考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及特種交流電機驅(qū)動控制技術(shù)領(lǐng)域，是一種精確的無軸承異步電機逆系 統(tǒng)解耦方法，尤其適用于構(gòu)造無軸承異步電機高性能磁懸浮運行控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無軸承電機是基于磁軸承與交流電機定子結(jié)構(gòu)的相似性，近年來發(fā)展起來的適合 于高速運轉(zhuǎn)的新型電機，在航空航天、物料密封傳輸、先進制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前 景。無軸承異步電機是一個多變量、非線性、強耦合的復(fù)雜控制對象，要實現(xiàn)其高性能懸浮 運行控制，必須實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速、磁鏈和兩個轉(zhuǎn)子徑向位移分量之間的動態(tài)解耦；而逆系統(tǒng)方 法是針對多變量、非線性系統(tǒng)進行線性化解耦的有效手段，因而可被應(yīng)用于無軸承電機的 動態(tài)解耦控制。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)對無軸承異步電機的逆系統(tǒng)解耦控制雖有一些研究，但都是以轉(zhuǎn)子磁鏈 定向控制為基礎(chǔ)，而在電機運行過程中，轉(zhuǎn)子磁鏈的辨識精度難免會受到轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響。 盡管通過外部調(diào)節(jié)器可在一定程度上抑制轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，但無法根除。和轉(zhuǎn)子磁鏈相比， 定子磁鏈的估計精度只依賴于定子電阻，基本不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，因而具有更強的魯棒 性。若能在轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈定向控制的基礎(chǔ)上，對無軸承電機進行整體系統(tǒng)的逆動態(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)對電機磁鏈估算精度的影響。目 前，關(guān)于無軸承電機定子磁鏈定向整體逆系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)，無論是否考慮繞組動態(tài)特性， 一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成，是當前業(yè)界急需改進的目標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的主要目的是提供一種考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán) 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 題是對逆系統(tǒng)動態(tài)解耦后的四個線性子系統(tǒng)配置閉環(huán)調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)可靠的閉環(huán)解耦控制， 提高無軸承異步電機系統(tǒng)的動態(tài)控制性能和抗干擾能力。
[0005] 本發(fā)明具體是采用以下技術(shù)方案及技術(shù)措施來實現(xiàn)的。
[0006] 本發(fā)明提出一種考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括 考慮定子電流動態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈定向原系統(tǒng)、考慮定子電流動態(tài)的無軸承異 步電機定子磁鏈定向逆系統(tǒng)以及四個調(diào)節(jié)器；所述四個調(diào)節(jié)器是兩個位移調(diào)節(jié)器、一個磁 鏈調(diào)節(jié)器及一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，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)之前以 解耦為四個線性子系統(tǒng)：a和0兩個徑向位移量的二階線性子系統(tǒng)、一個定子磁鏈於sl 的一階線性子系統(tǒng)、一個轉(zhuǎn)速《的二階線性子系統(tǒng)，該四個線性子系統(tǒng)對應(yīng)所述四個調(diào)節(jié) 器，該四個調(diào)節(jié)器對應(yīng)連接到定子磁鏈定向原系統(tǒng)的輸出端和定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的輸入 端，構(gòu)成逆解耦閉環(huán)控制系統(tǒng)；其中， 所述考慮定子電流動態(tài)的無軸承異步電機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)的輸入量為絲耗課，系統(tǒng)狀態(tài)變 量為ti\、'y、vu、丨' 從/l人Ak-U/V#，系統(tǒng)輸出變量為 =&.遍> :藤愚$ _1_1_§:痛f， 丨^^.、##+#分別為懸浮繞組定子電流的么_分量，％i為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈，<y為轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)角頻率，齡是由電機結(jié)構(gòu)決定的磁懸浮力系數(shù)，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，:￡賴、:!;續(xù)分別為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng) 在dq坐標系中的定、轉(zhuǎn)子漏感，為電機結(jié)構(gòu)決定的徑向位移剛度系數(shù)，
應(yīng)|:為轉(zhuǎn)矩繞組定子電阻，Ik為轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子電阻，為而坐標系中 的等效兩相轉(zhuǎn)矩繞組的自感，為而坐標系中的等效兩相轉(zhuǎn)子繞組自電感，為轉(zhuǎn)矩 繞組的磁極對數(shù)，/為轉(zhuǎn)動慣量，J}為負載轉(zhuǎn)矩； 所述考慮定子電流動態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：
式中，取逆系統(tǒng)的輸入量為購，:1?.:二鋪
[0007] 較佳的，前述考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中所 述考慮定子電流動態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈定向原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是由如下方法得 到的： (1) 定義a0為靜止兩相對稱坐標系、dq為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)兩相對稱 坐標系； (2) 根據(jù)電機內(nèi)部定子電流動態(tài)微分方程和定子磁鏈定向控制的靜態(tài)與動態(tài)約束條 件，可得考慮定子電流動態(tài)的定子磁鏈定向轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型為：
(3) 根據(jù)無軸承異步電機的工作原理，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a、0坐標軸向的可控徑向懸浮力分量，_、_$分別為沿么邊 標軸向的氣隙磁鏈分量，其表達式為：
(4) 根據(jù)動力學(xué)原理，構(gòu)造轉(zhuǎn)子徑向懸浮運動方程為：
式中，仿為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，爲、?分別為轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏心時在電機內(nèi)部產(chǎn)生的°"、々向 不平衡轉(zhuǎn)子單邊電磁拉力，筆総，|i:是由電機結(jié)構(gòu)和電機磁場強度決定的 徑向位移剛度系數(shù)； (5) 選取四極轉(zhuǎn)矩繞組電壓為輸入變量，定義原系統(tǒng)的輸入變量u、狀態(tài)變量X、輸出變 量y分別為：
結(jié)合步驟（2)至（4)的公式可得出兼顧考慮不平衡轉(zhuǎn)子單邊電磁拉力影響和轉(zhuǎn)矩繞組 定子電流動態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈定向原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：
較佳的，前述考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述考慮定 子電流動態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的數(shù)學(xué)是由如下方法得到的： 通過Interactor算法分析可知，所述考慮定子電流動態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈 定向原系統(tǒng)是可逆的，對輸出量;f 逐次對時間求導(dǎo)，得到：
取逆系統(tǒng)輸入變量為V% % :5KII，則兼顧考慮不平衡轉(zhuǎn)子單邊電 磁拉力影響和轉(zhuǎn)矩繞組定子電流動態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 為：
較佳的，前述考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中所述考 慮定子電流動態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈定向原系統(tǒng)包括懸浮繞組CRPWM電流跟蹤控 制逆變器、轉(zhuǎn)矩繞組SPWM逆變器及無軸承異步電機，所述定子磁鏈定向逆系統(tǒng)輸出的解耦 控制變量、<>經(jīng)反矢量坐標變換處理后送入CRPWM電流跟蹤控制逆變器，輸出三相磁 懸浮繞組控制電流量到無軸承異步電機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的解耦懸浮控制；所述考慮定子電流動 態(tài)的無軸承異步電機定子磁鏈定向逆系統(tǒng)輸出的解耦控制變量經(jīng)反矢量坐標變 換處理后送入電壓調(diào)制SPWM逆變器，輸出三相轉(zhuǎn)矩繞組電壓量到無軸承異步電機，實現(xiàn)轉(zhuǎn) 軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動與定子磁鏈之間的動態(tài)解耦控制。
[0008] 較佳的，前述考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中所 述位移調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是超前滯后調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)模型為：
式中的r為放大系數(shù)，纖為超前時常，A為滯后時常。
[0009] 較佳的，前述考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中所 述磁鏈調(diào)節(jié)器是比例積分調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)模型為：
式中的_比例放大系數(shù)，:1|為積分系數(shù)。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有下列優(yōu)點及有益效果： 1、 本發(fā)明在兼顧考慮不平衡轉(zhuǎn)子單邊電磁拉力影響和轉(zhuǎn)矩繞組定子電流動態(tài)的基礎(chǔ) 上，提出了考慮電流動態(tài)的無軸承異步電機定子定向逆閉環(huán)控制系統(tǒng)，以定子磁鏈定向逆 解耦控制取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制，可有效避免轉(zhuǎn)子參數(shù)對電機磁鏈控制性能 的影響，提高轉(zhuǎn)子磁懸浮控制性能； 2、 本發(fā)明把具有非線性、多變量、強耦合性的無軸承異步電機系統(tǒng)解耦為a和0兩 個徑向位移子系統(tǒng)、定子磁鏈子系統(tǒng)及電機轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)四個線性子系統(tǒng)，再對各子系統(tǒng)配 置適當?shù)拈]環(huán)調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)了兩個徑向位移分量、定子磁鏈、電機轉(zhuǎn)速之間的可靠閉環(huán)解耦 控制，并且可省掉定子磁鏈定向原系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩繞組定子電流閉環(huán)和逆系統(tǒng)中的負載轉(zhuǎn)矩 ?!辨識環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，提高了系統(tǒng)的動態(tài)控制