專利名稱：一種無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆解耦控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆解耦控制器，用于無軸承同 步磁阻電機的高性能控制，屬于電力傳動控制設備的技術領域。
背景技術：
無軸承同步磁阻電機滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高轉(zhuǎn)速、無潤滑、無摩擦、免維修的高性能 驅(qū)動電機的要求，它是一種既具有磁軸承優(yōu)良性能，又兼?zhèn)渫酱抛桦姍C特點的新型電機， 在機床電主軸、渦輪分子泵、離心機、壓縮機、機電貯能、航空航天等特殊電氣傳動領域具有 廣泛的應用前景。無軸承同步磁阻電機是一個非線性、強耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，若要實 現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和運行，必須實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間以及徑向懸浮力自身在 兩垂直方向上的分量之間的動態(tài)解耦控制。無軸承同步磁阻電機控制的特殊性決定其無法像無軸承異步電機和無軸承永磁 同步電機那樣，基于磁場定向控制進行相關公式變換即可實現(xiàn)各個變量間的完全解耦。在 電機常用的解耦控制方法中，微分幾何控制方法和逆系統(tǒng)方法也可用于無軸承同步磁阻電 機的控制，但其線性化解耦的實現(xiàn)要求獲得被控對象的精確數(shù)學模型。無軸承同步磁阻電 機作為一個非線性、強耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子參數(shù)隨工況的變化十分顯著，再加 上轉(zhuǎn)子偏心時懸浮力的變化，負載擾動的存在以及磁飽和等未建模動態(tài)的影響，使微分幾 何控制方法和逆系統(tǒng)方法很難在實際中真正應用。神經(jīng)網(wǎng)絡逆控制方法可以彌補上述控制 方法的不足，其被控系統(tǒng)線性化解耦的實現(xiàn)不依賴于精確的數(shù)學模型，并且不會因為系統(tǒng) 參數(shù)的不穩(wěn)定而帶來控制誤差。而神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆控制方法除具備神經(jīng)網(wǎng)絡逆控制方法的 各種優(yōu)點外，還能通過配置偽線性復合系統(tǒng)的極點使其子系統(tǒng)具有開環(huán)穩(wěn)定的線性傳遞關 系，可以將神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆作為一個非線性開環(huán)控制器直接使用，但是簡單的將神經(jīng)網(wǎng)絡 廣義逆作為控制器使用，實施開環(huán)控制，其控制效果不佳。專利申請?zhí)?00710190554. 2，名稱為神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆無軸承永磁同步電機解耦 控制器構(gòu)造方法，是針對無軸承永磁同步電機設計神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆解耦控制器，其電機轉(zhuǎn) 子的機械結(jié)構(gòu)和運行機理、數(shù)學模型、性能要求與無軸承同步磁阻電機不同，無軸承同步磁 阻電機利用了凸極轉(zhuǎn)子直軸和交軸電感不等產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，進而拖動負載。另外，其解耦控 制是將神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆作為一個非線性開環(huán)控制器直接使用，控制效果不佳。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種無軸承同步磁阻電機 神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆解耦控制器，既可實現(xiàn)無軸承同步磁阻電機電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間以 及徑向懸浮力自身在兩垂直方向上的分量之間的解耦控制，又可獲得良好的各項控制性能 指標，增強系統(tǒng)的魯棒性。本實用新型采用的技術方案是本實用新型由復合被控對象之前依次串接有 神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆和線性閉環(huán)控制器共同組成；所述復合被控對象由第一、二 Park逆變換、第一、第二 Clark逆變換、第一、第二電流跟蹤型逆變器分別依次串接后連接于無軸 承同步磁阻電機之前作為一個整體組成；所述神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡加5個 線性環(huán)節(jié)組成；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出分別連接第一 Park逆變換和第二 Park逆變換的 輸入；由神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆串接于復合被控對象之前共同組成廣義偽線性系統(tǒng)，復合被控 對象的輸出是電機轉(zhuǎn)子的位置x、_F和轉(zhuǎn)速《，神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆的輸出是四個電流信號
ζ、ζ , ^ζ ；廣義偽線性系統(tǒng)包括兩個位置子系統(tǒng)和一個速度子系統(tǒng)；這三個子系統(tǒng)分別
對應有兩個位置控制器和一個速度控制器；線性閉環(huán)控制器由兩個位置控制器和一個速度 控制器組成。本實用新型的有益效果是1、無軸承同步磁阻電機與單純使用磁軸承支承的同步磁阻電機相比具有更加合 理，更加實用的結(jié)構(gòu)一是無軸承同步磁阻電機機械結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子軸向長度減小，電機轉(zhuǎn) 速、功率可以進一步得到提高，并可以實現(xiàn)高速超高速運行；二是徑向懸浮力控制系統(tǒng)中功 率放大電路采用三相功率逆變電路，使得無軸承同步磁阻電機的控制方法簡單，結(jié)構(gòu)緊 湊，功耗低，成本下降。擺脫了傳統(tǒng)磁軸承支承的同步磁阻電機結(jié)構(gòu)復雜，臨界轉(zhuǎn)速低，控制 系統(tǒng)復雜，功率放大器造價高，體積大等缺陷。2、本實用新型通過閉環(huán)控制和調(diào)整PID參數(shù)實現(xiàn)高精密控制，最終使系統(tǒng)獲得滿 意的各項性能，如轉(zhuǎn)子徑向位置動、靜態(tài)調(diào)節(jié)特性及轉(zhuǎn)矩、速度調(diào)節(jié)性能，使得無軸承同步 磁阻電機具有很高的應用價值，在高速或超高速數(shù)控機床、密封泵、半導體工業(yè)、航空航天、 化工工業(yè)、生命科學及生物工程等眾多特殊電氣傳動領域中得到廣泛應用。3、本實用新型采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡加線性環(huán)節(jié)來實現(xiàn)復合被控對象的廣義逆系統(tǒng)， 進而構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)廣義逆解耦控制器來實現(xiàn)對無軸承同步磁阻電機的控制，完全擺脫了傳統(tǒng) 的微分幾何控制方法和逆系統(tǒng)方法對精確數(shù)學模型的依賴性，不存在由于系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定 而帶來的系統(tǒng)控制誤差，很好地實現(xiàn)了無軸承同步磁阻電機位置系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的獨立 控制，顯著地提高了無軸承同步磁阻電機的控制性能。4.本實用新型用神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆逼近廣義逆系統(tǒng)，將無軸承同步磁阻電機這一個 非線性、強耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)線性化和解耦為兩個二階線性位置子系統(tǒng)和一個一階 線性速度子系統(tǒng)，通過合理地調(diào)節(jié)廣義逆系統(tǒng)的參數(shù)使解耦后的位置子系統(tǒng)及速度子系統(tǒng) 的極點在復平面內(nèi)合理配置，從而得到開環(huán)穩(wěn)定的子系統(tǒng)，并且分別對兩個位置子系統(tǒng)和 一個速度子系統(tǒng)設計兩個位置控制器和一個速度控制器，實現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之 間以及徑向懸浮力自身在兩垂直方向上的分量之間的解耦控制，從而實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的開 環(huán)線性化控制。5、由于神經(jīng)網(wǎng)絡具有函數(shù)逼近能力以及適應系統(tǒng)參數(shù)變化的能力，因而本實用新 型可以不需要知道被控系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，也無須測量被控系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)便可合理配置 偽線性復合系統(tǒng)的極點，實現(xiàn)系統(tǒng)的大范圍線性化、解耦和降階，大大提高了系統(tǒng)對參數(shù)變 化和負載擾動的魯棒性，為其它無軸承電機控制系統(tǒng)，以及適合磁軸承支承的各種類型的 電機控制的非線性系統(tǒng)線性化和解耦控制提供了一條有效途徑。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；[0014]圖2是由兩個Park逆變換21、31、兩個Clark逆變換22、32，兩個電流跟蹤型逆變 器23、33及無軸承同步磁阻電機1組成的復合被控對象5 ；圖3是由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡61和5個線性環(huán)節(jié)構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆6的結(jié)構(gòu)示意 圖；圖4是神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆61與復合被控對象5串聯(lián)組成的廣義偽線性系統(tǒng)8的示 意圖及其等效圖；圖5是由線性閉環(huán)控制器4與偽線性復合系統(tǒng)8組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖中1.無軸承同步磁阻電機；4.線性閉環(huán)控制器；5.復合被控對象；6.神經(jīng)網(wǎng) 絡廣義逆；7.無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡廣義解耦逆控制器；8.廣義偽線性系統(tǒng)；21、 31. Park逆變換、22、32. Clark逆變換；23,33.電流跟蹤型逆變器；41,42.位置控制器； 43.速度控制器；61.靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡；81、82.位置子系統(tǒng)；83.速度子系統(tǒng)。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡廣義解耦逆控制器7串接在 無軸承同步磁阻電機1之前。包括復合被控對象5，由復合被控對象5之前依次串接神經(jīng) 網(wǎng)絡廣義逆6和線性閉環(huán)控制器4共同組成。復合被控對象5由第一 Park逆變換21、第 一 Clark逆變換22、第一電流跟蹤型逆變器23依次串接后連接于無軸承同步磁阻電機1之 前以及由第二 Park逆變換31、第二 Clark逆變換32、第二電流跟蹤型逆變器33依次串接 后連接于無軸承同步磁阻電機1之前作為一個整體組成。神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆6由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng) 絡61加5個線性環(huán)節(jié)組成。靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡61的輸出分別連接第一 Park逆變換21和第二 Park逆變換31的輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆6串接于復合被控對象5之前共同組成廣義偽線 性系統(tǒng)8，復合被控對象5的輸出是電機轉(zhuǎn)子的位置x、_F和轉(zhuǎn)速《，神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆6的輸
出是四個電流信號
權(quán)利要求1.一種無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆解耦控制器，其特征是由復合被控對象 (5)之前依次串接有神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆(6)和線性閉環(huán)控制器(4)共同組成；所述復合被控 對象(5)由第一、二 Park逆變換(21、31)、第一、第二 Clark逆變換(22、32)、第一、第二電 流跟蹤型逆變器(23、33)分別依次串接后連接于無軸承同步磁阻電機(1)之前作為一個整 體組成；所述神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆(6)由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)加5個線性環(huán)節(jié)組成；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng) 絡(61)的輸出分別連接第一 Park逆變換(21)和第二 Park逆變換(31)的輸入；由神經(jīng)網(wǎng) 絡廣義逆(6)串接于復合被控對象(5)之前共同組成廣義偽線性系統(tǒng)(8)，復合被控對象 (5)的輸出是電機轉(zhuǎn)子的位置z、_F和轉(zhuǎn)速《，神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆(6)的輸出是四個電流信號ζ ζ ；廣義偽線性系統(tǒng)(8)包括兩個位置子系統(tǒng)(81、82)和一個速度子系統(tǒng)(83)；這三個子系統(tǒng)分別對應有兩個位置控制器(41、42)和一個速度控制器(43)；所述線性閉環(huán) 控制器(4)由所述兩個位置控制器(41、42)和一個速度控制器(43)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆解耦控制器， 其特征是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)是三層前饋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，具有8個輸入節(jié)點、4個輸出節(jié) 點，18個隱含節(jié)點；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)的第一個輸入是巧= ^+ ^+ ^巧經(jīng)過二階系統(tǒng)一"^ ,S , 得到的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡61的第二個輸入、-經(jīng)過二階系統(tǒng)I^IQS "ι t^^S"“以及積分器得到的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)的第三個輸入；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)的第四個輸入是訂v , . , ，—經(jīng)過二階系統(tǒng)^3 , g , 得到V2 ~a2Qy +α2ιγ +a22y v2a^s +a21s+a22的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)的第五個輸入，—經(jīng)過二階系統(tǒng)~本 以及積分器 得到的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)的第六個輸入；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)的第七個輸入是 -Λ η+α ■ _經(jīng)過一階系統(tǒng)得到的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(61)的第八個輸 入。
專利摘要本實用新型公開一種無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆解耦控制器，由復合被控對象之前依次串接有神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆和線性閉環(huán)控制器共同組成；復合被控對象由第一、二Park逆變換、第一、第二Clark逆變換、第一、第二電流跟蹤型逆變器分別依次串接后連接于無軸承同步磁阻電機之前作為一個整體組成；神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡加5個線性環(huán)節(jié)組成；由神經(jīng)網(wǎng)絡廣義逆串接于復合被控對象之前共同組成廣義偽線性系統(tǒng)，廣義偽線性系統(tǒng)包括兩個位置子系統(tǒng)和一個速度子系統(tǒng)；分別對應有兩個位置控制器和一個速度控制器組成線性閉環(huán)控制器；實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間以及徑向懸浮力自身在兩垂直方向上的分量之間的獨立解耦控制。
文檔編號H02P25/08GK201928221SQ20112001682
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者張婷婷, 張維煜, 朱熀秋, 朱睿智 申請人:江蘇大學