無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器的構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器的構(gòu)造方法，構(gòu)造兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器，由第一擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器與轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)相連構(gòu)成第一復(fù)合被控對象，由第二擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器與徑向懸浮力子系統(tǒng)相連構(gòu)成第二復(fù)合被控對象；由精確線性化解耦系統(tǒng)與第一、第二復(fù)合被控對象共同構(gòu)成偽線性系統(tǒng)；由轉(zhuǎn)速控制器、x、y位置控制器組成線性閉環(huán)控制器，由線性閉環(huán)控制器和精確線性化解耦系統(tǒng)共同構(gòu)成微分幾何解耦控制器；將微分幾何解耦控制器、兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器和無軸承同步磁阻電機共同形成無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器，實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的完全動態(tài)解耦控制。
【專利說明】無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器的構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種無軸承同步磁阻解耦控制器，具體是無軸承同步磁阻解耦控制器的構(gòu)造方法，適用于無軸承同步磁阻電機的高性能解耦控制。
【背景技術(shù)】
[0002]無軸承同步磁阻電機是一種基于無軸承電機與同步磁阻電機的原理基礎(chǔ)上發(fā)展而來的特種電機，無軸承同步磁阻電機特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不需要勵磁繞組和永磁材料，因而造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單，另外其無軸承結(jié)構(gòu)又避免了潤滑問題，也無摩擦粉塵產(chǎn)生，特別適合對潔凈度要求較高的醫(yī)藥生產(chǎn)、食品加工等特殊場合。無軸承同步磁阻電機還具有較高的轉(zhuǎn)矩密度、功率因數(shù)，能滿足電機高速、高精的要求。
[0003]無軸承同步磁阻電機的控制系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。電機在帶負載實現(xiàn)懸浮運行時，因其轉(zhuǎn)矩電流分量的存在，致使電磁轉(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存有相互耦合，電磁轉(zhuǎn)矩的波動將導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)的失穩(wěn)。因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計是實現(xiàn)其穩(wěn)定懸浮與運行的核心技術(shù)，即必須對電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力及其徑向懸浮力在兩垂直方向之間的解耦控制。
[0004]無軸承同步磁阻電機的特殊性決定其無法像無軸承感應(yīng)電機和無軸承永磁同步電機那樣可以通過磁場定向控制進行相關(guān)公式變換來實現(xiàn)各變量間的完全解耦控制。中國專利申請?zhí)枮?00610085347.6，名稱為:無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構(gòu)造方法，采用現(xiàn)代控制理論中串接前饋補償器的方法進行控制系統(tǒng)的解耦。中國專利申請?zhí)枮?01010117615.4，名稱為:無軸承同步磁阻電機非線性逆解耦控制器及其構(gòu)造方法，通過逆系統(tǒng)方法構(gòu)建解耦控制器實現(xiàn)對無軸承同步磁阻電機的解耦控制。中國專利申請?zhí)枮?01110021862.9，名稱為:無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆的控制方法對無軸承同步磁阻電機進行解耦控制。上面所述的三種控制器都存在一定的缺陷:如前一種無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構(gòu)造方法只實現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間的靜態(tài)解耦，并沒有實現(xiàn)完全意義上的動態(tài)解耦；而后兩種解耦控制器:無軸承同步磁阻電機非線性逆解耦控制器和無軸承同步磁阻電機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器雖然使系統(tǒng)獲得高性能的解耦控制，但同時也使得控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，加大了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為實現(xiàn)無軸承同步磁阻電機多變量動態(tài)解耦控制，進而獲得負載條件下電機穩(wěn)定懸浮運行，提供一種無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器的構(gòu)造方法，既可實現(xiàn)帶負載條件下電磁轉(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靜態(tài)、動態(tài)解耦控制，同時又可使得整個控制系統(tǒng)具有很好的控制性能。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是采用如下步驟:
(I)構(gòu)造兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器，由第一擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器與無軸承同步磁阻電機的轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)相連構(gòu)成第一復(fù)合被控對象，由第二擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器與無軸承同步磁阻電機的徑向懸浮力子系統(tǒng)相連構(gòu)成第二復(fù)合被控對象。
[0007](2)構(gòu)造精確線性化解耦系統(tǒng)，由精確線性化解耦系統(tǒng)與第一、第二復(fù)合被控對象共同構(gòu)成偽線性系統(tǒng)。
[0008](3)由轉(zhuǎn)速控制器、立置控制器組成線性閉環(huán)控制器，由線性閉環(huán)控制器和精確線性化解耦系統(tǒng)共同構(gòu)成微分幾何解耦控制器。
[0009](4)將微分幾何解耦控制器、兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器和無軸承同步磁阻電機共同形成無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明構(gòu)造的解耦控制器，是基于微分幾何控制理論的解耦控制器，微分幾何精確線性化解耦控制方法是基于系統(tǒng)的輸入輸出描述的一種線性化方法，已成功解決了多種非線性控制問題。從對系統(tǒng)不同的描述出發(fā)，采用不同的處理方法，可得到相同的線性化效果，根據(jù)系統(tǒng)的輸出方程，通過非線性坐標(biāo)變換將非線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程化為完全可控的線性系統(tǒng)，然后對線性系統(tǒng)運用最優(yōu)控制方法進行分析，從而得到非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制結(jié)果。這種準確線性化與傳統(tǒng)的近似線性化不同，它在線性化過程中沒有忽略任何高階非線性項，因此不僅準確，而且具有全局意義，可實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的完全動態(tài)解耦控制。
[0011]2、由于無軸承同步磁阻電機是有5個狀態(tài)變量的非線性、強耦合的3輸入3輸出系統(tǒng)，很難對其進行直接控制，而根據(jù)微分幾何理論對其進行解耦控制，將原3輸入3輸出的非線性系統(tǒng)線性化為三個相對獨立的單輸入單輸出的偽線性子系統(tǒng)。從而將復(fù)雜的非線性控制問題簡化為簡單的線性控制問題，并可進一步優(yōu)化設(shè)計線性閉環(huán)控制器，可獲得高性能的轉(zhuǎn)速、位置控制以及抗負載擾動的穩(wěn)定懸浮和運行性能。
[0012]3、采用微分幾何解耦控制器實現(xiàn)了無軸承同步磁阻電機的多變量之間的獨立控制，有效克服了無軸承同步磁阻電機基于磁場定向僅僅進行公式變換無法實現(xiàn)解耦控制這一難題，同時克服了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆等控制算法使得控制系統(tǒng)更加復(fù)雜和實現(xiàn)難度加大等缺陷，采用微分幾何解耦控制器的無軸承同步磁阻電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單，且實現(xiàn)方便，響應(yīng)快速，系統(tǒng)具有良好的實時性。
[0013]4、本發(fā)明構(gòu)造的解耦控制器可對無軸承同步磁阻電機帶負載穩(wěn)定懸浮運行進行有效解耦控制，可獲得良好的控制性能，具有很高的應(yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器2、3結(jié)構(gòu)示意圖及其等效圖。
[0015]圖2是無軸承同步磁阻電機I與為其供電的兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器2、3的原理結(jié)構(gòu)圖。而兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器2、3與無軸承同步磁阻電機I構(gòu)成一個復(fù)合被控對象4，其中無軸承同步磁阻電機I由轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)a和徑向懸浮力子系統(tǒng)b組成。由擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器2與無軸承同步磁阻電機I的轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)a相連構(gòu)成復(fù)合被控對象41，由擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器3與無軸承同步磁阻電機I的徑向懸浮力子系統(tǒng)b相連構(gòu)成復(fù)合被控對象42。
[0016]圖3是復(fù)合被控對象4的結(jié)構(gòu)圖及其等效圖，其中復(fù)合被控對象4由復(fù)合被控對象41和復(fù)合被控對象42組成。[0017]圖4是基于微分幾何的精確線性化解耦系統(tǒng)5與復(fù)合被控對象4組成的偽線性系統(tǒng)6的結(jié)構(gòu)示意圖及其等效圖。通過微分幾何精確線性解耦，從系統(tǒng)的輸出方程出發(fā)得到所需的坐標(biāo)變換與狀態(tài)反饋，實現(xiàn)無軸承同步磁阻電機I的解耦，將原系統(tǒng)簡化為三個獨立的偽線性子系統(tǒng)，K3獨立控制轉(zhuǎn)速量I K1獨立控制轉(zhuǎn)子徑向位移量A K2獨立控制轉(zhuǎn)子徑向位移量_7。
[0018]圖5是線性閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)示意圖，其中線性閉環(huán)控制器7包括轉(zhuǎn)速控制器71、^位置控制器72和位置控制器73。
[0019]圖6是微分幾何解耦控制器的結(jié)構(gòu)示意圖，微分幾何解耦控制器8由線性閉環(huán)控制器7和精確線性化解耦系統(tǒng)5組成。
[0020]圖7是采用微分幾何解耦控制器8對無軸承同步磁阻電機I進行解耦控制的原理框圖。
[0021]圖8是以DSP為核心的無軸承同步磁阻電機解耦控制器的控制裝置組成示意圖。
[0022]圖9是以DSP為控制器的實現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)軟件流程圖，左邊為主流程圖，右邊為中斷子程序流程圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明具體實施分以下幾步:
【權(quán)利要求】
1.一種無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征是采用如下步驟: (1)構(gòu)造兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器，由第一擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器與無軸承同步磁阻電機的轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)相連構(gòu)成第一復(fù)合被控對象，由第二擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器與無軸承同步磁阻電機的徑向懸浮力子系統(tǒng)相連構(gòu)成第二復(fù)合被控對象； (2)構(gòu)造精確線性化解耦系統(tǒng)，由精確線性化解耦系統(tǒng)與第一、第二復(fù)合被控對象共同構(gòu)成偽線性系統(tǒng)； (3)由轉(zhuǎn)速控制器、立置控制器組成線性閉環(huán)控制器，由線性閉環(huán)控制器和精確線性化解耦系統(tǒng)共同構(gòu)成微分幾何解耦控制器； (4)將微分幾何解耦控制器、兩個擴展的電流滯環(huán)PWM逆變器和無軸承同步磁阻電機共同形成無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征是:步驟中(2)的具體方法是: 先建立復(fù)合被控對象的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)變量為*={$ \及'^yy 系統(tǒng)輸入為1?h 4]T,系統(tǒng)輸出為，=[?.? %]T=[^ y ?]τ ’求取系統(tǒng)的相對階數(shù)，對輸出丨=軾為不斷求導(dǎo),直到中的各分量均顯含輸入"，^3； 然后對乙求輸入u的偏導(dǎo)，經(jīng)計算Ctet士 O,無軸承同步磁阻電機系統(tǒng)的輸出JVJV_73的導(dǎo)數(shù)的最低階數(shù)分別為2、2、1，該系統(tǒng)的相對階為& #=[2 2 ^,T=Zr1 = S ,r=/?=5,滿足精確線性化的充要條件；
^filI Ljkl(X) 最后根據(jù)…=^變換可得3個虛擬輸入量M = ，新的控制律
_老)」L4Af (.*).為其中E= 為解耦矩陣，將新的控制律串接于復(fù)合被控對象之前，即得到原系統(tǒng)的精確線性化系統(tǒng)，將原復(fù)雜的非線性系統(tǒng)化簡為三個簡單的線性積分子系統(tǒng):一個一階轉(zhuǎn)速線性積分子系統(tǒng)和兩個二階位移線性積分子系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無軸承同步磁阻電機微分幾何解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征是:對一階轉(zhuǎn)速線性積分子系統(tǒng)和兩個二階位移線性積分子系統(tǒng)分別設(shè)計線性閉環(huán)控制器，線性閉環(huán)控制器由轉(zhuǎn)速控制器、K 位置控制器組成，線性閉環(huán)控制器采用線性系統(tǒng)理論中的比例積分微分控制器PID方法設(shè)計，轉(zhuǎn)速控制器采用PI控制器，^ 立置控制器均選用PID控制器。
【文檔編號】H02P21/00GK103633911SQ201310575897
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】朱熀秋, 刁小燕, 潘偉, 曹莉 申請人:江蘇大學(xué)