無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，根據(jù)復(fù)合被控對象的輸入輸出信號構(gòu)建x、y方向二階擴張狀態(tài)觀測器，將給定位移信號分別與x、y方向復(fù)合位移反饋的輸出進行比較，確定x、y方向誤差開方控制器的輸入信號；將x、y方向二階擴張狀態(tài)觀測器的輸出信號分別與x、y方向誤差開方控制器的輸出信號相結(jié)合得到復(fù)合被控對象的輸入給定；構(gòu)成x、y方向優(yōu)化自抗擾控制器，一起控制復(fù)合被控對象。本發(fā)明所述構(gòu)造方法所需調(diào)節(jié)的參數(shù)較少，可以兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能和動態(tài)響應(yīng)性能，兼顧系統(tǒng)在空載、帶載以及負載突變懸浮運行工況下的特性，算法具有很好的適應(yīng)性。
【專利說明】無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)，具體是其控制器的構(gòu)造方法，屬于高速、超高速特種電氣傳動控制設(shè)備的【技術(shù)領(lǐng)域】，適用于無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)的高性能控制。
【背景技術(shù)】
[0002]無軸承永磁電機是利用磁懸浮軸承與永磁電機結(jié)構(gòu)的相似性，將磁懸浮軸承的懸浮繞組疊繞在永磁電機的定子上，并通過電力電子器件和微機控制使其同時具備懸浮支撐和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動功能的一種新型磁懸浮電機。無軸承永磁電機除了擁有永磁電機固有的優(yōu)點之外，還很好地解決了常規(guī)高速電機長時間高速、超高速運行所帶來的軸承支撐難題，在航空航天、精密數(shù)控制機床、飛輪儲能等領(lǐng)域以及極端惡劣環(huán)境下具有重要應(yīng)用前景。然而這些特殊領(lǐng)域或者極端環(huán)境對于無軸承永磁電機懸浮運行提出了更嚴(yán)格的要求，特別是無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)性能的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)安全性和魯棒性。無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)是一個非線性、強耦合的復(fù)雜時變系統(tǒng)，在實際懸浮運行過程中系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常會發(fā)生改變，而且特殊的應(yīng)用環(huán)境還會給其帶來一些預(yù)想不到的外部擾動，因此要實現(xiàn)無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)的高性能懸浮控制是十分棘手的。
[0003]自抗擾控制是一種基于擴張狀態(tài)觀測器的魯棒控制技術(shù)，可以對系統(tǒng)的未建模動態(tài)、被控對象的不確定因素以及外界的未知擾動進行有效的觀測和補償，并且自抗擾控制策略是一種不依賴被控對象數(shù)學(xué)模型的新型非線性控制方法，這一點與無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)的非線性特性不謀而合，因此將自抗擾控制方法應(yīng)用到無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)，可以以將理論與實際緊密相結(jié)合，并且可以將理論方法實際化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是在于提供一種無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，采用該方法構(gòu)造的無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)的優(yōu)化自抗擾控制器，不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，能夠補償系統(tǒng)模型參數(shù)變化導(dǎo)致的內(nèi)部擾動和負載突變等帶來的外界擾動，具有很強的適應(yīng)性和魯棒性。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是依次采用如下步驟:
O將力/電流變換器、電流控制模塊、擴展逆變器控制模塊、無軸承永磁電機、電流檢測模塊、角度計算模塊、負載以及電渦流位移傳感器作為一個整體構(gòu)成復(fù)合被控對象；力/電流變換器的輸出與電流檢測模塊的輸出相結(jié)合作為電流控制模塊的輸入，電流控制模塊的輸出為擴展逆變器控制模塊的輸入，擴展逆變器控制模塊的輸出同時作為無軸承永磁電機和電流檢測模塊的輸入，無軸承永磁電機與負載通過機械連軸器連接在一起，電渦流位移傳感器在無軸承永磁電機內(nèi)部以檢測無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)的徑向位移
I和y ;復(fù)合被控對象的輸入為給定X方向的徑向力<和I方向的徑向力<，輸出為徑向
位移^和_7。[0006]2)根據(jù)復(fù)合被控對象的輸入輸出信號構(gòu)建X方向二階擴張狀態(tài)觀測器和y方向二階擴張狀態(tài)觀測器，X方向二階擴張狀態(tài)觀測器的輸入為徑向位移x和徑向力F*x與可調(diào)系
數(shù)bx的乘積bxF*x;y方向二階擴張狀態(tài)觀測器的輸入為徑向位移y和徑向力 F*Y與可調(diào)系
數(shù)by,的乘積byF*y ；x方向二階擴張狀態(tài)觀測器的輸出為Zt和2&，Zlr用來跟蹤徑向位移^，
&用來跟蹤X方向的未知擾動；y方向二階擴張狀態(tài)觀測器的輸出信號為^^和2^，％用
來跟蹤徑向位移_F，~用來跟蹤I方向的未知擾動。
[0007]3)將給定位移信號f與X方向復(fù)合位移反饋的輸出巧進行比較，確定出誤差
S1 =x*-xf ,該誤差e.作為X方向誤差開方控制器的輸入信號；將給定位移信號Jr與Y方向
復(fù)合位移反饋的輸出Fs進行比較，確定出誤差?P =J-* ,該誤差&作為y方向誤差開方控制器的輸入信號。
[0008]4)將X方向二階擴張狀態(tài)觀測器的一個輸出^^經(jīng)可調(diào)系數(shù)1/?之后，與X方向誤差開方控制器的輸出St相結(jié)合作為復(fù)合被控對象的輸入的徑向力
【權(quán)利要求】
1.一種無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，其特征是依次采用如下步驟: 1)將力/電流變換器(I)、電流控制模塊(2)、擴展逆變器控制模塊(3)、無軸承永磁電機(4)、電流檢測模塊(5)、角度計算模塊(6)、負載(7)以及電渦流位移傳感器(8)作為一個整體構(gòu)成復(fù)合被控對象(9);力/電流變換器(I)的輸出與電流檢測模塊(5)的輸出相結(jié)合作為電流控制模塊(2)的輸入，電流控制模塊(2)的輸出為擴展逆變器控制模塊(3)的輸入，擴展逆變器控制模塊(3)的輸出同時作為無軸承永磁電機(4)和電流檢測模塊(5)的輸入，無軸承永磁電機(4)與負載通過機械連軸器連接在一起，電渦流位移傳感器(8)在無軸承永磁電機(4)內(nèi)部以檢測無軸承永磁電機(4)懸浮系統(tǒng)的徑向位移?和y ;復(fù)合被控對象(9)的輸入為給定X方向的徑向力<和?方向的徑向力<，輸出為徑向位移^和7 ； 2)根據(jù)復(fù)合被控對象(9)的輸入輸出信號構(gòu)建X方向二階擴張狀態(tài)觀測器(102)和y方向二階擴張狀態(tài)觀測器(112)，X方向二階擴張狀態(tài)觀測器(102)的輸入為徑向位移X和徑向力與可調(diào)系數(shù)毛的乘積；y方向二階擴張狀態(tài)觀測器(112)的輸入為徑向位移JT和徑向力< 與可調(diào)系數(shù)S,的乘積;x方向二階擴張狀態(tài)觀測器(102)的輸出為4和&，Zt用來跟蹤徑向位移I, ^用來跟蹤X方向的未知擾動；y方向二階擴張狀態(tài)觀測器(112)的輸出信號為2^和2#，Zir用來跟蹤徑向位移jr , 2#用來跟蹤I方向的未知擾動； 3)將給定位移信號;與X方向復(fù)合位移反饋(103)的輸出七進行比較，確定出誤差?,,該誤差作為X方向誤差開方控制器(101)的輸入信號；將給定位移信號夕與y方向復(fù)合位移反饋(113)的輸出進行比較，確定出誤差《?=/-；&,該誤差~作為y方向誤差開方控制器(111)的輸入信號； 4)將X方向二階擴張狀態(tài)觀測器(102)的一個輸H'Z21 P可調(diào)系數(shù)之后，與X方
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，其特征在于，步驟I)中，電流控制模塊(2)是由d軸電流調(diào)節(jié)器(21)與q軸電流調(diào)節(jié)器(22)先行并聯(lián)，再與Park逆變換器(23)串聯(lián)而成；擴展逆變器控制模塊(3)由SVPWM模塊(31)與電壓源逆變器(32)串聯(lián)構(gòu)成，SVPWM模塊(31)輸出六路PWM信號驅(qū)動電壓源逆變器(32)；電流檢測模塊(5)由Clark變換器(51)與Park變換器(52)相串聯(lián)構(gòu)成；角度計算模塊(6)由光電編碼器(61)與角度計算部分(62)串聯(lián)構(gòu)成，角度計算模塊(6)的輸入來自無軸承永磁電機(4)的轉(zhuǎn)軸信息，輸出為角度?，角度信號同時輸給Park逆變換器(23)與Park變換器(52)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，其特征在于，步驟2)中，X方向二階擴張狀態(tài)觀測器(102)和y方向二階擴張狀態(tài)觀測器(112)的輸入輸出關(guān)系分別為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，其特征在于，步驟3)中，X方向復(fù)合位移反饋(103)和y方向復(fù)合位移反饋(113)的輸出A和Λ的表達式分別為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無軸承永磁電機懸浮系統(tǒng)優(yōu)化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，其特征在于，步驟4)中，X方向誤差開方控制器(101)和y方向誤差開方控制器(111)的輸出分別為:
【文檔編號】H02N15/00GK103532442SQ201310429332
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】孫曉東, 陳龍, 江浩斌, 楊澤斌, 李可 申請人:江蘇大學(xué)