程中由于以前数据的影响越来越小，滤波器的精度就会下降。因此最佳的方法就是采用时变的衰退因子来提高滤波的精度与动态性能。本发明通过检测实测转速与估计转速的偏差来调节衰退因子δ(k)的大小，从而调整滤波增益矩阵K(k)来达到较好的滤波效果。kalman滤波的滤波增益矩阵K(k)可按下式计算：
K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT*(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1，P(k/k-1)＝G*P(k-1)*GT+H*Q*HT，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1)其中，c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*CT，τ(k)＝C*G*P(k)*GT*CT，式中，δ(k)为衰退因子矩阵，P(k/k-1)为一步预测均方误差，C为输出矩阵，P(k)为估计均方误差，r(k)为量测噪声方差阵，G为系统矩阵，H为输入矩阵，Q为系统噪声方差阵，P(k)为估计均方误差，K(k)为滤波增益矩阵，衰退因子矩阵δ(k)由柔化因子ε和遗忘因子ρ确定，e(k)为实测转速与估计转速偏差，e0初始时刻转速偏差，ε通过模糊自适应调节确定，c(k)为衰退量，E(k)为误差矩阵，η(k)为当前时刻误差平方量、τ(k)为当前时刻估计偏差方差量；根据经验，ρ取值为0.95，ε通过模糊自适应调节确定；
模糊自适应kalman滤波参数ε通过模糊自适应调节确定，确定的方法如下：
由于零阶模型需要更复杂的隶属度函数和规则库，因此本控制系统的模糊控制器采用一阶T-S模型，由于转速误差可以直接反映转速的控制精度，令控制器的输入为ζ＝e(k)2，选取简单有效的梯形隶属度函数，令隶属度函数为：
μ=0ζ≤t1ζ-t1t2-t1t1≤ζ≤t21t2≤ζ≤t3t4-ζt4-t3t3≤ζ≤t40t4≤ζ,]]>其中t1，t2，t3，t4为输入参数论域中的点，模糊控制规则如下：

在磁悬浮飞轮控制过程中，由于在不同运行状态和不同转速值时系统控制模型存在摄动，要实现高精度的转速控制必须要根据磁悬浮飞轮运行状态、参考转速值、转速反馈值、转速偏差值与电流偏差值实时调节转速环、电流环控制参数与最大占空比给定值，才能实现磁悬浮飞轮转速的高精度控制。
本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：
(1)传统的M/T转速检测方法不对转速脉冲进行预先处理，本发明在测速程序中对光电码盘信号进行判断，当光电码盘的高电平与低电平保持一定时间后触发计数器进行计数，以减少高频干扰信号的影响。
(2)传统的控制方法直接利用转速值，当转速存在波动时控制性能较差，本发明采用模糊自适应kalman滤波方法首先对转速值进行自适应滤波，滤除干扰信号再进行转速控制。
(3)传统的控制方法直接利用固定的控制参数，由于磁悬浮飞轮高低速参数存在摄动，电动制动系统模型不同因此在全转速范围控制性能较差，本发明采用参数规划的方法，针对磁悬浮飞轮的运行状态、参考转速、参考电流、电流偏差值自适应调整控制参数。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的模糊自适应kalman滤波算法流程图；
图3为本发明的模糊隶属度函数；
图4为本发明的系统结构图。
具体实施方案
如图1所示，在具体实施过程中，本发明的具体实施步骤如下：
首先，采用模糊自适应kalman滤波方法对磁悬浮飞轮转速值进行实时滤波。转速环控制程序根据参考转速值与经模糊自适应kalman滤波后的转速反馈值自适应调节转速环控制参数，转速环输出电流环参考电流。电流环控制程序根据转速反馈值确定电流环最大占空比，并根据转速参考值、电流偏差值自适应调节电流环参数并输出电流环控制量。具体包括以下步骤：
(1)计算磁悬浮飞轮实时转速值
磁悬浮飞轮采用光电码盘进行测速，测速方法为M/T法，其中M/T测速方法中定时器的选取要根据系统的控制精度与动态响应要求确定；系统控制精度要求越高，定时器设置越长，反馈转速精度就越高，但控制的实时性就较差；定时器设置的越短，转速反馈的实时更新性就越快，但转速反馈的精度就会越差，经折中考虑选取测速定时器为0.6s，转速环的控制频率为5KHz，由于光电码盘信号的频率很高，易受干扰，在转速较低时，光电码盘计数误差对控制精度的影响更大，因此在测速程序中对光电码盘信号进行判断，当光电码盘的高电平与低电平保持一定时间后触发计数器进行计数，以减少高频干扰信号的影响，最后根据M/T法检测的光电码盘脉冲数与高频时钟数进行转换即得到当前时刻磁悬浮飞轮转速值。
(2)根据M/T方法检测的当前时刻磁悬浮飞轮转速反馈值，对转速反馈值进行滤波以减少干扰的影响，滤波按一下步骤进行：
A、建立磁悬浮飞轮运动方程
首先，建立磁悬浮飞轮电机模型：dωdt=1Jkei-BJωdidt=1Lu-RLi-keLω---(1)]]>
其中，ω磁悬浮飞轮角速度，J为磁悬浮飞轮转动惯量，ke为反电动势系数，B为阻尼系数，u为电源输出电压，R为电机绕组电阻，L为电机绕组电感，可得飞轮角速度与电源输出电压的传函为：
ω(s)U(s)=keJ*L*s2+R*J*s+ke2---(2)]]>
进一步可推出飞轮转速与电源输出电压的系统传函：
N(s)U(s)=30*keJ*L*πs2+RLs+ke2J*L,]]>令a=30*keJ*L*π,]]>b=RL,]]>c=ke2J*L---(3)]]>
对系统传函进行z变换得
N(z)U(z)=Z[1-e-Tssas2+bs+c]=A*z+Bz2+F*z+D---(4)]]>
其中，
A=a*(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2),]]>B=a*(d1*ed1T*ed2T-d2*ed1T*ed2T+d2*ed2T-d1ed1T)d1*d2*(d1-d2),]]>F=-ed1T-ed2T,]]>D=ed1Ted2T,]]>T为采样周期。取状态向量x1(k)＝n(k)，x2(k)＝x1(k+1)-A*u(k)，其中，x1(k)，x2(k)为系统状态向量，n(k)为步骤(1)得到的当前时刻磁悬浮飞轮转速值，A为根据系统参数计算得到的控制系数，u(k)为系统输出控制量。
则系统方程可写为如下的状态空间方程式：
x1(k+1)x2(k+1)=01-D-F*x1(k)x2(k)+AB-AF*u(k)=G(k)+H*u(k)n(k)10x1(k)x2(k)=C*x(k)]]>式中，D、F、A、B、G、H、C均为常数矩阵，D、F、A、B为将系统方程转换为状态方程后得到的控制系统参数的中间变量值，G为系统矩阵，H为输入矩阵，C为输出矩阵。
G=01-ed1T*ed2Ted1T+ed2T,]]>
H=30*keJ*L*π(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2)30*keJ*L*π(d1*ed1T*ed2T-d2*ed1T+d2*ed2T-d1*ed1T)d1*d2*(d1-d2)-30*keJ*L*π(d2*ed1T-d1*ed2T+d1-d2)d1*d2*(d1-d2)*(ed1T-ed2T)]]>
C＝[1 0]，其中，J为磁悬浮飞轮转动惯量，ke为反电动势系数，B为阻尼系数，u为电源输出电压，R为电机绕组电阻，L为电机绕组电感，d1，d2为系统特征方程两根；e为自然对数底数，T为采样时间。
B、对磁悬浮转速值进行模糊自适应kalman滤波
采用模糊自适应kalman滤波方法对实测转速值进行实时滤波，以减少转速波动，kalman滤波器的状态估计方程：式中，为状态估计值；为状态预报值；K(k)为滤波增益矩阵；kalman滤波的滤波增益矩阵K(k)可按下式计算：K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT*(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1，P(k/k-1)＝G*P(k-1)*GT+H*Q*HT，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1)
其中，c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*CT，τ(k)＝C*G*P(k)*GT*CT，式中，δ(k)为衰退因子矩阵，P(k/k-1)为一步预测均方误差，C为输出矩阵，P(k)为估计均方误差，r(k)为量测噪声方差阵，G为系统矩阵，H为输入矩阵，Q为系统噪声方差阵，P(k)为估计均方误差，K(k)为滤波增益矩阵，衰退因子矩阵δ(k)由柔化因子ε和遗忘因子ρ确定，e(k)为实测转速与估计转速偏差，e0初始时刻转速偏差，c(k)为衰退量，E(k)为误差矩阵，η(k)为当前时刻误差平方量、τ(k)为当前时刻估计偏差方差量；ε通过模糊自适应调节确定，确定的方法如下：
模糊控制器采用一阶T-S模型，令控制器的输入为ζ＝e(k)2，隶属度函数为：
μ=0ζ≤t1ζ-t1t2-t1t1≤ζ≤t21t2≤ζ≤t3t4-ζt4-t3t3≤ζ≤t40t4≤ζ,]]>其中t1，t2，t3，t4为输入参数论域中的点，模糊控制规
则如下：

(3)根据滤波后的转速值进行转速控制
磁悬浮飞轮电机控制系统的转速控制通过外环转速环，内环电流环的双环控制方法，转速环与电流环都采用变积分PID控制方法实现，其中转速环根据经滤波后的转速值与转速参考值进行转速环控制，转速环控制参数根据转速参考与转速偏差绝对值进行自适应调节，控制程序首先判断转速参考值的范围，当转速参考值不同时控制参数有所不同，当转速参考值较大时，转速环的比例系数较大，反之较小。进一步判断转速偏差绝对值的大小，当转速偏差绝对值很大时转速环比例系数较大，积分系数为零或为很小，若偏差绝对值大时有较大的积分系数会导致系统超调较大，调节时间较长；随转速偏差绝对值的减小将比例系数减小，积分系数增大。转速环PID算法采用比例积分算法，其控制器形式为：本发明设定五个不同的转速误差绝对值范围，分别为e_speed(转速误差绝对值)∈{＞200∪[200100]∪[10050]∪[501]∪＜1}。当转速误差绝对值处于最大的范围内(e_speed＞200)时设定kp＝305，ki＝0.00001；当转速误差绝对值处于最小的范围内(e_speed＜1)时设定kp＝95，ki＝0.01；当转速误差绝对值处于两个极限误差范围之间时，kp，ki的取值在边界取值之间。
转速环控制输出电流参考值，用于磁悬浮飞轮电机绕组电流控制；电流环控制程序根据转速环输出的电流参考值与电流反馈值进行磁悬浮飞轮电机绕组电流控制，电流环控制参数要根据磁悬浮飞轮运行状态、参考转速值与电流偏差实时调节，电流环输出控制量直接用于驱动电机运行。控制程序首先判断转速参考值的范围，当转速参考值不同时控制参数有所不同，当转速参考值较大时，电流环的比例系数较大，反之较小。进一步判断电流偏差绝对值的大小，当电流偏差绝对值很大时电流环比例系数较大，积分系数为零或为很小，若偏差绝对值大时有较大的积分系数会导致系统超调较大，调节时间较长；随电流偏差绝对值的减小将比例系数减小，积分系数增大。电流环PID算法采用比例积分算法，其控制器形式为：在DSP中采用积分分离PI实现方式。本发明设定五个不同的电流误差绝对值范围分别为e_cur(电流误差绝对值)∈{＞1∪[0.60.3]∪[0.30.1]∪[0.10.05]∪＜0.01}当电流误差绝对值处于最大的范围内(e_speed＞1)时设定kp＝1200，ki＝0.01；当电流误差绝对值处于最小的范围内(e_speed＜0.01)时设定kp＝20，ki＝10；当电流误差绝对值处于两个极限误差范围之间时，kp，ki的取值在边界取值之间。
为防止运行过程中的过流，在磁悬浮飞轮运行过程中对电流环的最大占空比进行限制，电流环的最大占空比根据飞轮运行状态与转速进行实时调节。当转速较低时最大占空比较小，随转速的升高逐渐提高最大占空比。
为满足给定不同参考转速时，控制系统都能以较高的动态响应速度，较精确的达到参考转速，电流环控制参数要根据参考转速值与电流偏差绝对值实时调节；电流环控制程序根据转速环输出的参考电流值与电流反馈值进行电流环PID运算，并输出电流环控制量。
如图2所示为模糊自适应kalman滤波的算法流程图。首先，根据系统的初始状态确定状态向量与均方误差的初始值，本发明实施例中选取的状态初值一步转移阵量测阵量测噪声方差阵r(k)＝10000，系统噪声方差阵根据图2所示流程图计算各中间变量。由公式K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1计算滤波增益K(k)；根据转速反馈值与转速估计值计算估计偏差e(k)；根据状态预报值与滤波增益矩阵K(k)由公式计算状态估计由滤波增益矩阵K(k)与一步预测均方误差P(k/k-1)根据公式P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1)计算均方误差P(k)；根据估计偏差e(k)采用模糊控制的方法调整参数ε，并通过ε值调整衰退因子δ(k)，由系统方程得到状态的一步预测值由P(k+1/k)＝G*P(k)*GT+H*Q*HT得到一步预测均方误差P(k+1/k)，并通过状态估计方程得到实际转速的滤波值。
如图3所示为本发明模糊参数整定隶属度函数。模糊隶属度函数由控制磁悬浮飞轮经验得到，在本发明中采用模糊控制器采用一阶T-S模型，令控制器的输入为ζ＝e(k)2，隶属度函数取为梯形函数，表达式为：其中t1，t2，t3，t4为输入参数论域T中的点，其中模糊论域为T∈[0 20]，有3条模糊控制规则如下：

如图4所示为本发明的系统结构图。本发明为实现飞轮转速的高精度采用转速环、电流环双环控制。转速环为外环电流环为内环，转速环控制采用PID控制方法，转速环控制参数根据转速参考值与转速偏差值进行调节，当转速参考值较大时给定的转速环比例系数较大，积分系数较小以减少系统超调，同样当转速偏差绝对值值较大时比例系数较大，积分系数较小；当转速参考值与转速偏差绝对值值较小时，比例系数较小，积分系数较大以提高控制精度。转速环输出电流参考值，电流环根据电流参考值与电流反馈值输出电流环控制量，以进行电流环控制。
电流环采用PID控制方法，为满足给定不同参考转速时，控制系统都能以较高的动态响应速度，较精确的达到参考转速，电流环控制参数要根据磁悬浮飞轮运行状态、参考转速值与电流偏差绝对值实时调节，当转速参考值较大时给定的电流环比例系数较大，积分系数较小以减少系统超调，同样当电流偏差绝对值值较大时比例系数较大，积分系数较小；当转速参考值与电流偏差绝对值值较小时，比例系数较小，积分系数较大以提高控制精度。通过电流环PID控制输出电流环控制量，驱动磁悬浮飞轮电机运行。
为防止运行过程中的过流，在磁悬浮飞轮运行过程中对电流环的最大占空比进行限制，电流环的最大占空比根据飞轮运行状态与转速进行实时调节。当转速较低时最大占空比较小，随转速的升高逐渐提高最大占空比。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。