CN102013870B - 五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器，线性闭环控制器、α阶逆系统和复合被控对象依次串接，复合被控对象由三个扩展的电流滞环PWM逆变器、开关功率放大器以及五自由度无轴承同步磁阻电机组成；α阶逆系统和复合被控对象组成伪线性系统；五自由度无轴承同步磁阻电机由共用一个转子的三自由度主动磁轴承和二自由度无轴承同步磁阻电机组成，转子上设有多个电涡流传感器，线性闭环控制器由一个转速控制器、四个径向位置控制器和一个轴向位置控制器组成；本发明结构紧凑，使得磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机径向悬浮力和电磁转矩之间实现独立控制，有效提高了整个系统的控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力传动控制设备技术领域中的五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器，适用于高速及超高速电机传动。
背景技术
无轴承同步磁阻电机在机床电主轴、涡轮分子泵、离心机、压缩机、机电贮能、航空航天等特殊电气传动领域应用广泛，与传统无轴承电机相比，同步磁阻电机具有诸多优势：转子上省略了永磁体，也无励磁绕组，结构简单，运行可靠，成本低，还因其可以实现很高的凸极比，同时具有高转矩密度、快速动态响应、低转矩脉动、低损耗、高功率因数等优点，更加适合高速及高精度应用领域。
将无轴承技术及磁轴承技术应用于同步磁阻电机，即采用一个三自由度主动磁轴承和一个二自由度无轴承同步磁阻电机组成五自由度无轴承同步磁阻电机，这种结构同单纯使用磁轴承支承的高速电机相比具有更加明显的优势：电机轴向长度得到减小，结构得到简化，临界转速也得到提高，满足了众多场合需要高速或超高速电力传动的要求，在高速电气传动等特殊应用场所有着独特优势。五自由度无轴承同步磁阻电机是一个非线性、强耦合的多输入多输出系统，对其进行动态解耦控制是实现无轴承同步磁阻电机稳定可靠工作的关键。如果采用分散控制方法对系统进行控制，则忽略了系统各个变量之间的耦合作用，无法满足高速高精度运转的要求，必须对系统进行解耦，分别独立控制磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机的径向悬浮力以及电磁转矩。常用的解耦控制方法中，矢量控制只能实现转矩和悬浮力的静态解耦控制,其动态响应性能还不能令人满意；微分几何方法虽然可以实现系统的动态解耦，但是需要将问题变换到几何域中来讨论，并且使用的数学工具相当复杂、抽象；神经网络逆控制方法可以实现系统的动态解耦，但是需要大量的训练样本数据，训练时间长，控制器设计复杂；而逆系统理论的物理概念清晰直观、数学分析简单明了，通过将系统线性化和解耦成为互相独立的线性积分子系统来实现各个被控量之间的动态解耦控制，能够有效提高整个系统的控制性能。
专利申请号是200610085347.6，名称为“无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法”，采用现代控制理论中串接前馈补偿器的方法进行控制系统的解耦，但无法解决解耦补偿器中的参数易受磁饱和影响的问题。专利申请号是201010117622.4，名称为“无轴承同步磁阻电机支持向量机逆系统复合控制器”，采用支持向量机逆系统复合控制器对二自由度无轴承同步磁阻电机进行解耦控制，但支持向量机算法太复杂，无法对大规模样本进行训练。
发明内容
本发明的目的是提供一种五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器，可简单、可靠地实现五自由度无轴承同步磁阻电机磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机径向悬浮力和电磁转矩之间的解耦控制，获得良好的转子径向位置动、静态调节特性及转矩、速度调节等各项控制性能指标。
本发明为实现上述发明目的所采用的技术方案是：包括线性闭环控制器、α阶逆系统和复合被控对象依次串接，复合被控对象由三个扩展的电流滞环PWM逆变器、开关功率放大器以及五自由度无轴承同步磁阻电机组成；α阶逆系统和复合被控对象组成伪线性系统；第一扩展的电流滞环PWM逆变器由第一Clark逆变换和第一电流滞环PWM逆变器连接组成；第二、第三扩展的电流滞环PWM逆变器分别由第一、第二Park逆变换、第二、第三Clark逆变换和第二、第三电流滞环PWM逆变器依次连接组成；五自由度无轴承同步磁阻电机由共用一个转子的三自由度主动磁轴承和二自由度无轴承同步磁阻电机组成，转子上设有多个电涡流传感器，三自由度主动磁轴承由三自由度主动磁轴承径向悬浮力子系统和三自由度主动磁轴承轴向悬浮力子系统组成，二自由度无轴承同步磁阻电机由二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力子系统和二自由度无轴承同步磁阻电机转矩子系统组成；线性闭环控制器由一个转速控制器、四个径向位置控制器和一个轴向位置控制器组成；转速控制器的输入信号是二自由度无轴承同步磁阻电机的给定转速量和输出转速量的差值，输出信号是输入至α阶逆系统的输出转速控制量；第一、三径向位置控制器的输入信号是三自由度主动磁轴承的给定径向位移量与输出径向位移量的差值，第二、第四径向位置控制器的输入信号是二自由度无轴承同步磁阻电机的给定径向位移量与输出径向位移量的差值，输出信号都是输入至α阶逆系统的输出径向位移控制量；轴向位置控制器的输入信号是三自由度主动磁轴承的给定轴向位移量与输出轴向位移量的差值，输出信号是输入至α阶逆系统的输出轴向位移控制量。
本发明的有益效果是：
1、本发明的五自由度无轴承同步磁阻电机由一个三自由度主动磁轴承和一个二自由度无轴承同步磁阻电机构成，同单纯使用磁轴承支承的电机相比，其电机轴向长度得到减小，电机结构得到简化，临界转速也得到提高，满足了众多场合需要高速及超高速电力传动的需要，在高速电气传动等特殊应用场所有着独特优势。
2、径向悬浮力控制采用三相功率逆变电路, 轴向悬浮力控制采用开关功率放大器，使得五自由度无轴承同步磁阻电机的控制方法简单，结构紧凑，功耗低，成本下降，摆脱了传统磁轴承支承的电机结构复杂，临界转速低，控制系统复杂，功率放大器造价高，体积大等缺陷。能对无轴承同步磁阻电机负载悬浮运行进行有效解耦控制，具有很高的应用价值，并且为其它无轴承电机及磁轴承解耦控制提供了一条有效途径。
3、采用逆系统理论构造出复合被控对象的α阶逆系统，采用a阶逆系统方法，将五自由度无轴承同步磁阻电机这一非线性、强耦合的多输入多输出系统线性化解耦成为6个相互独立的单输入单输出线性积分子系统。针对五个转子位置二阶积分线性子系统和一个速度一阶积分线性子系统进一步采用PID、极点配置、线性最优二次型调节器或鲁棒伺服调节器等方法分别设计一个转速控制器和五个位置控制器，组成线性闭环控制器，使系统获得高性能的转速、位置控制以及抗负载扰动的运行性能；进而使控制系统设计得以简化并容易达到系统所要求的性能指标，将复杂的非线性耦合控制问题变为简单的线性控制问题，不仅实现了五自由度无轴承同步磁阻电机转子的稳定悬浮，而且使得磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机径向悬浮力和电磁转矩6者之间实现独立控制，并有效的提高了整个系统的控制性能。
4、采用逆系统解耦控制器实现了五自由度无轴承同步磁阻电机的多变量之间的独立控制，有效克服了无轴承同步磁阻电机基于磁场定向仅仅进行公式变换无法实现解耦控制这一难题，同时克服了采用前馈补偿控制器近似处理、在线查表和实时参数检测等解耦方法只能实现系统静态解耦，不能实现系统动态解耦的缺陷。采用逆系统解耦控制器的电机控制系统结构形象直观，实现方便，克服了神经网络逆，支持向量机等控制方法算法太复杂，样本训练难度大，训练时间长等缺陷。
附图说明
图1是本发明总体结构框图；
图2是图1中五自由度无轴承同步磁阻电机1及扩展的电流滞环PWM逆变器组成图；
图3是图1中复合被控对象8组成及等效图；
图4是图1中五自由度无轴承同步磁阻电机1的解耦控制原理框图；
图5是由α阶逆系统6与复合被控对象8组成的伪线性系统9示意图及其等效图；
图中：1.五自由度无轴承同步磁阻电机；2、3、4.扩展的电流滞环PWM逆变器；5.开关功率放大器；6.α阶逆系统；8.复合被控对象；9.伪线性系统；10.五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器；22、32、42. Clark逆变换；23、33、43.电流滞环PWM逆变器；31、41. Park逆变换；70.线性闭环控制器；71、72、73、74.径向位置控制器；75.轴向位置控制器；76.转速控制器；81.第一复合被控对象；82.第二复合被控对象；83.第三复合被控对象；84.第四复合被控对象；a.三自由度主动磁轴承；a1.三自由度主动磁轴承径向悬浮力子系统；a2.三自由度主动磁轴承轴向悬浮力子系统；b.二自由度无轴承同步磁阻电机；b1.二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力子系统；b2.二自由度无轴承同步磁阻电机转矩子系统。
具体实施方式
如图1所示，五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器10包括线性闭环控制器70、α阶逆系统6和复合被控对象8依次串接。复合被控对象8由第一扩展的电流滞环PWM逆变器2、第二扩展的电流滞环PWM逆变器3和第三扩展的电流滞环PWM逆变器4、开关功率放大器5以及五自由度无轴承同步磁阻电机1组成。将构造好的三个所述扩展的电流滞环PWM逆变器2、3、4、开关功率放大器5与五自由度无轴承同步磁阻电机1组成复合被控对象8，将线性闭环控制器70、α阶逆系统6、三个所述扩展的电流滞环PWM逆变器2、3、4及开关功率放大器5共同形成五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器10，实现对五自由度无轴承同步磁阻电机1的解耦控制。根据不同的控制要求，可选择不同的硬件和软件来实现。
如图2，五自由度无轴承同步磁阻电机1由二自由度无轴承同步磁阻电机 b 以及三自由度主动磁轴承a组成，二自由度无轴承同步磁阻电机 b 和三自由度主动磁轴承a共用一个转子，在转子两端各安装了保护轴承作为支承，并且在转子的适当位置处安装了多个电涡流传感器，用以测量转子的轴向位移和径向位移。其中，三自由度主动磁轴承a由三自由度主动磁轴承径向悬浮力子系统a1和三自由度主动磁轴承轴向悬浮力子系统a2组成；二自由度无轴承同步磁阻电机 b由二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力子系统b1和二自由度无轴承同步磁阻电机转矩子系统b2组成。
参见图1、3所示，第一、第二和第三扩展的电流滞环PWM逆变器2、3、4是复合被控对象8的一个组成部分。其中，第一扩展的电流滞环PWM逆变器2由第一Clark逆变换22和第一电流滞环PWM逆变器23连接组成。第二扩展的电流滞环PWM逆变器3由第一Park逆变换31、第二Clark逆变换32和第二电流滞环PWM逆变器33依次连接组成。第三扩展的电流滞环PWM逆变器4由第二Park逆变换41、第三Clark逆变换42和第三电流滞环PWM逆变器43依次连接组成。第一扩展的电流滞环PWM逆变器2和三自由度主动磁轴承径向悬浮力子系统a1组成第一复合被控对象81。开关功率放大器5和三自由度主动磁轴承轴向悬浮力子系统a2组成第二复合被控对象82。第二扩展的电流滞环PWM逆变器3和二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力子系统b1组成第三复合被控对象84。第三扩展的电流滞环PWM逆变器4和二自由度无轴承同步磁阻电机转矩子系统b2组成第四复合被控对象84。
参见图3，复合被控对象8具有第一、第二、第三、第四复合被控对象81、82、83、84，复合被控对象8以α阶逆系统6输出的二自由度无轴承同步磁阻电机b的转矩绕组定子电流q轴分量参考值i q *和转矩绕组d轴上电流分量参考值i d *、二自由度无轴承同步磁阻电机b的径向悬浮力绕组x b 和y b 轴上电流分量的参考值i bx *和i by *、三自由度主动磁轴承a的径向悬浮力绕组x a 和y a 轴上电流分量的参考值i ax *和i ay *、三自由度主动磁轴承a的轴向控制电流的参考值i z *作为其输入；以二自由度无轴承同步磁阻电机b的转速ω，二自由度无轴承同步磁阻电机b的转子两个径向位移x b 、y b ，三自由度主动磁轴承a的两个径向位移x a 、y a 和一个轴向位移z a 为其输出。具体是：α阶逆系统6输出的三自由度主动磁轴承a的径向悬浮力绕组x a 和y a 轴上电流分量的参考值i ax *和i ay *输入至第一扩展的电流滞环PWM逆变器2，同时α阶逆系统6输出的三自由度主动磁轴承a的轴向控制电流的参考值i z *输入至开关功率放大器5，同时α阶逆系统6输出的二自由度无轴承同步磁阻电机a的径向悬浮力绕组x b 和y b 轴上电流分量的参考值i bx *和i by *输入至第二扩展的电流滞环PWM逆变器3，同时α阶逆系统6输出的二自由度无轴承同步磁阻电机b的转矩绕组在q轴上电流分量参考值i q *，并和给定的转矩绕组d轴上电流分量参考值i d *一起输入至第三扩展的电流滞环PWM逆变器4。第一扩展的电流滞环PWM逆变器2输出的电流控制信号输入至三自由度主动磁轴承径向悬浮力子系统a1的径向悬浮力绕组。开关功率放大器5输出的电流控制信号输入至三自由度主动磁轴承轴向悬浮力子系统a2的轴向悬浮力绕组。第二扩展的电流滞环PWM逆变器3输出的电流控制信号输入至二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力子系统b1的悬浮力绕组，第三扩展的电流滞环PWM逆变器4输出的电流控制信号输入至二自由度无轴承同步磁阻电机转矩子系统b2的转矩绕组。
参见图1、2、4所示，由二自由度无轴承同步磁阻电机b的转矩子系统b2和径向悬浮力子系统b1和三自由度主动磁轴承a的径向悬浮力子系统a1和轴向悬浮力子系统a2设计线性闭环控制器70。线性闭环控制器70可采用线性系统理论中的各种常用控制器设计方法如极点配置、线性最优控制、PID控制、鲁棒控制等方法来设计。其中线性二次型最优控制器不仅能够克服测量噪声，并能处理非线性干扰，是反馈系统设计的一种重要工具。线性闭环控制器70由一个转速控制器76、四个径向位置控制器71、72、73、74和一个轴向位置控制器75组成。本发明中，转速控制器76及五个转子位置控制器均选用线性二次型最优控制理论设计控制器，控制器的参数根据实际控制对象需进行调整。具体是：转速控制器76的输入信号为二自由度无轴承同步磁阻电机b的给定转速量w * 和输出转速量w的差值。转速控制器76的输出信号为输出转速控制量j 6，输出转速控制量j 6输入至α阶逆系统6。第一径向位置控制器71的输入信号为三自由度主动磁轴承a 的给定径向位移量x a * 与输出径向位移量x a 的差值，第一径向位置控制器71的输出信号是输出径向位移控制量j 1，该输出径向位移控制量j 1输入至α阶逆系统6。第二径向位置控制器72的输入信号为二自由度无轴承同步磁阻电机b的给定径向位移量x b * 与输出径向位移量x b 的差值，第二径向位置控制器72的输出信号为输出径向位移控制量j 2，该输出径向位移控制量j 2输入至α阶逆系统6。第三径向位置控制器73的输入信号为三自由度主动磁轴承a的给定径向位移量y a * 与输出径向位移量y a 的差值，该第三径向位置控制器73的输出信号为输出径向位移控制量j 3，该输出径向位移控制量j 3又输入至α阶逆系统6。第四径向位置控制器74的输入信号为二自由度无轴承同步磁阻电机b的给定径向位移量y b * 与输出径向位移量y b 的差值，第四径向位置控制器74的输出信号是输出径向位移控制量j 4，该输出径向位移控制量j 4输入至α阶逆系统6。轴向位置控制器75的输入信号为三自由度主动磁轴承a的给定轴向位移量z a * 与输出轴向位移量z a 的差值，轴向位置控制器75的输出信号为输出轴向位移控制量j 5，输出轴向位移控制量j 5输入至α阶逆系统6。
参见图4和图5，从无轴承同步磁阻电机及磁轴承工作原理出发，建立五自由度无轴承同步磁阻电机1的数学模型，经过坐标变换和线性放大，得到复合被控对象8的数学模型，即同步旋转坐标系下11阶微分方程，其中复合被控对象8的状态变量选为 。选取复合被控对象8的状态变量
，推导出复合被控对象8的状态方程，计算其向量相对阶为
，可知该11阶微分方程可逆，即α阶逆系统存在。将复合被控对象8的期望输出
的α阶导数
作为α阶逆系统6的输入，则α阶逆系统6的输出
正是用来控制复合被控对象8产生期望输出
的控制量，从而可以计算得到α阶逆系统6的解析表达式
；将α阶逆系统6串接在复合被控对象8之前组成伪线性系统9，伪线性系统9相当于5个二阶线性积分子系统和1个一阶线性积分子系统，则系统被线性化和解耦成为6个互相独立的线性积分子系统。
本发明先由Clark逆变换和电流滞环PWM逆变器连接形成第一扩展的电流滞环PWM逆变器，由Park逆变换、Clark逆变换和电流滞环PWM逆变器依次连接形成第二、第三扩展的电流滞环PWM逆变器；将构造好的三个扩展的电流滞环PWM逆变器2、3、4、开关功率放大器5与五自由度无轴承同步磁阻电机1组成复合被控对象8；根据复合被控对象8的数学模型计算得到α阶逆系统6的解析表达式；将线性闭环控制器70、α阶逆系统6、三个扩展的电流滞环PWM逆变器2、3、4以及开关功率放大器5共同构成五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器10，实现对三自由度主动磁轴承a的径向两自由度悬浮力、轴向悬浮力、二自由度无轴承同步磁阻电机b的径向两自由度悬浮力和电磁转矩力这6个被控量的独立控制。五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器10所针对的控制对象为由二自由度无轴承同步磁阻电机b及三自由度主动磁轴承a构成的五自由度无轴承同步磁阻电机1，五自由度无轴承同步磁阻电机1的结构复杂，在建立系统运动方程时，将其转子看作是刚体并且各自由度之间的耦合和系统陀螺效应，使得其数学模型和控制方法复杂，解耦难度大。本发明针对五自由度无轴承同步磁阻电机1这一非线性、强耦合复杂系统，采用了逆系统方法构建复合控制对象8的逆系统模型，将控制对象解耦成伪线性系统9，在此基础上采用线性系统理论设计控制器，能够实现对磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机径向悬浮力和电磁转矩这6个变量的独立控制，即实现五自由度无轴承同步磁阻电机1的解耦控制，物理概念清晰直观、数学分析简单明了。
Claims (3)
1.一种五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器，包括线性闭环控制器(70)、α阶逆系统(6)和复合被控对象(8)依次串接，其特征是：所述复合被控对象(8)由第一扩展的电流滞环PWM逆变器(2)、第二扩展的电流滞环PWM逆变器(3)、第三扩展的电流滞环PWM逆变器(4)、开关功率放大器(5)以及五自由度无轴承同步磁阻电机(1)组成；α阶逆系统(6)和复合被控对象(8)组成伪线性系统(9)；所述第一扩展的电流滞环PWM逆变器(2)由第一Clark逆变换(22)和第一电流滞环PWM逆变器(23)连接组成；第二扩展的电流滞环PWM逆变器(3)由第一Park逆变换(31)、第Clark逆变换(32)和第二电流滞环PWM逆变器(33)依次连接组成，第三扩展的电流滞环PWM逆变器(4)由第Park逆变换(41)、第三Clark逆变换(42)和第三电流滞环PWM逆变器(43)依次连接组成；所述五自由度无轴承同步磁阻电机(1)由共用一个转子的三自由度主动磁轴承(a)和二自由度无轴承同步磁阻电机(b)组成，转子上设有多个电涡流传感器，三自由度主动磁轴承(a)由三自由度主动磁轴承径向悬浮力子系统(a1)和三自由度主动磁轴承轴向悬浮力子系统(a2)组成，二自由度无轴承同步磁阻电机(b)由二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力子系统(b1)和二自由度无轴承同步磁阻电机转矩子系统(b2)组成；所述线性闭环控制器(70)由一个转速控制器(76)、四个径向位置控制器(71、72、73、74)和一个轴向位置控制器(75)组成；
所述转速控制器(76)的输入信号是二自由度无轴承同步磁阻电机(b)的给定转速量和输出转速量的差值，输出信号是输入至α阶逆系统(6)的输出转速控制量；
所述四个径向位置控制器(71、72、73、74)中的第一、三径向位置控制器(71、73)的输入信号是三自由度主动磁轴承(a)的给定径向位移量与输出径向位移量的差值，所述四个径向位置控制器(71、72、73、74)中的第二、第四径向位置控制器(72、74)的输入信号是二自由度无轴承同步磁阻电机(b)的给定径向位移量与输出径向位移量的差值，输出信号都是输入至α阶逆系统(6)的输出径向位移控制量；
所述轴向位置控制器(75)的输入信号是三自由度主动磁轴承(a)的给定轴向位移量与输出轴向位移量的差值，输出信号是输入至α阶逆系统(6)的输出轴向位移控制量。
2.根据权利要求1所述的五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器，其特征是：所述复合被控对象(8)具有第一、第二、第三、第四复合被控对象(81、82、83、84)，第一扩展的电流滞环PWM逆变器(2)和三自由度主动磁轴承径向悬浮力子系统(a1)组成第一复合被控对象(81)；开关功率放大器(5)和三自由度主动磁轴承轴向悬浮力子系统(a2)组成第二复合被控对象(82)；第二扩展的电流滞环PWM逆变器(3)和二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力子系统(b1)组成第三复合被控对象(84)；第三扩展的电流滞环PWM逆变器(4)和二自由度无轴承同步磁阻电机转矩子系统(b2)组成第四复合被控对象(83)。
3.根据权利要求2所述的五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器，其特征是：复合被控对象(8)的输入是α阶逆系统(6)输出的二自由度无轴承同步磁阻电机(b)的转矩绕组定子电流q轴分量参考值iq *和转矩绕组d轴上电流分量参考值id *、二自由度无轴承同步磁阻电机(b)的径向悬浮力绕组xb和yb轴上电流分量的参考值ibx *和iby *、三自由度主动磁轴承(a)的径向悬浮力绕组xa和ya轴上电流分量的参考值iax *和iay *、以及三自由度主动磁轴承(a)的轴向控制电流的参考值iz *，输出是二自由度无轴承同步磁阻电机(b)的转速ω和转子两个径向位移xb、yb、三自由度主动磁轴承(a)的两个径向位移xa、ya和一个轴向位移za。
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