無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其適用于無(wú)軸承異步電機(jī)高性能動(dòng) 態(tài)解耦控制，是一種具有較強(qiáng)振動(dòng)抑制效果的無(wú)軸承異步電機(jī)不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)軸承電機(jī)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(wú)軸承電機(jī)作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于材質(zhì) 不均、加工精度、裝配誤差等原因，不可避免會(huì)存在一定程度的轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，在旋轉(zhuǎn)時(shí)將 產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速同頻的離心激振力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)或徑向位移波動(dòng)，影響轉(zhuǎn)子的懸浮控 制精度。
[0003] 懸浮轉(zhuǎn)子的徑向位移，可分為隨機(jī)位移和不平衡振動(dòng)位移兩部分。關(guān)于無(wú)軸承電 機(jī)的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)控制技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)大多是同步型無(wú)軸承電機(jī)的不平衡振動(dòng)位移的補(bǔ) 償控制，選用的步長(zhǎng)函數(shù)較復(fù)雜且未給出快速調(diào)節(jié)與慢速調(diào)節(jié)步長(zhǎng)因子之間臨界跟蹤誤差 的調(diào)節(jié)方法。目前，關(guān)于異步型無(wú)軸承電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制，"振動(dòng)位移的補(bǔ)償控制"，還 是"不平衡激振力的補(bǔ)償控制"，一直未見(jiàn)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)。為提高無(wú)軸承異步電機(jī)的運(yùn)行控制性能，需要在解耦控制基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用科 學(xué)合理的"不平衡激振力的補(bǔ)償控制"措施和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的主要目的在于，提供一種二極懸浮控制四極無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振 動(dòng)控制系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有無(wú)軸承異步電機(jī)不平衡振動(dòng)控制技術(shù)存在的問(wèn)題，提高無(wú)軸承異 步電機(jī)的運(yùn)行控制性能。
[0005] 本發(fā)明具體是采用以下技術(shù)方案及技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0006] 本發(fā)明提出一種無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，所述的不平衡振動(dòng)控 制系統(tǒng)由無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)和不平衡激振力前饋補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu) 成； 所述無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)包括無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定 向原系統(tǒng)、無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)及四個(gè)調(diào)節(jié)器，其中，所述無(wú)軸承異步電機(jī) 轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)串接在無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向原系統(tǒng)之前，使無(wú)軸承異步電機(jī) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦為四個(gè)線性積分二階子系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)及a和0徑向位 移子系統(tǒng)，該四個(gè)線性積分二階子系統(tǒng)的輸出分別通過(guò)四個(gè)調(diào)節(jié)器又連接到無(wú)軸承異步電 機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)； 所述不平衡激振力前饋補(bǔ)償系統(tǒng)包括LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補(bǔ)償器和力/流變 換模塊，其中，該LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補(bǔ)償器的輸入為所述a和0徑向位移子系 統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)子徑向位移信號(hào)負(fù)幻和及轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度咚決） ,輸出為不平衡振動(dòng)補(bǔ)償控制力信號(hào)和f//幻;該力/流變換模塊是將(身)和 進(jìn)行力/流變換，得到不平衡振動(dòng)前饋補(bǔ)償控制電流信號(hào); 將所述不平衡激振力前饋補(bǔ)償系統(tǒng)輸出的不平衡振動(dòng)前饋補(bǔ)償控制電流^2<#(幻、 匕9(幻分別與所述無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的逆系統(tǒng)輸出的兩個(gè)穩(wěn) 態(tài)隨機(jī)位移控制電流4^0：)、^#)進(jìn)行疊加，并連接到原系統(tǒng)，即可在所述無(wú)軸承異步 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)成所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制 系統(tǒng)。
[0007] 較佳的，前述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其中所述無(wú)軸承異步電機(jī) 轉(zhuǎn)子磁鏈定向原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的不平衡振動(dòng)控 制系統(tǒng)由無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)和不平衡激振力前饋補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu) 成； 所述無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)包括無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定 向原系統(tǒng)、無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)及四個(gè)調(diào)節(jié)器，其中，所述無(wú)軸承異步電機(jī) 轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)串接在無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向原系統(tǒng)之前，使無(wú)軸承異步電機(jī) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦為四個(gè)線性積分二階子系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)及α和β徑向位 移子系統(tǒng)，該四個(gè)線性積分二階子系統(tǒng)的輸出分別通過(guò)四個(gè)調(diào)節(jié)器又連接到無(wú)軸承異步電 機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)； 所述不平衡激振力前饋補(bǔ)償系統(tǒng)包括LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補(bǔ)償器和力/流變 換模塊，其中，該LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補(bǔ)償器的輸入為所述α和β徑向位移子系 統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)子徑向位移信號(hào)和及轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度呌(幻 ,輸出為不平衡振動(dòng)補(bǔ)償控制力信號(hào)/C認(rèn))和/;該力/流變換模塊是將Ρ/β(森)和 (幻進(jìn)行力/流變換，得到不平衡振動(dòng)前饋補(bǔ)償控制電流信號(hào); 將所述不平衡激振力前饋補(bǔ)償系統(tǒng)輸出的不平衡振動(dòng)前饋補(bǔ)償控制電流伏)、 4??)分別與所述無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的逆系統(tǒng)輸出的兩個(gè)穩(wěn) 態(tài)隨機(jī)位移控制電流ι?ω(?ι、ζ2#+)進(jìn)行疊加，并連接到原系統(tǒng)，即可在所述無(wú)軸承異步 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)成所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制 系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，其中所 述無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是：
其中，無(wú)軸承異步電機(jī)的輸入變量《、狀態(tài)變量A輸出變量_7分別為：
uSIfl分別為轉(zhuǎn)矩繞組定子電壓的i/、dil分量，is+w Jsiq分別為轉(zhuǎn)矩繞組定子 電流的A遺I分量，Pd為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈，?<.為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率，A:是由電機(jī)結(jié)構(gòu) 決定的磁懸浮力系數(shù)，為??坐標(biāo)系中等效兩相轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的互感，if為??坐標(biāo)系中 的等效兩相轉(zhuǎn)矩繞組的自感,i si = iw- Z^為而坐標(biāo)系中的等效兩相轉(zhuǎn)子繞組的自 感，￡;、*=￡·^ι~?ι,?，分別為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)在t/i?坐標(biāo)系中的定、轉(zhuǎn)子漏感，Ji為負(fù)載轉(zhuǎn) 矩，A為轉(zhuǎn)矩繞組的磁極對(duì)數(shù)，/為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，&、/β是轉(zhuǎn)子單邊電磁拉力分 量，?是定子電阻，忍i 是轉(zhuǎn)卞電阻。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，其中所 述無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：
該逆系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是結(jié)合所述原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，并考慮轉(zhuǎn)矩繞組電流動(dòng)態(tài)得出 的，逆系統(tǒng)的輸入量為
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，其中所 述四個(gè)調(diào)節(jié)器為一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、一個(gè)磁鏈調(diào)節(jié)器及兩個(gè)位移調(diào)節(jié)器，所述轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)連 接轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，所述轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)連接磁鏈調(diào)節(jié)器，所述α和β徑向位移子系統(tǒng)分別連 接兩個(gè)徑向位移調(diào)節(jié)器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，由所述 LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補(bǔ)償器輸出不平衡振動(dòng)補(bǔ)償控制力信號(hào)(Ir)和/^7{太)的 方法步驟如下： ?γ ("A") = ) (1) 將所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度呌決)代入公式，得出LMS濾波器 的雙參考輸入信號(hào)Λ"!.(/<)和X2(&); (2) 將所述轉(zhuǎn)子徑向位移信號(hào)及雙參考輸入信號(hào)Xjfr)和；T2(Zf)送入LMS濾波器， 提取出α方向的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)位移信號(hào)的最佳估計(jì)值 將所述轉(zhuǎn)子徑向位移信號(hào)/?(幻及雙參考輸入信號(hào)和；T2CAO送入LMS濾波器,提 取出β方向的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)位移信號(hào)的最佳估計(jì)值 (3)分別對(duì)幻進(jìn)行轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)變換、零值給定值閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)及反轉(zhuǎn)子 同步旋轉(zhuǎn)變換，得到所述不平衡振動(dòng)補(bǔ)償控制力信號(hào)(A)和太)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，其中由 所述LMS濾波器得到4Η(^)、/Ια·)的方法是： (1)將雙參考信號(hào)Xdfr)和心(幻代入不平衡振動(dòng)位移信號(hào)的估值表達(dá) 式：4#)=W〗(A·片決)+w2(々)x2(A·), Ws (+Ii)和w2(/i)為權(quán)值，得到水平方向的不平衡振動(dòng) 位移信號(hào)或垂直方向的不平衡振動(dòng)位移信號(hào)瓦丨幻； ⑵對(duì)-4#〉與0#)疊加，或-/i,#.)與/P)疊加,可得到當(dāng)前誤差< a.),將X1 (/〇 ,，、 if. (A' +1) = Mt1 (k) + 2μ(k )e(k )x. (^) j 、巧伙)及當(dāng)前誤差ΚΑ·)代入如下權(quán)值調(diào)整算式：i" ,、 %ψ2( A- +1) = m>211：)+2/i( k )ii k )x2{A*) J ,對(duì)Wi(Ii)和iv2(fe)進(jìn)行權(quán)值調(diào)整，式中，p(lc〕是步長(zhǎng)因子，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，得到i w(Al或 ji§m,(幻的最佳估計(jì)值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，其 中所述步長(zhǎng)因子的調(diào)整函數(shù)為exp(-kx<Kl+)| 3)],當(dāng)前誤差￡#) 為-4伙)與α(Α-)的疊加，或-兔(幻與/峨+)的疊加，a和c是調(diào)節(jié)步長(zhǎng)因子隨誤差變化的 參數(shù)，a > 〇,控制步長(zhǎng)因子調(diào)整函數(shù)的取值范圍，保證不平衡振動(dòng)位移的跟蹤快速性和收 斂穩(wěn)定性，〇 < C < 1，控制步長(zhǎng)因子調(diào)整函數(shù)的形狀，并以+作為誤差絕對(duì)值的臨界點(diǎn) ii C 將步長(zhǎng)因子調(diào)整階段分為自適應(yīng)快調(diào)步長(zhǎng)階段與自適應(yīng)慢調(diào)步長(zhǎng)階段。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，其中 所述力/流變換模塊的力/流變換公式為
,其中，穿…Α?分別為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)氣隙磁鏈的A 4由分量，計(jì)算公式是：
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種無(wú)軸承異步電機(jī)的不平衡振動(dòng)控制系統(tǒng)，由無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)和不平衡激振力前饋補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)包括原系統(tǒng)、逆系統(tǒng)及四個(gè)調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子磁鏈、隨機(jī)位移分量的動(dòng)態(tài)解耦控制；所述不平衡激振力前饋補(bǔ)償系統(tǒng)包括LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補(bǔ)償器和力/流變換模塊，利用簡(jiǎn)便步長(zhǎng)因子調(diào)整函數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)不平衡位移提取速度與精度；將前饋補(bǔ)償系統(tǒng)的輸出與逆系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)隨機(jī)位移電流疊加，構(gòu)成磁懸浮動(dòng)態(tài)解耦控制系統(tǒng)。本發(fā)明省掉了逆系統(tǒng)中不可預(yù)測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在線辨識(shí)和原系統(tǒng)的定子電流閉環(huán)環(huán)節(jié)，可有效抑制不平衡激振力的影響，提高控制精度及性能。
【IPC分類(lèi)】H02P21-05
【公開(kāi)號(hào)】CN104660136
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510104160
【發(fā)明人】卜文紹, 劉躍敏, 張前進(jìn), 葉宇程, 路春曉, 程相輝, 李自愿, 張海濤, 王曉紅, 喬巖茹, 袁瀾, 肖雋亞
【申請(qǐng)人】河南科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年3月11日