考慮電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆解耦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及特種交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，是一種精確的無軸承異步電機(jī)逆系 統(tǒng)解耦方法，尤其適用于構(gòu)造無軸承異步電機(jī)高性能磁懸浮運(yùn)行控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無軸承電機(jī)是基于磁軸承與交流電機(jī)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(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)雜控制對(duì)象，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；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)用于無軸承電機(jī)的 動(dòng)態(tài)解耦控制。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)對(duì)無軸承異步電機(jī)的逆系統(tǒng)解耦方法雖有一些研究，但都是以轉(zhuǎn)子磁鏈 定向控制為基礎(chǔ)，而在電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子磁鏈的辨識(shí)精度難免會(huì)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(jì)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(qiáng)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(duì)無軸承電機(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，關(guān)于無軸承電機(jī)定子磁鏈定向整體逆系統(tǒng)解耦方法，無論是否考慮繞組動(dòng)態(tài)特性，一直 未見適用的設(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)明的主要目的是公開一種考慮電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆 解耦方法，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 題是將無軸承異步電機(jī)系統(tǒng)解耦為四個(gè)線性子系統(tǒng)，提高轉(zhuǎn)子磁懸浮控制性能和動(dòng)態(tài)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(shí)現(xiàn)的。
[0006] 本發(fā)明提出一種考慮電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆解耦方法，在考 慮轉(zhuǎn)矩繞組電流動(dòng)態(tài)微分方程、不平衡轉(zhuǎn)子單邊電磁拉力的基礎(chǔ)上，建立考慮定子電流動(dòng) 態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)與定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，將定子 磁鏈定向逆系統(tǒng)串接在定子磁鏈定向原系統(tǒng)之前，使無軸承異步電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦為四個(gè) 線性子系統(tǒng)：a和0兩個(gè)徑向位移量的二階線性子系統(tǒng)、一個(gè)定子磁鏈於d的一階線性子 系統(tǒng)、一個(gè)轉(zhuǎn)速《的二階線性子系統(tǒng)，定子磁鏈定向原系統(tǒng)的輸出量包括徑向位移量a和 0、定子磁鏈及轉(zhuǎn)速《，徑向位移量a和0的二階導(dǎo)數(shù)箱和_、定子磁鏈的一階導(dǎo)數(shù) 、及轉(zhuǎn)速的二階導(dǎo)數(shù)為定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的輸入量，定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的輸出 量作為定子磁鏈定向原系統(tǒng)的輸入量，分別為懸浮繞組的d軸電流分量和q軸電流分 量(、4、轉(zhuǎn)矩繞組的d軸電壓分量Hw和q軸電壓分量巧&，其中， 所述定子磁鏈定向原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：
式中，定義原系統(tǒng)的輸入量為，系統(tǒng)狀態(tài)變 夕:@::(:襄，.德邊,A:f' _ .'*^纖截_!:，:_〗'!.:，4!著、:為:％分別為轉(zhuǎn)矩繞組定子電流的4^：由分量， |_:、|_分別為懸浮繞組定子電流的A通由分量，擁I:為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈，《為轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)角頻率，是由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的磁懸浮力系數(shù)，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，為:#、1_分別為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng) 在dq坐標(biāo)系中的定、轉(zhuǎn)子漏感，為電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的徑向位移剛度系數(shù)，

義I為轉(zhuǎn)矩繞組定子電阻，為轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子電阻，|_為而坐標(biāo)系中 的等效兩相轉(zhuǎn)矩繞組的自感，為而坐標(biāo)系中的等效兩相轉(zhuǎn)子繞組自電感，_1:為轉(zhuǎn)矩 繞組的磁極對(duì)數(shù)，刀3轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 所述定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：
式中，取逆系統(tǒng)的輸入量為，與y啤
[0007] 較佳的，前述考慮電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆解耦方法，其中所 述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(duì)稱坐標(biāo)系、dq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)電機(jī)內(nèi)部定子電流動(dòng)態(tài)微分方程和定子磁鏈定向控制的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)約束條 件，可得考慮定子電流動(dòng)態(tài)的定子磁鏈定向轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：
(3) 根據(jù)無軸承異步電機(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：
疋、巧分別為靜止a、0坐標(biāo)軸向的可控徑向懸浮力分量，分別為沿A^坐 標(biāo)軸向的氣隙磁鏈分量，其表達(dá)式為：
(4) 根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，構(gòu)造轉(zhuǎn)子徑向懸浮運(yùn)動(dòng)方程為：
式中，仿為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，_、:|i分別為轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏心時(shí)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的〇、々向 不平衡轉(zhuǎn)子單邊電磁拉力，々彳，/.:s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)； (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)矩系統(tǒng) 定子電流動(dòng)態(tài)特性的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：
o 較佳的，前述考慮電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆解耦方法，其中所述定 子磁鏈定向逆系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是由如下方法得到的： 通過Interactor算法分析可知，所述定子磁鏈定向原系統(tǒng)是可逆的，對(duì)輸出量 }"逐次對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到：
取逆系統(tǒng)輸入變量為巧:朽為夢(mèng)?，則考慮定子電流動(dòng)態(tài)特性的無 軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有下列優(yōu)點(diǎn)及有益效果： 1、 本發(fā)明在考慮定子電流動(dòng)態(tài)影響的基礎(chǔ)上，提出了無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆 系統(tǒng)解耦方法，以定子磁鏈定向逆系統(tǒng)解耦控制取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)解耦，可 有效避免轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)電機(jī)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(qiáng)耦合性的無軸承異步電機(jī)系統(tǒng)解耦為a和P兩個(gè) 徑向位移子系統(tǒng)、定子磁鏈子系統(tǒng)及電機(jī)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)四個(gè)線性子系統(tǒng)，為構(gòu)造逆解耦閉環(huán) 系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)徑向位移分量、定子磁鏈、電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的可靠解耦控制提供了基礎(chǔ)，本發(fā) 明的方法省掉了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(fù)載轉(zhuǎn)矩 乃辨識(shí)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾能力。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明考慮電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆解耦方法原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 為使本發(fā)明的內(nèi)容更明顯易懂，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0011] 本發(fā)明的核心思想是： 1)無軸承異步電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜對(duì)象，其中存在復(fù)雜的非線性 電磁耦合關(guān)系；而逆系統(tǒng)法正是適用于多變量、復(fù)雜非線性系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)解耦方法。
[0012] 2)無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的定子磁鏈，可根據(jù)其定子電壓、電流和定子電阻參 數(shù)等實(shí)時(shí)計(jì)算得到，而且不受易變轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)的影響。因此，采用定子磁鏈定向控制，可 有效避免轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)電機(jī)磁鏈計(jì)算精度的影響，從而避免轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)電機(jī)控制性能的影 響。
[0013] 3)在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，選取定子電壓為轉(zhuǎn)矩原系統(tǒng)輸入控制量，其定子電流 動(dòng)態(tài)微分方程即可被考慮進(jìn)無軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)和逆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從而轉(zhuǎn)矩原系 統(tǒng)的d、q軸間原有的交叉耦合可通過逆系統(tǒng)方法自然得到解耦，可省略掉原磁場(chǎng)定向控制 系統(tǒng)中的定子電流閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。
[0014] 4)在考慮定子電流動(dòng)態(tài)特性對(duì)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈定向控制的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出的無 軸承異步電機(jī)系統(tǒng)整體逆系統(tǒng)模型中不再含有難以預(yù)測(cè)的負(fù)載變量，可以省略掉逆系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在線辨識(shí)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0015] 5)通過逆系統(tǒng)解耦，可把非線性、強(qiáng)耦合、多變量的無軸承異步電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦 為轉(zhuǎn)速、磁鏈、兩個(gè)徑向位移分量等四個(gè)偽線性子系統(tǒng)。若在此基礎(chǔ)上再為各子系統(tǒng)配置合 適的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制器，即可實(shí)現(xiàn)無軸承異步電動(dòng)機(jī)的高性能運(yùn)行控制。
[0016] 基于上述理論基礎(chǔ)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的考慮電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向 逆解耦方法包括：考慮定子電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向原系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱原 系統(tǒng))、考慮定子電流動(dòng)態(tài)的無軸承異步電機(jī)定子磁鏈定向逆系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱逆系統(tǒng)）；所述 逆系統(tǒng)串接在原系統(tǒng)之前，使逆系統(tǒng)和原系統(tǒng)組成的無軸承異步電機(jī)系統(tǒng)被動(dòng)態(tài)解耦為四 個(gè)線性子系統(tǒng)和0兩個(gè)二階徑向位移線性子系統(tǒng)、一個(gè)一階定子磁鏈^^線性子系 統(tǒng)、一個(gè)二階轉(zhuǎn)速《線性子系統(tǒng)，該逆系統(tǒng)模型中不含難以預(yù)測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變量.本發(fā)明 具體包括如下步驟： 步驟一、建立考慮定子電流動(dòng)態(tài)的定子磁鏈定向無軸承電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 (1)定義a0為靜止兩相對(duì)稱坐標(biāo)系、dq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。忽略二極懸浮磁場(chǎng)對(duì)四極轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)的影響，考慮電機(jī)內(nèi)部定子電流動(dòng)態(tài)微分方程， 結(jié)合定子磁鏈定向控制的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)約束條件，可得到考慮定子電流動(dòng)態(tài)的定子磁鏈定向 轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：
式（1)、（2)中，飄、為轉(zhuǎn)矩繞組定子電流的么碗分量，為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)定子磁鏈