無(wú)軸承異步電機(jī)的定子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定 向控制（SF0C)的高性能動(dòng)態(tài)解耦控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)軸承電機(jī)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的新型電機(jī)，在航空航天、物料 密封傳輸、先進(jìn)制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)軸承異步電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、 強(qiáng)耦合的復(fù)雜控制系統(tǒng)，其中存在復(fù)雜的非線性電磁耦合關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)其高性能懸浮運(yùn)行 控制，必須實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鏈和兩個(gè)轉(zhuǎn)子徑向位移分量之間的動(dòng)態(tài)解耦控制；而逆系統(tǒng)方 法是針對(duì)多變量、非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化解耦的有效手段，因而可被應(yīng)用于無(wú)軸承電機(jī)的 解奉禹控制。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)的逆系統(tǒng)解耦控制雖有一些研究，但都是以轉(zhuǎn)子磁鏈 定向控制（RF0C)為基礎(chǔ)，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子磁鏈的估算精度難免會(huì)受到轉(zhuǎn)子參數(shù)的影 響。和轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制相比，定子磁鏈定向控制（SF0C)可免受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響。若能在 轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈定向控制的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)軸承電機(jī)進(jìn)行整體系統(tǒng)的逆動(dòng)態(tài)解耦，不但能 保證控制系統(tǒng)性能，而且可有效避免轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)電機(jī)磁鏈估算精度的影響。目前，基于轉(zhuǎn)矩 系統(tǒng)定子磁鏈定向的無(wú)軸承電機(jī)整體逆解耦控制方法，一直未見(jiàn)適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成， 是當(dāng)前業(yè)界急需改進(jìn)的目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的主要目的在于提供一種無(wú)軸承異步電機(jī)的定子磁鏈定向控制逆解耦控 制系統(tǒng)，采用定子磁鏈定向控制取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，解決的技術(shù)問(wèn)題 是有效避免現(xiàn)有技術(shù)無(wú)軸承異步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)電機(jī)控制性能的影響，把無(wú)軸 承電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦為四個(gè)(偽）線性子系統(tǒng)，對(duì)各線性子系統(tǒng)配置合適的調(diào)節(jié)器，提高無(wú) 軸承異步電機(jī)的運(yùn)行控制性能。
[0005] 本發(fā)明具體是采用以下技術(shù)方案及技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0006] 本發(fā)明提出一種無(wú)軸承異步電機(jī)的定子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)，包括無(wú)軸承異 步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)、無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)以及四個(gè)調(diào)節(jié)器；所述 四個(gè)調(diào)節(jié)器是一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、一個(gè)磁鏈調(diào)節(jié)器及兩個(gè)位移調(diào)節(jié)器，所述無(wú)軸承異步電機(jī) 定子磁鏈定向逆系統(tǒng)串接在無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)之前，并解耦為四個(gè)線性 子系統(tǒng)：一個(gè)一階轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、一個(gè)一階定子磁鏈子系統(tǒng)及a和0兩個(gè)徑向位移二階子系 統(tǒng)，該四個(gè)線性子系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)連接所述四個(gè)調(diào)節(jié)器，該四個(gè)調(diào)節(jié)器又分別連接到無(wú)軸承 異步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；其中， 所述無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無(wú)軸承異步電機(jī)的定子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的定子磁 鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)包括無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)、無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁 鏈定向逆系統(tǒng)以及四個(gè)調(diào)節(jié)器；所述四個(gè)調(diào)節(jié)器是一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、一個(gè)磁鏈調(diào)節(jié)器及兩 個(gè)位移調(diào)節(jié)器，所述無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)串接在無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈 定向原系統(tǒng)之前，并解耦為四個(gè)線性子系統(tǒng)：一個(gè)一階轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、一個(gè)一階定子磁鏈子系 統(tǒng)及α和β兩個(gè)徑向位移二階子系統(tǒng)，該四個(gè)線性子系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)連接所述四個(gè)調(diào)節(jié)器， 該四個(gè)調(diào)節(jié)器又分別連接到無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；其 中， 所述無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：
式中，定義原系統(tǒng)的輸入控制量為 ，系統(tǒng)狀態(tài)變量為1 = =(α,爲(wèi)夂處,系統(tǒng)輸出變量為 >' ==《爲(wèi)是轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，[w是由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的磁懸浮力系 數(shù)，Ks是由電機(jī)結(jié)構(gòu)和電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度決定的徑向位移剛度系數(shù)，是轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)在??坐 標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子漏感，定義??坐標(biāo)系為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈定向坐標(biāo)系，表示轉(zhuǎn)矩繞組電 壓的分量，Λ 5為定子電阻，P:為轉(zhuǎn)矩繞組的磁極對(duì)數(shù)，/為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，&為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 所述無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：
式中，定義逆系統(tǒng)的輸入量為F = = Ov+WgF。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無(wú)軸承異步電機(jī)的定子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)，其特征在 于，其中所述無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)的構(gòu)造方法是： (1) 定義α β為靜止兩相對(duì)稱坐標(biāo)系、而為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)兩相對(duì)稱 坐標(biāo)系； (2) 根據(jù)二極懸浮控制四極無(wú)軸承異步電機(jī)的工作原理，得到基于定子磁鏈定向的轉(zhuǎn) 矩系統(tǒng)磁鏈方程是= 十，轉(zhuǎn)矩方程是：7； = , y/sl為定子 磁鏈幅值，α β坐標(biāo)系下的定子磁鏈估計(jì)模型是
，其 中，為定子磁鏈的邊由分量，為定子磁鏈幅值，f?為定子磁鏈相位角，分別 為轉(zhuǎn)矩繞組電流的么4!|分量，^:^、4^〗|:1分別為定子磁鏈的〇、3軸分量，/^,.、匕卩分別 為定子磁鏈電流的α、β軸分量，分別為定子磁鏈電壓的α、β軸分量； (3) 根據(jù)無(wú)軸承異步電機(jī)的工作原理，得到二極磁懸浮系統(tǒng)的可控徑向電磁力模型：
分別為靜止α、β坐標(biāo)軸向的可控徑向懸浮力分量， 4^、4^分別為懸浮控制電流的分量，Ad、Aq分別為四極轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)氣隙磁鏈的A 由分量，表達(dá)式戈
(4) 根據(jù)機(jī)械動(dòng)力學(xué)原理，構(gòu)造無(wú)軸承異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程、徑向磁懸浮運(yùn)動(dòng)
方程 式中，ff分別為轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏心時(shí)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的 Ja Ιβ α、β向單邊電磁拉力，（?α, -Λ/?, Jfs是由電機(jī)結(jié)構(gòu)和電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度決定的徑 向位移剛度系數(shù)，《為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率； (5) 定義原系統(tǒng)的輸入控制量為w.= ty = ^ 統(tǒng)狀態(tài)變量為λ'=-A4武,系統(tǒng)輸出變量為 Jf = Ov Λ. Ui f = (?.. A圾lTrl f ,結(jié)合步驟⑵至（4 )的公式可得出無(wú)軸承異步電機(jī)定 子磁鏈定向原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述無(wú)軸承異步電機(jī)的定子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的構(gòu)造方法是： 采用Interactor算法，判定無(wú)軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)具有可逆性，定義逆 系統(tǒng)的輸入量為I' = 夕4 = OW2,吟,V., ,根據(jù)隱函數(shù)定理，得出無(wú)軸承異 步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：
【專利摘要】本發(fā)明提出一種無(wú)軸承異步電機(jī)的定子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng),包括定子磁鏈定向原系統(tǒng)、定子磁鏈定向逆系統(tǒng)以及四個(gè)調(diào)節(jié)器；所述四個(gè)調(diào)節(jié)器是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器及兩個(gè)位移調(diào)節(jié)器，將所述定子磁鏈定向逆系統(tǒng)串接在定子磁鏈定向原系統(tǒng)之前，使系統(tǒng)解耦為四個(gè)線性子系統(tǒng)：一階轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、一階定子磁鏈子系統(tǒng)及α和β兩個(gè)徑向位移二階子系統(tǒng)，四個(gè)線性子系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)連接所述四個(gè)調(diào)節(jié)器，該四個(gè)調(diào)節(jié)器又分別連接到定子磁鏈定向逆系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明在轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈定向控制的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體逆系統(tǒng)解耦控制，有效避免轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)電機(jī)控制性能的影響，提高了電機(jī)運(yùn)行控制性能。
【IPC分類】H02P21-14, H02P25-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104660141
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510104159
【發(fā)明人】卜文紹, 肖雋亞, 王曉紅, 何方舟, 程相輝, 李自愿, 張海濤, 喬巖茹, 李曉強(qiáng), 牛新聞, 吳貴芳, 徐興元
【申請(qǐng)人】河南科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年3月11日