CN102790579B - 一种五自由度无轴承永磁同步电机解耦控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五自由度无轴承永磁同步电机解耦控制器的构造方法，将三个Clark逆变换分别串接在相应的三个电流跟踪型逆变器之前，将三个电流跟踪型逆变器及一个线性功率放大器分别串接在同步电机及其负载模型之前共同组成复合被控对象；用具有17个输入节点、7个输出节点的支持向量机加11个积分器构成具有6个输入节点、7个输出节点的支持向量机逆，组成伪线性系统，设计相应的伪线性子系统控制器，构成线性闭环控制器，由线性闭环控制器、支持向量机逆、三个Clark逆变换、三个电流跟踪型逆变器和一个线性功率放大器共同构成同步电机解耦控制器，实现五自由度无轴承永磁同步电机的转子位移与转速之间的非线性动态解耦控制。

Description

一种五自由度无轴承永磁同步电机解耦控制器的构造方法

技术领域

本发明属于电力传动控制设备技术领域，是一种五自由度无轴承永磁同步电机解耦控制器的构造方法，无轴承永磁同步电机适用于高速、超高速特种电气传动，在数控机床、航空航天、密封泵、机电储能、生命科学等众多特殊电气传动领域具有广阔的应用前景。

背景技术

无轴承永磁同步电机根据磁轴承结构与传统电机结构相似性，将产生径向悬浮力的磁轴承绕组和永磁同步电机定子（转矩）绕组叠压在一起，使电机转子同时具有旋转和自悬浮能力，实现电机的无轴承化。无轴承永磁同步电机不仅具有永磁同步电机伺服系统体积小、重量轻、效率高、功率因数高、控制特性好等优点，而且具有磁轴承无摩擦、无磨损、不需润滑、高转速和高精度等优点，满足了众多场合需要高速、超高速电气传动的要求，在特种电气传动应用领域有着独特的优势。

五自由度无轴承永磁同步电机由1台二自由度无轴承永磁同步电机和1个三自由度径向-轴向混合磁轴承构成，是一个非线性、强耦合的多输入多输出复杂系统，对其进行非线性动态解耦控制实现五自由度无轴承永磁同步电机稳定悬浮运行的关键。

传统的基于无轴承永磁同步电机转矩绕组矢量控制方法，由于忽略了系统各变量之间的相互耦合作用，无法满足高速高精的运行要求。为提高五自由度无轴承永磁同步电机控制系统的动态性能，采用逆系统方法对五自由度无轴承永磁同步电机进行动态解耦控制，但其线性化解耦的实现，要求获得被控对象精确数学模型。而五自由度无轴承永磁同步电机作为一个复杂的非线性系统，参数在各种工况下变化十分显著，使逆系统方法难以在实际中真正得到应用。

目前的神经网络逆方法虽然能解决逆系统方法中逆模型难以求取的问题，但由于神经网络存在局部极小问题，且存在学习速度慢、训练时间长、理想样本提取困难、网络结构不易优化等缺陷，使得基于神经网络逆方法的五自由度无轴承永磁同步电机解耦控制效果不佳。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足而提供的一种基于支持向量机逆的五自由度无轴承永磁同步电机解耦控制器构造方法，该控制器既可以实现悬浮力和转速之间的动态解耦控制，又可以有效地提高五自由度无轴承永磁同步电机各项控制性能指标，如稳态跟踪精度、动态响应速度及参数鲁棒性。

本发明采用的技术方案是：其特征在于采用如下步骤：

1）先将三个Clark逆变换分别串接在相应的三个电流跟踪型逆变器之前，再将三个电流跟踪型逆变器以及一个线性功率放大器分别串接在五自由度无轴承永磁同步电机及其负载模型之前，共同作为一个整体组成复合被控对象；

2）用具有17个输入节点、7个输出节点的支持向量机加11个积分器                                                构成具有6个输入节点、7个输出节点的支持向量机逆，其中：支持向量机的第一个输入为支持向量机逆的第一个输入，其经第一个积分器的输出为支持向量机的第二个输入，再经第二个积分器为支持向量机的第三个输入；支持向量机的第四个输入为支持向量机逆的第二个输入，其经第三个积分器的输出为支持向量机的第五个输入，再经第四个积分器为支持向量机的第六个输入；支持向量机的第七个输入为支持向量机逆的第三个输入，其经第五个积分器的输出为支持向量机的第八个输入，再经第六个积分器为支持向量机的第九个输入；支持向量机的第十个输入为支持向量机逆的第四个输入，其经第七个积分器的输出为支持向量机的第十一个输入，再经第八个积分器为支持向量机的第十二个输入；支持向量机第十三个输入为支持向量机逆的第五个输入，其经第九个积分器的输出为支持向量机的第十四个输入，再经第十个积分器的输出为支持向量机的第十五个输入；支持向量机第十六个输入为支持向量机逆的第六个输入，其经第十一个积分器的输出为支持向量机的第十七个输入；支持向量机与11个积分器一起组成支持向量机逆，支持向量机的输出就是支持向量机逆的输出；

3）调整支持向量机的向量系数和阈值使支持向量机逆实现复合被控对象的逆系统功能，将支持向量机逆置于复合被控对象之前共同组成伪线性系统；

4）伪线性系统等效为五个位置二阶积分型的伪线性子系统和一个转速一阶积分型的伪线性子系统，设计相应的五个转子位置控制器、一个转速控制器；由五个转子位置控制器、一个转速控制器构成线性闭环控制器；

5）将线性闭环控制器、支持向量机逆和复合被控对象依次串接，由线性闭环控制器、支持向量机逆、三个Clark逆变换、三个电流跟踪型逆变器和一个线性功率放大器共同构成五自由度无轴承永磁同步电机控制器。

本发明的有益效果是：

1．针对五自由度无轴承永磁同步电机这一多变量、强耦合、非线性时变系统，采用支持向量机辨识复合被控对象的逆模型构造支持向量机逆，将原系统的控制转化为对五个转子位置二阶积分线性子系统和一个转速一阶积分线性子系统的控制，实现了多变量之间的非线性动态解耦控制。

2．针对线性化解耦后得到的五个转子位置二阶积分线性子系统和一个转速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设计方法设计线性闭环控制器，可获得五自由度无轴承永磁同步电机的高性能控制以及抗负载扰动的运行性能。

3．采用支持向量机加积分器来实现复合被控对象的逆系统，构造支持向量机逆控制器来实现对五自由度无轴承永磁同步电机的控制，完全摆脱了逆系统方法对数学模型的依赖性，能更好地实现五个自由度上的转子位移与转速之间的非线性动态解耦控制，有效地减小了电机参数变化与负载扰动对五自由度无轴承永磁同步电机性能的影响，显著地提高了五自由度无轴承永磁同步电机的性能指标。而且支持向量机在经验风险最小化的基础上同时采用了结构化风险最小化准则，不存在维数灾难和局部极小问题，推广性能较好，解决了学习中的“过学习”现象，具有很强的泛化能力，并利用最优化方法解决机器学习问题，成为现阶段克服“维数灾难”的有力工具，同时又能很好地解决小样本、非线性、高维模式识别、局部极小点等实际问题。

4、本发明基于支持向量机逆构造的五自由度无轴承永磁同步电机解耦控制器，结构简单、控制性能优良，实现了五自由度无轴承永磁同步电机悬浮力和转速的独立控制，提高了五自由度无轴承永磁同步电机控制性能，并且同样适用于其它类型的五自由无轴承电机控制系统，以及适用于五自由磁轴承支承的各类电机控制系统。

附图说明

图1是复合被控对象32的等效图；

图2是支持向量机逆42的构成图；

图3是伪线性系统51的等效图；

图4由线性闭环控制器61与伪线性系统51组成的闭环控制系统的结构图； 

图5是线性闭环控制器61、支持向量机逆42和复合被控对象32的连接图；

图6是本发明的构成总图。

图中： 11、12、13.Clark逆变换；21、22、23.电流跟踪型逆变器；24.线性功率放大器；31.五自由度无轴承永磁同步电机及其负载模型；32.复合被控对象；41.支持向量机；42.支持向量机逆；51.伪线性系统；61.线性闭环控制器；62、63、64、65、66..转子位置控制器；67.转速控制器；71.五自由度无轴承永磁同步电机控制器。

具体实施方式

本发明的实施方案是：首先将三个Clark逆变换、三个电流跟踪型逆变器、一个线性功率放大器与五自由度无轴承永磁同步电机及负载作为一个整体组成复合被控对象，该复合被控对象等效为静止坐标系下的11阶微分方程模型，系统向量的相对阶为{2,2,2,2,2,1}。采用17个输入节点、7个输出节点的支持向量机加11个积分器构成具有6个输入节点、7个输出节点的复合被控对象的支持向量机逆。并通过调整支持向量机的向量系数和阈值使支持向量机逆实现复合被控对象的逆系统功能。再将支持向量机逆串接在复合被控对象之前，支持向量机逆与复合被控对象复合成由五个二阶积分型位置子系统和一个一阶积分型转速子系统，从而将一个非线性、强耦合的多输入多输出复杂系统的控制转化为五个二阶积分子系统和一个一阶积分子系统的控制。对线性化解耦的五个二阶积分子系统和一个一阶积分子系统，采用鲁棒伺服调节器等设计方法设计五个位置控制器和一个转速控制器，位置控制器和转速控制器共同组成线性闭环控制器。最终构成由支持向量机逆、线性闭环控制器、三个Clark逆变换、三个电流跟踪逆变器和一个线性功率放大器组成的支持向量机逆控制器，对五自由度无轴承永磁同步电机进行动态解耦控制。

具体的实施分以下7步：

1、先将三个Clark逆变换11、12、13分别串接在相应的三个电流跟踪型逆变器21、22、23之前，再将三个电流跟踪型逆变器21、22、23以及一个线性功率放大器24分别串接在五自由度无轴承永磁同步电机及其负载模型31之前，共同构成复合被控对象32，如图1所示。该复合被控对象32以{,,,,,,}7个电流信号作为输入，转子五个自由度上的位置、、、、和转速为输出。

2、通过分析、等效与推导，为支持向量机逆的构造与学习训练提供方法上的根据。首先基于五自由度无轴承永磁同步电机工作原理，建立五自由度无轴承永磁同步电机数学模型，经过Clark变换和线性放大，得到复合被控对象32的数学模型，即静止坐标系下11阶微分方程，其向量相对阶为{2,2,2,2,2,1}。经推导可以证明该11阶微分方程可逆，即逆系统存在，并可确定其逆系统的6个输入为五个位置坐标的二阶导数和一个转速的一阶导数，7个输出分别为复合被控系统的七个输入。从而可以构造出支持向量机逆42，为学习训练提供了方法上的根据。

3、如图2所示，采用支持向量机41加11个积分器构造支持向量机逆42。其中支持向量机41的输入节点数为17，输出节点数为7，支持向量机41的向量系数和阈值将在下一步的离线学习中确定。接着采用具有17个输入节点、7个输出节点的支持向量机41加11个积分器构成，其中：支持向量机41的第一个输入为支持向量机逆42的第一个输入，其经第一个积分器的输出为支持向量机41的第二个输入，再经第二个积分器为支持向量机41的第三个输入；支持向量机41的第四个输入为支持向量机逆42的第二个输入，其经第三个积分器的输出为支持向量机41的第五个输入，再经第四个积分器为支持向量机41的第六个输入；支持向量机41的第七个输入为支持向量机逆42的第三个输入，其经第五个积分器的输出为支持向量机41的第八个输入，再经第六个积分器为支持向量机41的第九个输入；支持向量机41的第十个输入为支持向量机逆42的第四个输入，其经第七个积分器的输出为支持向量机41的第十一个输入，再经第八个积分器为支持向量机41的第十二个输入；支持向量机41第十三个输入为支持向量机逆42的第五个输入，其经第九个积分器的输出为支持向量机41的第十四个输入，再经第十个积分器的输出为支持向量机41的第十五个输入；支持向量机41第十六个输入为支持向量机逆42的第六个输入，其经第十一个积分器的输出为支持向量机41的第十七个输入。支持向量机与11个积分器一起组成支持向量机逆42，支持向量机41的输出就是支持向量机逆42的输出。

4、调整支持向量机41的向量系数和阈值，方法是：①将阶跃激励信号{,,,,,,}加到复合被控对象32的输入端；采集五自由度无轴承永磁同步电机的转子位移、、、、和转速。②将转子位移、、、、离线分别求其一阶和二阶导数，转速求其一阶导数，并对信号做规范化处理，组成支持向量机的训练样本集：

{,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,}。③选取高斯核函数为支持向量机的核函数，并且支持向量机41的正则化参数设定为1200，核宽度为2.1，从而离线调整支持向量机41的向量系数和阈值。

5、形成五个位置子系统和一个转速子系统。由支持向量机41与11个积分器构成支持向量机逆42，支持向量机逆42与复合被控对象32串连组成伪线性系统51，如图3所示，伪线性系统51等效为五个位置二阶积分型的伪线性子系统和一个转速一阶积分型的伪线性子系统，从而达到转子位移与转速之间的动态解耦，把复杂非线性系统控制转化为简单的6个单变量线性系统的控制。

6、如图4所示，设计线性闭环控制器。对五个位置二阶积分型的伪线性子系统和一个转速一阶积分型的伪线性子系统分别设计相应的五个转子位置控制器62、63、64、65、66和一个转速控制器67，再由这五个转子位置控制器62、63、64、65、66和一个转速控制器67构成线性闭环控制器61。采用鲁棒伺服调节器等设计方法对位置子系统进行综合，鲁棒伺服系统中，，五个转子位置控制器62、63、64、65、66参数选为，，，；一个转速控制器67采用PI控制器参数选为700和1200。

7、如图5和图6所示，构成支持向量机逆控制器，即本发明五自由度无轴承永磁同步电机控制器71。将线性闭环控制器61、支持向量机逆42和复合被控对象32依次串接，支持向量机逆42串接在三个Clark逆变换、三个电流跟踪逆变器与一个线性功率放大器之前，由线性闭环控制器61、支持向量机逆42、三个Clark逆变换11、12、13、三个电流跟踪型逆变器21、22、23和一个线性功率放大器24共同组成本发明五自由度无轴承永磁同步电机控制器71。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (1)

1.一种五自由度无轴承永磁同步电机解耦控制器的构造方法，其特征在于采用如下步骤：

1）先将三个Clark逆变换(11、12、13)分别串接在相应的三个电流跟踪型逆变器（21、22、23）之前，再将三个电流跟踪型逆变器（21、22、23）以及一个线性功率放大器（24）分别串接在五自由度无轴承永磁同步电机及其负载模型（31）之前，共同作为一个整体组成复合被控对象（32）；

2）用具有17个输入节点、7个输出节点的支持向量机（41）加11个积分器                                                构成具有6个输入节点、7个输出节点的支持向量机逆（42），其中：支持向量机（41）的第一个输入为支持向量机逆（42）的第一个输入，其经第一个积分器的输出为支持向量机（41）的第二个输入，再经第二个积分器为支持向量机（41）的第三个输入；支持向量机（41）的第四个输入为支持向量机逆（42）的第二个输入，其经第三个积分器的输出为支持向量机（41）的第五个输入，再经第四个积分器为支持向量机（41）的第六个输入；支持向量机（41）的第七个输入为支持向量机逆（42）的第三个输入，其经第五个积分器的输出为支持向量机（41）的第八个输入，再经第六个积分器为支持向量机（41）的第九个输入；支持向量机（41）的第十个输入为支持向量机逆（42）的第四个输入，其经第七个积分器的输出为支持向量机（41）的第十一个输入，再经第八个积分器为支持向量机（41）的第十二个输入；支持向量机（41）第十三个输入为支持向量机逆（42）的第五个输入，其经第九个积分器的输出为支持向量机（41）的第十四个输入，再经第十个积分器的输出为支持向量机（41）的第十五个输入；支持向量机（41）第十六个输入为支持向量机逆（42）的第六个输入，其经第十一个积分器的输出为支持向量机（41）的第十七个输入；支持向量机（41）与11个积分器一起组成支持向量机逆（42），支持向量机（41）的输出就是支持向量机逆（42）的输出；

3）调整支持向量机（41）的向量系数和阈值使支持向量机逆（42）实现复合被控对象（32）的逆系统功能，将支持向量机逆（42）置于复合被控对象（32）之前共同组成伪线性系统（51）；支持向量机（41）的向量系数和阈值的确定方法为：将阶跃激励信号{,,,,,,}加到复合被控对象（32）的输入端；采集五自由度无轴承永磁同步电机的转子位移、、、、和转速，将五个转子位移、、、、离线分别求其二阶导数，转速求其一阶导数，并对信号做规范化处理，组成支持向量机（41）的训练样本集

{,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,}，并选取高斯核函数作为支持向量机（41）的核函数，设定正则化参数为1200，核宽度为2.1，对支持向量机（41）进行训练，从而确定支持向量机（41）的向量系数和阈值；

4）伪线性系统（51）等效为五个位置二阶积分型的伪线性子系统和一个转速一阶积分型的伪线性子系统，设计相应的五个转子位置控制器（62、63、64、65、66）、一个转速控制器（67）；由五个转子位置控制器（62、63、64、65、66）、一个转速控制器（67）构成线性闭环控制器（61）；

5）将线性闭环控制器（61）、支持向量机逆（42）和复合被控对象（32）依次串接，由线性闭环控制器（61）、支持向量机逆（42）、三个Clark逆变换(11、12、13)、三个电流跟踪型逆变器（21、22、23）和一个线性功率放大器（24）共同构成五自由度无轴承永磁同步电机控制器（71）。