專利名稱：無軸承同步磁阻電機(jī)前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種無軸承同步磁阻電機(jī)前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法，適用于無軸承同步磁阻電機(jī)的高性能控制。無軸承同步磁阻電機(jī)在機(jī)床電主軸、渦輪分子泵、離心機(jī)、壓縮機(jī)、機(jī)電貯能、航空航天等特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域具有廣泛的使用前景，屬于電力傳動(dòng)控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無軸承同步磁阻電機(jī)的研制成功滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高轉(zhuǎn)速、無潤滑、無摩擦、免維修的高性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，它是一種既具有磁軸承優(yōu)良性能，又兼?zhèn)渫酱抛桦姍C(jī)特點(diǎn)為一體的新型電機(jī)，同傳統(tǒng)電機(jī)相比具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，并且同磁軸承支承的電機(jī)相比也有諸多優(yōu)勢，因其轉(zhuǎn)子上省略了永磁體，也無勵(lì)磁繞組，更加適合于高速應(yīng)用領(lǐng)域。
無軸承同步磁阻電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。電機(jī)在帶動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)懸浮運(yùn)行時(shí)，因轉(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(dòng)將導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的失穩(wěn)。因此，負(fù)載條件下必須采用有效的解耦策略實(shí)現(xiàn)無軸承同步磁阻電機(jī)的多變量解耦控制。
無軸承同步磁阻電機(jī)控制的特殊性決定其無法像無軸承感應(yīng)電機(jī)和無軸承永磁同步電機(jī)那樣，基于磁場定向控制進(jìn)行相關(guān)公式變換即可實(shí)現(xiàn)上述變量間的完全解耦?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制可以使系統(tǒng)獲得高性能的解耦控制，但同時(shí)也使得控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，加大了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度。
為實(shí)現(xiàn)無軸承同步磁阻電機(jī)多變量解耦控制，進(jìn)而獲得負(fù)載條件下電機(jī)穩(wěn)定懸浮運(yùn)行，需采用一些新的控制技術(shù)和新的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既可實(shí)現(xiàn)負(fù)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解耦控制，又可獲得良好的各項(xiàng)控制性能指標(biāo)，如轉(zhuǎn)子徑向位置動(dòng)、靜態(tài)調(diào)節(jié)特性及轉(zhuǎn)矩、速度調(diào)節(jié)性能的無軸承同步磁阻電機(jī)前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法。
無軸承同步磁阻電機(jī)前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法首先將兩個(gè)電流滯環(huán)PWM逆變器、兩個(gè)Park逆變換和兩個(gè)Clark逆變換共同組成兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器作為其后構(gòu)造的前饋補(bǔ)償控制器的一部分；然后將被控的無軸承同步磁阻電機(jī)與兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器作為一個(gè)整體組成復(fù)合被控對象，復(fù)合被控對象的被控量是電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子徑向位移；接下來將解耦補(bǔ)償器置于其中一個(gè)復(fù)合被控子對象之前，從而實(shí)現(xiàn)徑向懸浮力在兩垂直方向上的解耦控制，也實(shí)現(xiàn)了徑向懸浮力與電磁轉(zhuǎn)矩之間的解耦控制；在此基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制器、兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器，并由轉(zhuǎn)速控制器和轉(zhuǎn)子位置控制器構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；最后將線性閉環(huán)控制器、解耦補(bǔ)償器和兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器共同構(gòu)成前饋補(bǔ)償控制器來對無軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的多變量解耦控制，以獲得良好的控制性能指標(biāo)。
本發(fā)明通過構(gòu)造解耦補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)負(fù)載條件下無軸承同步磁阻電機(jī)解耦控制，其特征在于該解耦補(bǔ)償器的構(gòu)造方法是基于徑向懸浮力計(jì)算公式的變換推導(dǎo)得出，電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的定子兩相電壓分量給定值和轉(zhuǎn)子位置控制器輸出的徑向懸浮力命令值作為解耦補(bǔ)償器的輸入，解耦補(bǔ)償器的輸出作為徑向懸浮力的參考值；具體構(gòu)成為先假定電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的勵(lì)磁電流分量為id，轉(zhuǎn)矩電流分量為iq，轉(zhuǎn)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(bǔ)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(bǔ)償器中徑向懸浮力常數(shù)Km1、Km2的值是在徑向懸浮力的計(jì)算公式推導(dǎo)過程中得到，不同參數(shù)尺寸的無軸承同步磁阻電機(jī)對應(yīng)不同的徑向懸浮力常數(shù)Km1、Km2，式中Km1=lrμ0N1N248δ02m1,Km2=lrμ0N1N248δ02m2,]]>其中l(wèi)為電機(jī)有效鐵心長度，r為凸極處轉(zhuǎn)子半徑，μ0為真空磁導(dǎo)率，N1、N2分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)，δ0為轉(zhuǎn)子凸極處氣隙平均長度，m1、m2為比例系數(shù)，不同的轉(zhuǎn)子極弧角度積分求解徑向懸浮力時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的值。
系統(tǒng)串接解耦補(bǔ)償器后解除了無軸承同步磁阻電機(jī)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耦合關(guān)系，不僅實(shí)現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間的獨(dú)立控制，而且可分別獨(dú)立實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)速和位置調(diào)節(jié)性能。采用補(bǔ)償解耦器得到的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.采用前饋補(bǔ)償解耦策略，實(shí)現(xiàn)了無軸承同步磁阻電機(jī)這一被控量(無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子兩個(gè)徑向位置和轉(zhuǎn)速)相互耦合的四輸入(無軸承同步磁阻電機(jī)的兩個(gè)位置給定、轉(zhuǎn)速給定及勵(lì)磁給定)三輸出(無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩個(gè)徑向位置和轉(zhuǎn)速)復(fù)雜非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)的解耦控制，并可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fù)載擾動(dòng)的懸浮運(yùn)行性能。
2.采用前饋補(bǔ)償控制器實(shí)現(xiàn)了無軸承同步磁阻電機(jī)的多變量之間的獨(dú)立控制，有效克服了無軸承同步磁阻電機(jī)基于磁場定向僅僅進(jìn)行公式變換無法實(shí)現(xiàn)解耦控制這一難題，同時(shí)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(shí)現(xiàn)難度加大等缺陷，采用前饋補(bǔ)償控制器的無軸承同步磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最為簡單，實(shí)現(xiàn)方便，響應(yīng)快速，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。
本發(fā)明可用于構(gòu)造前饋補(bǔ)償控制器對無軸承同步磁阻電機(jī)負(fù)載懸浮運(yùn)行進(jìn)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(jià)值。


圖1是由電流滯環(huán)PWM逆變器22與坐標(biāo)變換21共同組成的擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2的結(jié)構(gòu)圖。其中坐標(biāo)變換21由Park逆變換和Clark逆變換組成。
圖2是以擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2驅(qū)動(dòng)的無軸承同步磁阻電機(jī)1的原理結(jié)構(gòu)圖(復(fù)合被控對象4)。其中有無軸承同步磁阻電機(jī)1(轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組)、兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2。
圖3是無軸承同步磁阻電機(jī)1(轉(zhuǎn)矩繞組)的數(shù)學(xué)模型示意圖和對應(yīng)的擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2的原理結(jié)構(gòu)圖，以及由兩者組成的等效框圖(復(fù)合被控子對象41)。
圖4是無軸承同步磁阻電機(jī)1(懸浮繞組)的數(shù)學(xué)模型示意圖和對應(yīng)的擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2的原理結(jié)構(gòu)圖，以及由兩者組成的等效框圖(復(fù)合被控子對象42)。
圖5是無軸承同步磁阻電機(jī)四輸入(兩擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器的輸入)和三輸出(無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子徑向位移)的等效框圖(復(fù)合被控對象4)。
圖6是無軸承同步磁阻電機(jī)解耦補(bǔ)償器3的具體原理結(jié)構(gòu)圖。
圖7是由線性閉環(huán)控制器5、解耦補(bǔ)償器3和復(fù)合被控對象4組成的整個(gè)控制系統(tǒng)的原理框圖。
圖8是采用前饋補(bǔ)償控制器6對無軸承同步磁阻電機(jī)1進(jìn)行控制的完整的原理框圖。
圖9是采用單DSP作為前饋補(bǔ)償控制器的本發(fā)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)軟件框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施方案是首先由電流滯環(huán)PWM逆變器、Park逆變換和Clark逆變換共同形成擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器，此擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器作為整個(gè)前饋補(bǔ)償控制器的一個(gè)組成部分。其次將兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器與無軸承同步磁阻電機(jī)構(gòu)成一個(gè)復(fù)合被控對象，該復(fù)合被控對象由無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組分別對應(yīng)的兩個(gè)復(fù)合被控子對象組成；再將補(bǔ)償解耦器串接在無軸承同步磁阻電機(jī)懸浮繞組對應(yīng)的一個(gè)復(fù)合被控子對象之前，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦控制；采用PID或其他設(shè)計(jì)方法，分別構(gòu)出轉(zhuǎn)速控制器和兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器組成的線性閉環(huán)控制器。最終形成由線性閉環(huán)控制器、解耦補(bǔ)償器、擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器共3個(gè)部分組成的前饋補(bǔ)償控制器，來對無軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)不同的控制要求，可選擇不同的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施分以下5步1.構(gòu)造擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器。首先由Park逆變換和Clark逆變換組成坐標(biāo)變換，之后將該坐標(biāo)變換與常用的電流滯環(huán)PWM逆變器共同組成擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器，此擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器以電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的兩個(gè)定子電壓分量給定值或解耦補(bǔ)償器輸出的徑向懸浮力參考值為其輸入(如圖1所示)。此擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器將作為整個(gè)前饋補(bǔ)償控制器的一個(gè)組成部分。
2.形成復(fù)合被控對象。將構(gòu)造好的兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器與無軸承同步磁阻電機(jī)組成復(fù)合被控對象，該復(fù)合被控對象以電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組兩個(gè)定子電壓分量給定值和解耦補(bǔ)償器輸出的徑向懸浮力參考值為其輸入，電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子兩個(gè)徑向位移為其輸出(如圖2、圖3、圖4和圖5所示)。
3.構(gòu)造解耦補(bǔ)償器。從徑向懸浮力的解析計(jì)算公式出發(fā)，經(jīng)過一些相應(yīng)的公式推導(dǎo)和等效變換，得出解耦補(bǔ)償器的等效數(shù)學(xué)模型(如圖6所示)。解耦補(bǔ)償器的輸出作為無軸承同步磁阻電機(jī)懸浮繞組對應(yīng)的一個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器的輸入。
4.構(gòu)造線性閉環(huán)控制器。對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和位置子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)出線性閉環(huán)控制器(如圖7左圖虛線框內(nèi)所示)。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等方法來設(shè)計(jì)，在本發(fā)明給出的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)速控制器采用PI控制器，兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器均選用PID控制器，其參數(shù)整定為轉(zhuǎn)速控制器為PI=110+201S,]]>兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器為PID=1200+1001S+2S,]]>控制器的參數(shù)根據(jù)實(shí)際控制對象需進(jìn)行調(diào)整。
5.形成前饋補(bǔ)償控制器。將解耦補(bǔ)償器、線性閉環(huán)控制器、兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器共同形成前饋補(bǔ)償控制器(如圖8中大虛框所示)?？筛鶕?jù)不同的控制要求采用不同的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)。
圖9給出了本發(fā)明的一種具體實(shí)施例的示意圖，其中解耦補(bǔ)償器、閉環(huán)控制器、坐標(biāo)變換等由數(shù)字信號(hào)處理器即DSP控制器通過軟件來實(shí)現(xiàn)。
圖10給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件流程框圖，數(shù)字控制系統(tǒng)軟件主要由主程序模塊和中斷服務(wù)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(huán)等待等功能，圖10中右圖為無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置控制中斷服務(wù)子程序模塊，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心程序模塊，主要完成無軸承同步磁阻電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的解耦獨(dú)立控制。
根據(jù)以上所述，便可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種無軸承同步磁阻電機(jī)前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法，其特征在于首先將兩個(gè)電流滯環(huán)PWM逆變器、兩個(gè)Park逆變換和兩個(gè)Clark逆變換共同組成兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器作為其后構(gòu)造的前饋補(bǔ)償控制器的一部分，把被控的無軸承同步磁阻電機(jī)(1)與擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2)作為一個(gè)整體組成復(fù)合被控對象(4)；進(jìn)而將解耦補(bǔ)償器(3)串接在復(fù)合被控子對象(42)之前，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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解耦控制；在此基礎(chǔ)上，對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子徑向位置分別設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速控制器(51)和兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器(52、53)來構(gòu)成線性閉環(huán)控制器(5)；最后將線性閉環(huán)控制器(5)、解耦補(bǔ)償器(3)以及擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2)共同構(gòu)成前饋補(bǔ)償控制器(6)來對無軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的無軸承同步磁阻電機(jī)前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法，其特征在于解耦補(bǔ)償器(3)的構(gòu)造方法是基于徑向懸浮力計(jì)算公式的變換推導(dǎo)得出，電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的定子兩相電壓分量給定值和轉(zhuǎn)子位置控制器(52、53)輸出的徑向懸浮力命令值作為解耦補(bǔ)償器(3)的輸入，解耦補(bǔ)償器(3)的輸出作為徑向懸浮力的參考值；具體構(gòu)成為先假定電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的勵(lì)磁電流分量為id，轉(zhuǎn)矩電流分量為iq，轉(zhuǎn)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(bǔ)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(jù)權(quán)利1所述的無軸承同步磁阻電機(jī)前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法，其特征在于解耦補(bǔ)償器(3)中徑向懸浮力常數(shù)Km1、Km2的值是在徑向懸浮力的計(jì)算公式推導(dǎo)過程中得到，不同參數(shù)尺寸的無軸承同步磁阻電機(jī)對應(yīng)不同的徑向懸浮力常數(shù)Km1、Km2，式中Km1=lrμ0N1N248δ02m1,]]>Km2=lrμ0N1N248δ02m2,]]>其中l(wèi)為電機(jī)有效鐵心長度，r為凸極處轉(zhuǎn)子半徑，μ0為真空磁導(dǎo)率，N1、N2分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)，δ0為轉(zhuǎn)子凸極處氣隙平均長度，m1、m2為比例系數(shù)，不同的轉(zhuǎn)子極弧角度積分求解徑向懸浮力時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的值。
全文摘要
本發(fā)明涉及無軸承同步磁阻電機(jī)的前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法，適用于無軸承同步磁阻電機(jī)負(fù)載條件下解耦控制。其將兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器、被控的無軸承同步磁阻電機(jī)作為一個(gè)整體組成復(fù)合被控對象；將解耦補(bǔ)償器串接在無軸承同步磁阻電機(jī)懸浮繞組對應(yīng)的復(fù)合被控子對象之前，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的解耦控制；對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子徑向位置設(shè)計(jì)線性閉環(huán)控制器，最后將線性閉環(huán)控制器、解耦補(bǔ)償器、擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器一起形成前饋補(bǔ)償控制器；通過調(diào)整轉(zhuǎn)子位置控制器中2個(gè)PID控制參數(shù)和轉(zhuǎn)速控制器中1個(gè)PI控制參數(shù)，能使無軸承同步磁阻電機(jī)獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)方便，響應(yīng)快速，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H02P21/00GK1885708SQ20061008534
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者朱熀秋, 張漢年 申請人:江蘇大學(xué)