專利名稱：一種無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器，用于無(wú)軸承同 步磁阻電機(jī)的高性能控制，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(wú)軸承同步磁阻電機(jī)滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高轉(zhuǎn)速、無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)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)的新型電機(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 廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，若要實(shí) 現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間以及徑向懸浮力自身在 兩垂直方向上的分量之間的動(dòng)態(tài)解耦控制。無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)控制的特殊性決定其無(wú)法像無(wú)軸承異步電機(jī)和無(wú)軸承永磁 同步電機(jī)那樣，基于磁場(chǎng)定向控制進(jìn)行相關(guān)公式變換即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)變量間的完全解耦。在 電機(jī)常用的解耦控制方法中，微分幾何控制方法和逆系統(tǒng)方法也可用于無(wú)軸承同步磁阻電 機(jī)的控制，但其線性化解耦的實(shí)現(xiàn)要求獲得被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。無(wú)軸承同步磁阻電 機(jī)作為一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子參數(shù)隨工況的變化十分顯著，再加 上轉(zhuǎn)子偏心時(shí)懸浮力的變化，負(fù)載擾動(dòng)的存在以及磁飽和等未建模動(dòng)態(tài)的影響，使微分幾 何控制方法和逆系統(tǒng)方法很難在實(shí)際中真正應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法可以彌補(bǔ)上述控制 方法的不足，其被控系統(tǒng)線性化解耦的實(shí)現(xiàn)不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，并且不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng) 參數(shù)的不穩(wěn)定而帶來(lái)控制誤差。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆控制方法除具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法的 各種優(yōu)點(diǎn)外，還能通過(guò)配置偽線性復(fù)合系統(tǒng)的極點(diǎn)使其子系統(tǒng)具有開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的線性傳遞關(guān) 系，可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆作為一個(gè)非線性開(kāi)環(huán)控制器直接使用，但是簡(jiǎn)單的將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 廣義逆作為控制器使用，實(shí)施開(kāi)環(huán)控制，其控制效果不佳。專利申請(qǐng)?zhí)?00710190554. 2，名稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆無(wú)軸承永磁同步電機(jī)解耦 控制器構(gòu)造方法，是針對(duì)無(wú)軸承永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器，其電機(jī)轉(zhuǎn) 子的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理、數(shù)學(xué)模型、性能要求與無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)不同，無(wú)軸承同步磁 阻電機(jī)利用了凸極轉(zhuǎn)子直軸和交軸電感不等產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而拖動(dòng)負(fù)載。另外，其解耦控 制是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆作為一個(gè)非線性開(kāi)環(huán)控制器直接使用，控制效果不佳。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)軸承同步磁阻電機(jī) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器，既可實(shí)現(xiàn)無(wú)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分量之間的解耦控制，又可獲得良好的各項(xiàng)控制性能 指標(biāo)，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型由復(fù)合被控對(duì)象之前依次串接有 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆和線性閉環(huán)控制器共同組成；所述復(fù)合被控對(duì)象由第一、二 Park逆變換、第一、第二 Clark逆變換、第一、第二電流跟蹤型逆變器分別依次串接后連接于無(wú)軸 承同步磁阻電機(jī)之前作為一個(gè)整體組成；所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加5個(gè) 線性環(huán)節(jié)組成；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出分別連接第一 Park逆變換和第二 Park逆變換的 輸入；由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆串接于復(fù)合被控對(duì)象之前共同組成廣義偽線性系統(tǒng)，復(fù)合被控 對(duì)象的輸出是電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置x、_F和轉(zhuǎn)速《，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆的輸出是四個(gè)電流信號(hào)
ζ、ζ , ^ζ ；廣義偽線性系統(tǒng)包括兩個(gè)位置子系統(tǒng)和一個(gè)速度子系統(tǒng)；這三個(gè)子系統(tǒng)分別
對(duì)應(yīng)有兩個(gè)位置控制器和一個(gè)速度控制器；線性閉環(huán)控制器由兩個(gè)位置控制器和一個(gè)速度 控制器組成。本實(shí)用新型的有益效果是1、無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)與單純使用磁軸承支承的同步磁阻電機(jī)相比具有更加合 理，更加實(shí)用的結(jié)構(gòu)一是無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度減小，電機(jī)轉(zhuǎn) 速、功率可以進(jìn)一步得到提高，并可以實(shí)現(xiàn)高速超高速運(yùn)行；二是徑向懸浮力控制系統(tǒng)中功 率放大電路采用三相功率逆變電路，使得無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)的控制方法簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊 湊，功耗低，成本下降。擺脫了傳統(tǒng)磁軸承支承的同步磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臨界轉(zhuǎn)速低，控制 系統(tǒng)復(fù)雜，功率放大器造價(jià)高，體積大等缺陷。2、本實(shí)用新型通過(guò)閉環(huán)控制和調(diào)整PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)高精密控制，最終使系統(tǒng)獲得滿 意的各項(xiàng)性能，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，使得無(wú)軸承同步 磁阻電機(jī)具有很高的應(yīng)用價(jià)值，在高速或超高速數(shù)控機(jī)床、密封泵、半導(dǎo)體工業(yè)、航空航天、 化工工業(yè)、生命科學(xué)及生物工程等眾多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。3、本實(shí)用新型采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加線性環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合被控對(duì)象的廣義逆系統(tǒng)， 進(jìn)而構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)廣義逆解耦控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)的控制，完全擺脫了傳統(tǒng) 的微分幾何控制方法和逆系統(tǒng)方法對(duì)精確數(shù)學(xué)模型的依賴性，不存在由于系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定 而帶來(lái)的系統(tǒng)控制誤差，很好地實(shí)現(xiàn)了無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)位置系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的獨(dú)立 控制，顯著地提高了無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)的控制性能。4.本實(shí)用新型用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆逼近廣義逆系統(tǒng)，將無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)這一個(gè) 非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)線性化和解耦為兩個(gè)二階線性位置子系統(tǒng)和一個(gè)一階 線性速度子系統(tǒng)，通過(guò)合理地調(diào)節(jié)廣義逆系統(tǒng)的參數(shù)使解耦后的位置子系統(tǒng)及速度子系統(tǒng) 的極點(diǎn)在復(fù)平面內(nèi)合理配置，從而得到開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的子系統(tǒng)，并且分別對(duì)兩個(gè)位置子系統(tǒng)和 一個(gè)速度子系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)位置控制器和一個(gè)速度控制器，實(shí)現(xiàn)了電磁轉(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分量之間的解耦控制，從而實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的開(kāi) 環(huán)線性化控制。5、由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有函數(shù)逼近能力以及適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)變化的能力，因而本實(shí)用新 型可以不需要知道被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，也無(wú)須測(cè)量被控系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)便可合理配置 偽線性復(fù)合系統(tǒng)的極點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大范圍線性化、解耦和降階，大大提高了系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變 化和負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性，為其它無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)，以及適合磁軸承支承的各種類型的 電機(jī)控制的非線性系統(tǒng)線性化和解耦控制提供了一條有效途徑。
圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；[0014]圖2是由兩個(gè)Park逆變換21、31、兩個(gè)Clark逆變換22、32，兩個(gè)電流跟蹤型逆變 器23、33及無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)1組成的復(fù)合被控對(duì)象5 ；圖3是由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)61和5個(gè)線性環(huán)節(jié)構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆6的結(jié)構(gòu)示意 圖；圖4是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆61與復(fù)合被控對(duì)象5串聯(lián)組成的廣義偽線性系統(tǒng)8的示 意圖及其等效圖；圖5是由線性閉環(huán)控制器4與偽線性復(fù)合系統(tǒng)8組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖中1.無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)；4.線性閉環(huán)控制器；5.復(fù)合被控對(duì)象；6.神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)廣義逆；7.無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義解耦逆控制器；8.廣義偽線性系統(tǒng)；21、 31. Park逆變換、22、32. Clark逆變換；23,33.電流跟蹤型逆變器；41,42.位置控制器； 43.速度控制器；61.靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；81、82.位置子系統(tǒng)；83.速度子系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義解耦逆控制器7串接在 無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)1之前。包括復(fù)合被控對(duì)象5，由復(fù)合被控對(duì)象5之前依次串接神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)廣義逆6和線性閉環(huán)控制器4共同組成。復(fù)合被控對(duì)象5由第一 Park逆變換21、第 一 Clark逆變換22、第一電流跟蹤型逆變器23依次串接后連接于無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)1之 前以及由第二 Park逆變換31、第二 Clark逆變換32、第二電流跟蹤型逆變器33依次串接 后連接于無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)1之前作為一個(gè)整體組成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆6由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)61加5個(gè)線性環(huán)節(jié)組成。靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)61的輸出分別連接第一 Park逆變換21和第二 Park逆變換31的輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆6串接于復(fù)合被控對(duì)象5之前共同組成廣義偽線 性系統(tǒng)8，復(fù)合被控對(duì)象5的輸出是電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置x、_F和轉(zhuǎn)速《，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆6的輸
出是四個(gè)電流信號(hào)
權(quán)利要求1.一種無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器，其特征是由復(fù)合被控對(duì)象 (5)之前依次串接有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆(6)和線性閉環(huán)控制器(4)共同組成；所述復(fù)合被控 對(duì)象(5)由第一、二 Park逆變換(21、31)、第一、第二 Clark逆變換(22、32)、第一、第二電 流跟蹤型逆變器(23、33)分別依次串接后連接于無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)(1)之前作為一個(gè)整 體組成；所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆(6)由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)加5個(gè)線性環(huán)節(jié)組成；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)(61)的輸出分別連接第一 Park逆變換(21)和第二 Park逆變換(31)的輸入；由神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)廣義逆(6)串接于復(fù)合被控對(duì)象(5)之前共同組成廣義偽線性系統(tǒng)(8)，復(fù)合被控對(duì)象 (5)的輸出是電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置z、_F和轉(zhuǎn)速《，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆(6)的輸出是四個(gè)電流信號(hào)ζ ζ ；廣義偽線性系統(tǒng)(8)包括兩個(gè)位置子系統(tǒng)(81、82)和一個(gè)速度子系統(tǒng)(83)；這三個(gè)子系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)有兩個(gè)位置控制器(41、42)和一個(gè)速度控制器(43)；所述線性閉環(huán) 控制器(4)由所述兩個(gè)位置控制器(41、42)和一個(gè)速度控制器(43)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器， 其特征是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)是三層前饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有8個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、4個(gè)輸出節(jié) 點(diǎn)，18個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)的第一個(gè)輸入是巧= ^+ ^+ ^巧經(jīng)過(guò)二階系統(tǒng)一"^ ,S , 得到的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)61的第二個(gè)輸入、-經(jīng)過(guò)二階系統(tǒng)I^IQS "ι t^^S"“以及積分器得到的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)的第三個(gè)輸入；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)的第四個(gè)輸入是訂v , . , ，—經(jīng)過(guò)二階系統(tǒng)^3 , g , 得到V2 ~a2Qy +α2ιγ +a22y v2a^s +a21s+a22的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)的第五個(gè)輸入，—經(jīng)過(guò)二階系統(tǒng)~本 以及積分器 得到的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)的第六個(gè)輸入；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)的第七個(gè)輸入是 -Λ η+α ■ _經(jīng)過(guò)一階系統(tǒng)得到的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(61)的第八個(gè)輸 入。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆解耦控制器，由復(fù)合被控對(duì)象之前依次串接有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆和線性閉環(huán)控制器共同組成；復(fù)合被控對(duì)象由第一、二Park逆變換、第一、第二Clark逆變換、第一、第二電流跟蹤型逆變器分別依次串接后連接于無(wú)軸承同步磁阻電機(jī)之前作為一個(gè)整體組成；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加5個(gè)線性環(huán)節(jié)組成；由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆串接于復(fù)合被控對(duì)象之前共同組成廣義偽線性系統(tǒng)，廣義偽線性系統(tǒng)包括兩個(gè)位置子系統(tǒng)和一個(gè)速度子系統(tǒng)；分別對(duì)應(yīng)有兩個(gè)位置控制器和一個(gè)速度控制器組成線性閉環(huán)控制器；實(shí)現(xiàn)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分量之間的獨(dú)立解耦控制。
文檔編號(hào)H02P25/08GK201928221SQ20112001682
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者張婷婷, 張維煜, 朱熀秋, 朱睿智 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)