無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構造方法
2023-05-20 23:41:21 1
專利名稱：無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構造方法
技術領域：
本發明是一種無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構造方法，適用於無軸承同步磁阻電機的高性能控制。無軸承同步磁阻電機在工具機電主軸、渦輪分子泵、離心機、壓縮機、機電貯能、航空航天等特殊電氣傳動領域具有廣泛的使用前景，屬於電力傳動控制設備的技術領域。
背景技術：
無軸承同步磁阻電機的研製成功滿足了現代工業對高轉速、無潤滑、無摩擦、免維修的高性能驅動電機的要求，它是一種既具有磁軸承優良性能，又兼備同步磁阻電機特點為一體的新型電機，同傳統電機相比具有無與倫比的優點，並且同磁軸承支承的電機相比也有諸多優勢，因其轉子上省略了永磁體，也無勵磁繞組，更加適合於高速應用領域。
無軸承同步磁阻電機是一個非線性、強耦合的多變量系統。電機在帶動負載實現懸浮運行時，因轉矩電流分量的存在，致使電磁轉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，電磁轉矩的波動將導致整個控制系統的失穩。因此，負載條件下必須採用有效的解耦策略實現無軸承同步磁阻電機的多變量解耦控制。
無軸承同步磁阻電機控制的特殊性決定其無法像無軸承感應電機和無軸承永磁同步電機那樣，基於磁場定向控制進行相關公式變換即可實現上述變量間的完全解耦。基於神經網絡逆控制可以使系統獲得高性能的解耦控制，但同時也使得控制系統變得更加複雜，加大了系統實現的難度。
為實現無軸承同步磁阻電機多變量解耦控制，進而獲得負載條件下電機穩定懸浮運行，需採用一些新的控制技術和新的控制方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種既可實現負載條件下電磁轉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解耦控制，又可獲得良好的各項控制性能指標，如轉子徑向位置動、靜態調節特性及轉矩、速度調節性能的無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構造方法。
無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構造方法首先將兩個電流滯環PWM逆變器、兩個Park逆變換和兩個Clark逆變換共同組成兩個擴展的電流滯環PWM逆變器作為其後構造的前饋補償控制器的一部分；然後將被控的無軸承同步磁阻電機與兩個擴展的電流滯環PWM逆變器作為一個整體組成複合被控對象，複合被控對象的被控量是電機轉速和轉子徑向位移；接下來將解耦補償器置於其中一個複合被控子對象之前，從而實現徑向懸浮力在兩垂直方向上的解耦控制，也實現了徑向懸浮力與電磁轉矩之間的解耦控制；在此基礎上，分別設計轉速控制器、兩個轉子位置控制器，並由轉速控制器和轉子位置控制器構成線性閉環控制器；最後將線性閉環控制器、解耦補償器和兩個擴展的電流滯環PWM逆變器共同構成前饋補償控制器來對無軸承同步磁阻電機進行控制，從而實現電機的多變量解耦控制，以獲得良好的控制性能指標。
本發明通過構造解耦補償器實現負載條件下無軸承同步磁阻電機解耦控制，其特徵在於該解耦補償器的構造方法是基於徑向懸浮力計算公式的變換推導得出，電機轉矩繞組的定子兩相電壓分量給定值和轉子位置控制器輸出的徑向懸浮力命令值作為解耦補償器的輸入，解耦補償器的輸出作為徑向懸浮力的參考值；具體構成為先假定電機轉矩繞組的勵磁電流分量為id，轉矩電流分量為iq，轉子位置控制器輸出的徑向懸浮力命令值分別為fx*、Fy*，則解耦補償器輸出的x、y軸上徑向懸浮力的參考值Fx0*、Fy0*分別由公式Fx0*=(Km1idFx*+Km2iqFy*)1Km12id2+Km22iq2]]>和Fy0*=(Km2iqFx*-Km1idFy*)1Km12id2+Km22iq2]]>確定；解耦補償器中徑向懸浮力常數Km1、Km2的值是在徑向懸浮力的計算公式推導過程中得到，不同參數尺寸的無軸承同步磁阻電機對應不同的徑向懸浮力常數Km1、Km2，式中Km1=lr0N1N24802m1,Km2=lr0N1N24802m2,]]>其中l為電機有效鐵心長度，r為凸極處轉子半徑，μ0為真空磁導率，N1、N2分別為轉矩繞組和懸浮繞組每相串聯有效匝數，δ0為轉子凸極處氣隙平均長度，m1、m2為比例係數，不同的轉子極弧角度積分求解徑向懸浮力時會產生不同的值。
系統串接解耦補償器後解除了無軸承同步磁阻電機電磁轉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耦合關係，不僅實現了電磁轉矩和徑向懸浮力之間的獨立控制，而且可分別獨立實現徑向懸浮力自身在兩垂直方向上的有效控制，獲得良好得轉速和位置調節性能。採用補償解耦器得到的控制系統結構十分簡單，易於工程實現。
本發明的優點在於1.採用前饋補償解耦策略，實現了無軸承同步磁阻電機這一被控量(無軸承同步磁阻電機轉子兩個徑向位置和轉速)相互耦合的四輸入(無軸承同步磁阻電機的兩個位置給定、轉速給定及勵磁給定)三輸出(無軸承同步磁阻電機轉子的兩個徑向位置和轉速)複雜非線性強耦合系統的解耦控制，並可進一步優化設計線性閉環控制器，可獲得高性能的轉速、位置控制以及抗負載擾動的懸浮運行性能。
2.採用前饋補償控制器實現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於磁場定向僅僅進行公式變換無法實現解耦控制這一難題，同時克服了採用神經網絡逆等控制算法使得控制系統更加複雜和實現難度加大等缺陷，採用前饋補償控制器的無軸承同步磁阻電機控制系統結構最為簡單，實現方便，響應快速，系統具有良好的實時性。
本發明可用於構造前饋補償控制器對無軸承同步磁阻電機負載懸浮運行進行有效解耦控制，可獲得良好的控制性能，具有很高的應用價值。
圖1是由電流滯環PWM逆變器22與坐標變換21共同組成的擴展的電流滯環PWM逆變器2的結構圖。其中坐標變換21由Park逆變換和Clark逆變換組成。
圖2是以擴展的電流滯環PWM逆變器2驅動的無軸承同步磁阻電機1的原理結構圖(複合被控對象4)。其中有無軸承同步磁阻電機1(轉矩繞組和懸浮繞組)、兩個擴展的電流滯環PWM逆變器2。
圖3是無軸承同步磁阻電機1(轉矩繞組)的數學模型示意圖和對應的擴展的電流滯環PWM逆變器2的原理結構圖，以及由兩者組成的等效框圖(複合被控子對象41)。
圖4是無軸承同步磁阻電機1(懸浮繞組)的數學模型示意圖和對應的擴展的電流滯環PWM逆變器2的原理結構圖，以及由兩者組成的等效框圖(複合被控子對象42)。
圖5是無軸承同步磁阻電機四輸入(兩擴展的電流滯環PWM逆變器的輸入)和三輸出(無軸承同步磁阻電機轉速和轉子徑向位移)的等效框圖(複合被控對象4)。
圖6是無軸承同步磁阻電機解耦補償器3的具體原理結構圖。
圖7是由線性閉環控制器5、解耦補償器3和複合被控對象4組成的整個控制系統的原理框圖。
圖8是採用前饋補償控制器6對無軸承同步磁阻電機1進行控制的完整的原理框圖。
圖9是採用單DSP作為前饋補償控制器的本發明裝置組成示意圖。其中有DSP控制器70、光電編碼器71、電渦流位移傳感器72。
圖10是以DSP為控制器的實現本發明的系統軟體框圖。
具體實施例方式
本發明的實施方案是首先由電流滯環PWM逆變器、Park逆變換和Clark逆變換共同形成擴展的電流滯環PWM逆變器，此擴展的電流滯環PWM逆變器作為整個前饋補償控制器的一個組成部分。其次將兩個擴展的電流滯環PWM逆變器與無軸承同步磁阻電機構成一個複合被控對象，該複合被控對象由無軸承同步磁阻電機轉矩繞組和懸浮繞組分別對應的兩個複合被控子對象組成；再將補償解耦器串接在無軸承同步磁阻電機懸浮繞組對應的一個複合被控子對象之前，實現系統的解耦控制；採用PID或其他設計方法，分別構出轉速控制器和兩個轉子位置控制器組成的線性閉環控制器。最終形成由線性閉環控制器、解耦補償器、擴展的電流滯環PWM逆變器共3個部分組成的前饋補償控制器，來對無軸承同步磁阻電機進行控制。根據不同的控制要求，可選擇不同的硬體和軟體來實現。
具體實施分以下5步1.構造擴展的電流滯環PWM逆變器。首先由Park逆變換和Clark逆變換組成坐標變換，之後將該坐標變換與常用的電流滯環PWM逆變器共同組成擴展的電流滯環PWM逆變器，此擴展的電流滯環PWM逆變器以電機轉矩繞組的兩個定子電壓分量給定值或解耦補償器輸出的徑向懸浮力參考值為其輸入(如圖1所示)。此擴展的電流滯環PWM逆變器將作為整個前饋補償控制器的一個組成部分。
2.形成複合被控對象。將構造好的兩個擴展的電流滯環PWM逆變器與無軸承同步磁阻電機組成複合被控對象，該複合被控對象以電機轉矩繞組兩個定子電壓分量給定值和解耦補償器輸出的徑向懸浮力參考值為其輸入，電機轉速和轉子兩個徑向位移為其輸出(如圖2、圖3、圖4和圖5所示)。
3.構造解耦補償器。從徑向懸浮力的解析計算公式出發，經過一些相應的公式推導和等效變換，得出解耦補償器的等效數學模型(如圖6所示)。解耦補償器的輸出作為無軸承同步磁阻電機懸浮繞組對應的一個擴展的電流滯環PWM逆變器的輸入。
4.構造線性閉環控制器。對轉速子系統和位置子系統分別設計出線性閉環控制器(如圖7左圖虛線框內所示)。線性閉環控制器採用線性系統理論中的比例積分微分控制器PID等方法來設計，在本發明給出的實施例中，轉速控制器採用PI控制器，兩個轉子位置控制器均選用PID控制器，其參數整定為轉速控制器為PI=110+201S,]]>兩個轉子位置控制器為PID=1200+1001S+2S,]]>控制器的參數根據實際控制對象需進行調整。
5.形成前饋補償控制器。將解耦補償器、線性閉環控制器、兩個擴展的電流滯環PWM逆變器共同形成前饋補償控制器(如圖8中大虛框所示)。可根據不同的控制要求採用不同的硬體和軟體來實現。
圖9給出了本發明的一種具體實施例的示意圖，其中解耦補償器、閉環控制器、坐標變換等由數位訊號處理器即DSP控制器通過軟體來實現。
圖10給出了系統實現的軟體流程框圖，數字控制系統軟體主要由主程序模塊和中斷服務子程序模塊組成。圖10中左圖為主程序模塊，主要完成初始化、顯示初值、循環等待等功能，圖10中右圖為無軸承同步磁阻電機轉速、位置控制中斷服務子程序模塊，是系統實現的核心程序模塊，主要完成無軸承同步磁阻電機電磁轉矩和徑向懸浮力的解耦獨立控制。
根據以上所述，便可實現本發明。
權利要求
1.一種無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構造方法，其特徵在於首先將兩個電流滯環PWM逆變器、兩個Park逆變換和兩個Clark逆變換共同組成兩個擴展的電流滯環PWM逆變器作為其後構造的前饋補償控制器的一部分，把被控的無軸承同步磁阻電機(1)與擴展的電流滯環PWM逆變器(2)作為一個整體組成複合被控對象(4)；進而將解耦補償器(3)串接在複合被控子對象(42)之前，以實現電機電磁轉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解耦控制；在此基礎上，對電機轉速和轉子徑向位置分別設計一個轉速控制器(51)和兩個轉子位置控制器(52、53)來構成線性閉環控制器(5)；最後將線性閉環控制器(5)、解耦補償器(3)以及擴展的電流滯環PWM逆變器(2)共同構成前饋補償控制器(6)來對無軸承同步磁阻電機進行控制。
2.根據權利要求l所述的無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構造方法，其特徵在於解耦補償器(3)的構造方法是基於徑向懸浮力計算公式的變換推導得出，電機轉矩繞組的定子兩相電壓分量給定值和轉子位置控制器(52、53)輸出的徑向懸浮力命令值作為解耦補償器(3)的輸入，解耦補償器(3)的輸出作為徑向懸浮力的參考值；具體構成為先假定電機轉矩繞組的勵磁電流分量為id，轉矩電流分量為iq，轉子位置控制器(52、53)輸出的徑向懸浮力命令值分別為Fx*、Fy*，則解耦補償器(3)輸出的x、y軸上徑向懸浮力的參考值Fx0*、Fy0*分別由公式Fx0*=(Km1idFx*+Km2iqFy*)1Km12id2+Km22iq2]]>和Fy0*=(Km2iqFx*-Km1idFy*)1Km12id2+Km22iq2]]>確定。
3.根據權利1所述的無軸承同步磁阻電機前饋補償控制器的構造方法，其特徵在於解耦補償器(3)中徑向懸浮力常數Km1、Km2的值是在徑向懸浮力的計算公式推導過程中得到，不同參數尺寸的無軸承同步磁阻電機對應不同的徑向懸浮力常數Km1、Km2，式中Km1=lr0N1N24802m1,]]>Km2=lr0N1N24802m2,]]>其中l為電機有效鐵心長度，r為凸極處轉子半徑，μ0為真空磁導率，N1、N2分別為轉矩繞組和懸浮繞組每相串聯有效匝數，δ0為轉子凸極處氣隙平均長度，m1、m2為比例係數，不同的轉子極弧角度積分求解徑向懸浮力時會產生不同的值。
全文摘要
本發明涉及無軸承同步磁阻電機的前饋補償控制器的構造方法，適用於無軸承同步磁阻電機負載條件下解耦控制。其將兩個擴展的電流滯環PWM逆變器、被控的無軸承同步磁阻電機作為一個整體組成複合被控對象；將解耦補償器串接在無軸承同步磁阻電機懸浮繞組對應的複合被控子對象之前，實現整個系統的解耦控制；對電機轉速和轉子徑向位置設計線性閉環控制器，最後將線性閉環控制器、解耦補償器、擴展的電流滯環PWM逆變器一起形成前饋補償控制器；通過調整轉子位置控制器中2個PID控制參數和轉速控制器中1個PI控制參數，能使無軸承同步磁阻電機獲得良好的動靜態性能，實現方便，響應快速，系統具有良好的實時性，具有很高的應用價值。
文檔編號H02P21/00GK1885708SQ20061008534
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月12日 優先權日2006年6月12日
發明者朱熀秋, 張漢年 申請人:江蘇大學