本發(fā)明屬于電力傳動控制設備的
技術領域：
，涉及一種多變量、非線性、強耦合、的無軸承永磁同步電機，無軸承永磁同步電機在密封泵、高速精密機械加工、航空航天、飛輪儲能、生命科學、真空技術等領域均具有廣泛的應用，適用于多種無軸承電機的高性能控制，通過對電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力進行解耦控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和運行。
背景技術：
：要實現(xiàn)無軸承永磁同步電機的精確控制，首先要對轉(zhuǎn)矩與懸浮力進行解耦。采用矢量控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩與懸浮力的精確解耦，但同時也給控制系統(tǒng)帶來大量的復雜的矢量變換計算，不利于控制系統(tǒng)性能的提高。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)有著算法簡單、魯棒性高等優(yōu)點，能夠彌補矢量控制策略存在的不足，它摒棄了矢量控制中系統(tǒng)過多依賴于電機參數(shù)以及矢量坐標變換的復雜性使得實際的控制效果難以達到理論分析的結(jié)果的控制思想，采用定子磁鏈定向和瞬時空間矢量理論，直接對電機定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩進行控制，是一種高性能變頻調(diào)速控制方法，具有對電機模型參數(shù)的依賴程度小的優(yōu)點。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制策略是：定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩是根據(jù)當前采樣點的電壓與電流值計算得到，并根據(jù)DTC策略得到相應的目標電壓矢量，理想情況下該電壓矢量在采樣點k時刻施加，在k+1時刻使轉(zhuǎn)矩與磁鏈達到給定值，但由于采樣及數(shù)字計算的延遲，期望電壓矢量實際上是在一個采樣周期后，即k+l時刻施加，在k+2時刻才使轉(zhuǎn)矩與磁鏈達到給定值，這使得轉(zhuǎn)矩與磁鏈的響應始終滯后一個開關周期，降低了電機系統(tǒng)的運行性能。因此，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制策略中，由于采樣和計算的延時，使目標電壓矢量只能在下一個采樣周期才能作用于系統(tǒng)，這樣就使磁鏈、轉(zhuǎn)矩和懸浮力的響應始終滯后一個周期，造成磁鏈、轉(zhuǎn)矩和懸浮力的波動變大。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決無軸承永磁同步電機采用傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制存在的問題，提出一種新的無軸承永磁同步電機預測控制器及該預測控制器的構(gòu)造方法，預測控制器能預測無軸承永磁同步電機下一時刻的磁鏈、轉(zhuǎn)矩和懸浮力，減小由于采樣和數(shù)字計算的延遲造成的控制誤差，削弱控制延時造成轉(zhuǎn)矩、磁鏈和懸浮力的波動。本發(fā)明無軸承永磁同步電機預測控制器采用的技術方案是：包含電流傳感器和Clack變換器，電流傳感器的輸出端連接Clark變換器的輸入端，Clark變換器的輸出端分別連接轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊以及懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊的輸入端，懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊的輸出端連接懸浮力繞組磁鏈預測模塊的輸入端，懸浮力繞組磁鏈預測模塊的輸出端連接懸浮力觀測模塊的輸入端；所述轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊的輸出端分別連接轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊和轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊的輸入端，轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊的輸出端分別連接懸浮力觀測模塊、電壓變換模塊和懸浮力與電壓變換模塊的輸入端，轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊的輸出端依次串接第一SVPWM和第一電壓型逆變器；懸浮力與電壓變換模塊的輸出端依次串接第二SVPWM和第二電壓型逆變器。進一步地，電流傳感器檢測到懸浮力繞組上的電流i2a、i2b、i2c和轉(zhuǎn)矩繞組上的電流i1a、i1b、i1c，與第一電壓型逆變器的直流電壓UDC1和第二電壓型逆變器的直流電壓UDC2一起輸入Clark變換器，Clark變換器輸出α-β坐標系下的懸浮力繞組上的電流i2α、i2β、電壓u2α、u2β和轉(zhuǎn)矩繞組上的電流i1α、i1β、電壓u1α、u1β；電流i2α、i2β和電壓u2α、u2β輸入懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊，懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊初始觀測下的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k)及相位λ，懸浮力繞組磁鏈預測模塊輸出下一時刻的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k+1)及相位λ；電流i1α、i1β和電壓u1α、u1β輸入到轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊，轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊輸出初始觀測下的初始轉(zhuǎn)矩Te(k)、磁鏈ψs1(k)和相位角θ，轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊輸出預測的下一時刻的轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈幅值ψs1(k+1)、轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)、相位μ和預測的下一時刻轉(zhuǎn)矩Te(k+1)，轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈幅值ψs1(k+1)輸入轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊，轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)及相位μ輸入懸浮力觀測模塊和懸浮力與電壓變換模塊，懸浮力觀測模塊輸出懸浮力的值Fα(k+1)、Fβ(k+1)。本發(fā)明無軸承永磁同步電機預測控制器的構(gòu)造方法采用的技術方案是：首先構(gòu)造轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊，再依次構(gòu)造轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊、轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊、構(gòu)造懸浮力與電壓變換模塊、懸浮力觀測器、懸浮力繞組初始磁鏈觀測模塊和懸浮力繞組磁鏈預測模塊，最后由所構(gòu)造的7個模塊與第一、第二電壓型逆變器、第一、第二SVPWM以及兩個PID調(diào)節(jié)器、兩個PI調(diào)節(jié)器一起共同構(gòu)成無軸承永磁同步電機預測控制器。本發(fā)明采用上述技術方案后的優(yōu)點在于：1、本發(fā)明采用轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制來實現(xiàn)無軸承永磁同步電機的高性能控制，將無軸承永磁同步電機復雜非線性強耦合系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子徑向懸浮力控制問題轉(zhuǎn)化為簡單的直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制系統(tǒng)，很容易實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力之間的直接控制。具有控制結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速響應快，優(yōu)良的動靜態(tài)性能，對電機參數(shù)表現(xiàn)出強的魯棒性等優(yōu)點，擺脫了傳統(tǒng)矢量控制過多依賴于電機參數(shù)、復雜的矢量坐標變換、電流跟蹤型逆變器開關頻率高的缺點。也擺脫了處于開環(huán)狀態(tài)的懸浮力矢量控制對懸浮力控制精度和動態(tài)響應性能的限制。2、本發(fā)明無軸承永磁同步電機預測控制器采用預測直接轉(zhuǎn)矩和預測直接懸浮力控制策略，能通過當前采樣周期的磁鏈和轉(zhuǎn)矩預測出下一周期磁鏈、轉(zhuǎn)矩和懸浮力值，利用初始觀測的轉(zhuǎn)矩、磁鏈、懸浮力的值，得出相應的目標電壓矢量，在下一周期就能施加合適的電壓矢量。避免延時帶來的轉(zhuǎn)矩、懸浮力脈動和磁鏈紋波等問題，有效彌補了時間延時對系統(tǒng)性能的影響。同時也保留了傳統(tǒng)SVM調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制優(yōu)良的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)性能和魯棒性。附圖說明圖1是本發(fā)明無軸承永磁同步電機預測控制器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是圖1中的轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1的構(gòu)造原理圖；圖3是圖1中的轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊2的構(gòu)造原理圖；圖4是圖1中的轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3的構(gòu)造原理圖；圖5是圖1中的懸浮力與電壓變換模塊4的構(gòu)造原理圖；圖6是圖1中的懸浮力觀測模塊5的構(gòu)造原理圖；圖7是圖1中的懸浮力繞組初始磁鏈觀測模塊6的構(gòu)造原理圖；圖8是圖1中的懸浮力繞組磁鏈預測模塊7的構(gòu)造原理圖。圖中：1.轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊；2.轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊；3.轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊；4.懸浮力與電壓變換模塊；5.懸浮力觀測模塊；6.懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊；7.懸浮力繞組磁鏈預測模塊；8.永磁同步電機預測控制器；9.Clack變換器；10、11.SVPWM；12、13.PI調(diào)節(jié)器；14、15.PID調(diào)節(jié)器；16.光電編碼器；17、18.電渦流位移傳感器；19.電壓型逆變器；20.電壓型逆變器；21.電流傳感器；22.預測直接懸浮力控制器；23.預測直接轉(zhuǎn)矩控制器。具體實施方式參見圖1，本發(fā)明無軸承永磁同步電機預測控制器8包含電流傳感器21、Clack變換器9、預測直接懸浮力控制器22和預測直接轉(zhuǎn)矩控制器23。其中，預測直接懸浮力控制器22由電壓型逆變器19、SVPWM11(即空間矢量脈寬調(diào)制模塊11)、懸浮力與電壓變換模塊4、懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊6、懸浮力繞組磁鏈預測模塊7、懸浮力觀測模塊5以及PID調(diào)節(jié)器14和PID調(diào)節(jié)器15組成。預測直接轉(zhuǎn)矩控制器23由轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1、轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊2、電壓型逆變器20、SVPWM10、轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3以及PI調(diào)節(jié)器12和PI調(diào)節(jié)器13組成。電流傳感器21檢測無軸承永磁同步電機的懸浮力繞組上的電流i2a、i2b、i2c和轉(zhuǎn)矩繞組上的電流i1a、i1b、i1c，電流傳感器21的輸出端連接Clark變換器9的輸入端，Clark變換器9的輸出端分別連接轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1以及懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊6的輸入端。同時將電壓型逆變器20的直流電壓UDC1和電壓型逆變器19的直流電壓UDC2也輸入Clark變換器9。Clark變換器9對輸入信號進行處理，懸浮力繞組上的電流i2a、i2b、i2c生成α-β坐標系下的電流i2α、i2β、電壓u2α、u2β，轉(zhuǎn)矩繞組上的電流i1a、i1b、i1c生成α-β坐標系下的電流i1α、i1β、電壓u1α、u1β。Clark變換器9輸出電流i2α、i2β、電壓u2α、u2β、電流i1α、i1β、電壓u1α、u1β信號。其中的電流i2α、i2β、電壓u2α、u2β信號輸入到懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊6，得到初始觀測下的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k)及相位λ。懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊6的輸出端連接懸浮力繞組磁鏈預測模塊7的輸入端，懸浮力繞組磁鏈預測模塊7的輸出端連接懸浮力觀測模塊5。浮力繞組磁鏈幅值ψs2及相位λ經(jīng)過懸浮力繞組磁鏈預測模塊7，得到觀測出的下一時刻的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k+1)及相位λ。將懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k+1)及相位λ輸入到懸浮力觀測模塊5，將轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊2輸出的預測出的轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)及相位μ也輸入懸浮力觀測模塊5，懸浮力觀測模塊5根據(jù)輸入的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k+1)、相位λ以及轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)、相位μ計算出預測實時的懸浮力的值Fα(k+1)和Fβ(k+1)并輸出。其中的電流i1α、i1β、、電壓u1α、u1β信號輸入到轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1，轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1的輸出端分別連接轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊2和轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3的輸入端，轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊2的輸出端分別連接懸浮力觀測模塊5、電壓變換模塊3和懸浮力與電壓變換模塊4的輸入端，電壓變換模塊3的輸出端連接依次串接SVPWM10和電壓型逆變器20，電壓型逆變器20控制無軸承永磁同步電機的。轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1對輸入的電流i1α、i1β、、電壓u1α、u1β信號進行處理，得到初始觀測下的初始轉(zhuǎn)矩Te(k)、磁鏈ψs1(k)和相位角θ，將初始轉(zhuǎn)矩Te(k)、磁鏈ψs1(k)與電壓u1α、u1β輸入到轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊2，生成預測的下一時刻的轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈幅值ψs1(k+1)、轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)、相位μ和預測的下一時刻轉(zhuǎn)矩Te(k+1)。其中，轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)和相位μ分別輸入懸浮力觀測模塊5和懸浮力與電壓變換模塊4。采用光電編碼器16檢測無軸承永磁同步電機轉(zhuǎn)子的實際實際轉(zhuǎn)速ω，將實際轉(zhuǎn)速ω與轉(zhuǎn)速指令值ω*的比較得到的轉(zhuǎn)速差值輸入到PI調(diào)節(jié)器12中，調(diào)制后生成轉(zhuǎn)矩指令值然后與轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊2輸出的下一時刻轉(zhuǎn)矩Te(k+1)比較得到差值，將該轉(zhuǎn)矩差值輸入到PI調(diào)節(jié)器13中進行調(diào)制得到轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈相位角增量Δδ；將磁鏈相位角增量Δδ、磁鏈指令值下一時刻的轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈幅值ψs1(k+1)和相位角θ輸入到轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3中，電壓變換模塊3生成兩相靜止坐標下的控制轉(zhuǎn)矩的電壓指令值和將電壓指令值和變量輸入到空間脈寬調(diào)制模塊SVPWM10中得到逆變器開關信號S1a、S1b、S1c，再輸入給電壓型逆變器20，電壓型逆變器20控制無軸承永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩繞組。其中UDC1為電壓型逆變器20的直流電壓，也被稱為母線電壓。采用電渦流位移傳感器17和電渦流位移傳感器18分別檢測無軸承永磁同步電機轉(zhuǎn)子的x軸與y軸的實時徑向位移值x、y，將實時徑向位移值x、y分別與轉(zhuǎn)子位移指令值x*、y*分別對應地進行比較得到位移差值，將兩組位移差值各輸入到對應PID調(diào)節(jié)器中，即x軸位移差值輸入到PID調(diào)節(jié)器14中，y軸位移差值輸入到PID調(diào)節(jié)器15中，PID調(diào)節(jié)器14調(diào)制后生成x軸懸浮力指令值PID調(diào)節(jié)器15調(diào)制后生成y軸懸浮力指令值兩個浮力指令值分別與懸浮力觀測模塊5輸出的實時懸浮力Fα(k+1)和Fβ(k+1)進行比較得到對應的力的差值ΔFα和ΔFβ。將力的差值信號ΔFα和ΔFβ以及預測出的轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)和相位μ輸入到懸浮力與電壓變換模塊4，最終生成改變氣隙平衡磁場的電壓指令值和懸浮力與電壓變換模塊4的輸出端依次串接空間脈寬調(diào)制模塊SVPWM11和電壓型逆變器19。然后將電壓指令值和變量輸入到SVPWM11中得到逆變器開關信號S2a、S2b、S2c，再輸入給電壓型逆變器19，此電壓型逆變器19控制無軸承永磁同步電機的懸浮力繞組。無軸承永磁同步電機預測控制器8的具體構(gòu)造方案分以下8步：1、如圖2所示，首先構(gòu)造轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1。初始觀測下的轉(zhuǎn)矩Te(k)、磁鏈ψs1(k)和相位角θ的產(chǎn)生是由以下幾個變量得到的：α-β坐標系下轉(zhuǎn)矩繞組的電流i1α、i1β，電壓u1α、u1β、定子繞組電阻Rs、轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)np，根據(jù)以下表達式構(gòu)造轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1：ψs1α=∫(u1α-Rsi1α)dtψs1β=∫(u1β-Rsi1β)dt|ψs1(k)|=ψs1α2+ψs1β2θ=arctan(ψs1β/ψs1α).]]>Te(k)＝3np(ψs1ai1β-ψs1βi1α)/22、如圖3所示，構(gòu)造轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩預測模塊2。為了獲取預測的下一時刻的轉(zhuǎn)矩Te(k+1)、轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈幅值ψs1(k+1)、轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)和相位μ。需要由轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1提供的初始觀測的轉(zhuǎn)矩Te(k)、磁鏈ψs1(k)以及α-β坐標系下轉(zhuǎn)矩繞組的電壓u1α、u1β，下一時刻的磁鏈由初始磁鏈經(jīng)過一個采樣周期Ts推算得到；下一時刻d-q軸的轉(zhuǎn)矩繞組電流i1d(k+1)、i1q(k+1)由初始轉(zhuǎn)矩繞組的電流i1d(k)、i1q(k)、電壓u1d、u1q、初始轉(zhuǎn)速ω(k)、繞組電感Ld、Lq、永磁磁鏈ψf經(jīng)過一個采樣周期Ts推算得到；這樣就可以根據(jù)磁鏈和電流的關系，估算出下一時刻的轉(zhuǎn)矩Te(k+1)。其計算過程如下：ψs1α(k+1)=ψs1α(k)+[u1α-Rsi1α(k)]Tsψs1β(k+1)=ψs1β(k)+[u1β-Rsi1β(k)]Ts|ψs1(k+1)|=ψs1α(k+1)2+ψs1β(k+1)2]]>i1d(k+1)=i1d(k)+u1d-Rsiid(k)+ω(k)Lqi1q(k)LdTsi1q(k+1)=i1q(k)+u1q-Rsi1q(k)-ω(k)ψf-ω(k)Ldi1d(k)LqTs,]]>Te(k+1)=32np[ψs1α(k+1)i1β(k+1)-ψs1β(k+1)i1α(k+1)]]]>轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)由預測的轉(zhuǎn)矩繞組的磁鏈減去漏感L1l產(chǎn)生的磁鏈，由下式可得：ψm1α(k+1)=ψs1α(k+1)-L1li1α(k+1)ψm1β(k+1)=ψs1β(k+1)-L1li1β(k+1)|ψm1(k+1)|=ψm1α2(k+1)+ψm1β2(k+1)μ=arctan(ψm1β(k+1)/ψm1α(k+1)).]]>3、如圖4所示，構(gòu)造轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3。轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3由轉(zhuǎn)矩繞組預測磁鏈ψs1(k+1)與相位θ、給定參考磁鏈和磁鏈相位角增量Δδ，得到兩相靜止坐標下的控制轉(zhuǎn)矩的電壓指令值和按下式構(gòu)造轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3：usα*=Rsi1α(k+1)+|ψs1*|cos(θ+Δδ)-|ψs1(k+1)|cosθTsusβ*=Rsi1β(k+1)+|ψs1*|sin(θ+Δδ)-|ψs1(k+1)|sinθTs,]]>其中，i1α(k+1)、i1β(k+1)是α-β軸的轉(zhuǎn)矩繞組電流，Rs是定子繞組電阻Rs。4、如圖5所示，構(gòu)造懸浮力與電壓變換模塊4。懸浮力與電壓變換模塊4由懸浮力指令值和和預測值Fα(k+1)和Fβ(k+1)的比較差值ΔFα和ΔFβ、轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)和相位μ計算得到：u2α*=Rsi2α+KM-1ψm1-1(k+1)(ΔFαcosμ+ΔFβsinμ)u2β*=Rsi2β+KM-1ψm1-1(k+1)(ΔFαsinμ-ΔFβcosμ),]]>其中，i2α、i2β是α-β坐標系下的電流。5、如圖6所示，構(gòu)造懸浮力觀測器5。由于輸入的磁鏈均為預測的下一時刻的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k+1)和相位λ、轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈幅值ψm1(k+1)和相位μ計算得到，所以該懸浮力的值也為預測的下一時刻的值Fα(k+1)和Fβ(k+1)。這與x軸與y軸位移的指令值與測量值的差經(jīng)PID調(diào)制后得到的懸浮力指令值和進行比較得到差值ΔFα和ΔFβ，采用下式構(gòu)造出懸浮力觀測器5：Fα(k+1)=KMψm1(k+1)ψs2(k+1)cos(λ-μ)Fβ(k+1)=KMψm1(k+1)ψs2(k+1)sin(λ-μ),]]>其中KM的表達式為：式中：p1、p2分別為轉(zhuǎn)矩繞組磁場與懸浮力繞組磁場等效極對數(shù)；l為電機轉(zhuǎn)子鐵心有效長度；r為轉(zhuǎn)子半徑；n1、n2為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組每相串聯(lián)的有效匝數(shù)；μ0為空氣磁導率。6、如圖7所示，構(gòu)造懸浮力繞組初始磁鏈觀測模塊6。電流傳感器21檢測到懸浮力繞組上的電流i2a、i2b、i2c，加上電壓型逆變器19的直流電壓UDC2，經(jīng)過Clark變換器9生成α-β坐標系下的電流電壓i2α、i2β、u2α、u2β，將這些電流電壓信號輸入到該模塊中，經(jīng)如下推導：ψs2α(k)=∫(u2α-Rsi2α)dtψs2β(k)=∫(u2β-Rsi2β)dt|ψs2(k)|=ψs2α2(k)+ψs2β2(k)λ=arctan(ψs2β(k)/ψs2α(k)),]]>得到初始觀測下的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2及相位λ。7、如圖8所示，構(gòu)造懸浮力繞組磁鏈預測模塊7。懸浮力繞組初始磁鏈觀測模塊6得出的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k)在α-β坐標下的磁鏈ψs2α(k)和ψs2β(k)及相位λ作為輸入量，加上定子繞組電阻Rs、采樣周期Ts，可以預測出下一時刻的懸浮力繞組磁鏈幅值ψs2(k+1)：ψs2α(k+1)=ψs2α(k)+(u2α-Rsi2α)Tsψs2β(k+1)=ψs2β(k)+(u2β-Rsi2β)Ts|ψs2(k+1)|=ψs2α2(k+1)+ψs2β2(k+1).]]>8、最終由上述7個大模塊，再與電壓型逆變器20、電壓型逆變器19、SVPWM10、SVPWM11以及兩個PID調(diào)節(jié)器14、15、兩個PI調(diào)節(jié)器12、13一起共同組成完整的無軸承永磁同步電機預測控制器8，如圖1所示，即預測直接轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器，可根據(jù)不同的控制要求采用不同的硬件或軟件來實現(xiàn)。本發(fā)明所述的無軸承永磁同步電機預測控制器8對電機控制時，對于轉(zhuǎn)矩部分，采用Clark變換器9實時計算電機的轉(zhuǎn)矩繞組相電流與電壓型逆變器直流電壓，然后轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)矩初始觀測模塊1檢測出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的初始值，經(jīng)由轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈和轉(zhuǎn)矩預測模塊2來獲取直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制所需的無軸承永磁同步電機繞組磁鏈、轉(zhuǎn)矩和懸浮力的相關信息；再將所預測的繞組實時磁鏈應用于懸浮力觀測模塊5、轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3和懸浮力與電壓變換模塊4。其次將轉(zhuǎn)速指令值和實時轉(zhuǎn)速進行比較得到轉(zhuǎn)速差值，通過PI調(diào)制后生成轉(zhuǎn)矩指令值。然后將轉(zhuǎn)矩指令值與轉(zhuǎn)矩實時預測值進行比較得到轉(zhuǎn)矩差值，通過PI調(diào)制后生成轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈相位角增量。再根據(jù)磁鏈幅值指令值、實時繞組轉(zhuǎn)矩分量預測磁鏈幅值和相位在轉(zhuǎn)矩與電壓變換模塊3中生成電壓靜止坐標指令值，將得到兩組電壓靜止坐標指令值通入空間矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM10調(diào)制后得到電壓型逆變器開關信號，驅(qū)動電壓型逆變器實現(xiàn)無軸承永磁同步電機轉(zhuǎn)矩的預測控制。對于懸浮力部分，采用同一個Clark變換器9實時計算懸浮力繞組定子相電流和電壓型逆變器直流電壓，然后懸浮力繞組磁鏈初始觀測模塊6檢測出磁鏈的初始值，通過懸浮力繞組磁鏈預測模塊7獲取下一時刻的磁鏈信息。懸浮力觀測模塊5將預測懸浮力繞組磁鏈的幅值和相位，結(jié)合預測轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈的幅值和相位實時計算出預測懸浮力靜止坐標分量的值。其次將轉(zhuǎn)子位置指令值與電渦流位移傳感器17、18獲得的實際位移值分別進行比較得到位移差值。再經(jīng)PID調(diào)制后生成懸浮力指令值，然后將懸浮力指令值與實時預測到的下一時刻的懸浮力比較得到懸浮力差值通入懸浮力與電壓變換模塊4生成電壓靜止坐標指令值。將得到兩組電壓靜止坐標指令值通入空間矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM11調(diào)制后得到電壓型逆變器19的開關信號，驅(qū)動逆變器實現(xiàn)無軸承永磁同步電機懸浮力的預測控制。該種預測控制的結(jié)構(gòu)簡單，響應速度快，確保電機轉(zhuǎn)子懸浮的穩(wěn)定性和運行的魯棒性。通過當前采樣周期的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值來預測出下一周期磁鏈和轉(zhuǎn)矩值，得出相應的目標電壓矢量，在下一周期就能施加合適的電壓矢量，避免延時帶來的紋波問題。既可使無軸承永磁同步電機具有優(yōu)良的動、靜態(tài)控制性能，抗電機參數(shù)變化及抗負載擾動能力強，又能有效地提高無軸承永磁同步電機的各項控制性能指標，如動態(tài)響應速度、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。當前第1頁1 2 3