CN103501148A - 一种无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行控制方法。首先建立转子径向位移与转矩绕组电流，悬浮绕组电压，悬浮绕组电流及转子角度之间的非线性数学模型；然后采用多项式核、指数核、径向基核函数的线性组合构建多核最小二乘支持向量机；采集输入数据与输出数据进行预处理与归一化，对多核最小二乘支持向量机进行训练，调整并确定支持向量机的权系数及阈值；再将多核最小二乘支持向量机径向位移预测模块串接于无轴承永磁同步电机系统中；设计位移控制器，实现电机无径向位移传感器控制。本发明省略原系统中机械式位移传感器及其接口电路，降低系统成本，提高系统高速、超高速运行性能，具有较强的自适应性、鲁棒性和容错性。

Description

一种无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于多核最小二乘支持向量机的无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行控制方法，适用于无轴承永磁同步电机高性能控制，属于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

无轴承永磁同步电机将产生径向力的磁悬浮控制绕组和永磁同步电机定子转矩绕组叠绕在一起，通过控制转矩绕组与悬浮绕组电流，同时实现电机旋转和转子的稳定悬浮。无轴承永磁同步电机具有无润滑、无磨损、无机械噪声等特点，可以用于真空技术、无菌车间或超纯净介质的传输等生化医学领域。与传统磁轴承电机相比，其轴向尺寸减小，可突破更高转速和更大功率限制，特别适用于高速飞轮储能系统、飞机启动发电系统和电子设备高效冷却系统等大功率、微小型、超高速领域。

无轴承永磁同步电机转子稳定悬浮控制需要检测转子径向位移，传统转子径向位移检测采用机械式位移传感器（电涡流式、差动变压器式、光电式等），存在安装、连接、可靠性等问题。同时，采用位移传感器需要在电机转轴上安装测试盘，增加电机轴向长度，不利于无轴承电机向小型化、大功率、高转速方向发展。另外，高精度位移传感器价格昂贵，传感器测出信号需要额外的硬件调理电路，增加系统成本。因此，采用无径向位移传感器技术，是提高系统可靠性，发挥系统高速、超高速特性，实现无轴承电机低成本、实用化运行的有效途径之一。

与普通永磁同步电机相比，无轴承永磁同步电机稳定运行时转子处于自悬浮状态，其转子径向位移更容易产生振动和突变。不同运行工况下，无轴承永磁同步电机受负载扰动以及参数变化影响很大，要实现其稳定悬浮，必须对径向位移进行准确预测。

当前无轴承永磁同步电机无径向位移传感器技术主要采用高频激励信号注入法，利用电机转矩控制绕组和悬浮绕组互感、或者悬浮绕组自感与位移之间关系，通过检测悬浮绕组两端差动电压来估算径向位移，该方法存在高频信号提取、信号滤波处理过程复杂等缺陷。由于持续注入一定幅值的高频电压信号，会对基波电压有一定影响。其次是采用观测器方法估计转子径向位移，这类方法需建立精确的数学模型，但无轴承电机本身是一个复杂、难以精确建模的系统，同时电机在实际运行中，存在参数摄动、负载突变以及磁饱和与铁损等未建模动态，这些不确定因素将引起模型失配。因此，该方法存在估计精度不高、对电机参数变化敏感、鲁棒性差等缺陷。

实现转子径向位移的精确自检测，抑制电机参数摄动及负载扰动，克服未建模动态的干扰，是实现无轴承永磁同步电机无径向位移传感器稳定悬浮运行的关键问题。 

发明内容

本发明的目的是为了能在全速范围内快速准确检测无轴承永磁同步电机转子径向位移，并能在参数突变、负载扰动条件下实现无轴承永磁同步电机无径向位移传感器稳定悬浮运行，提高无轴承永磁同步电机高速、超高速运行时工作性能，实现无轴承永磁电机低成本、实用化运行。

本发明采用的技术方案依次采用如下步骤:

1. 建立两相静止坐标系下，无轴承永磁同步电机转子径向位移x、y与转矩绕组电流i _1α 、i _1β ，悬浮绕组电压u _2α 、u _2β ，悬浮绕组电流i _2α 、i _2β 及转子角度θ之间的非线性数学模型；

2. 设计多核最小二乘支持向量机，采用多项式核、指数核、径向基核三个核函数的线性组合构建新的等价核；

3. 在矢量控制下，有径向位移传感器时，设置转速与径向位移激励，采集多核最小二乘支持向量机训练数据。其中，输入数据为X _i =[i _1α 、i _1β 、u _2α 、u _2β 、i _2α 、i _2β 、θ]，输出数据分别为转子径向位移x，y。对采集的数据进行数字滤波及归一化处理，选取N对有效数据作为训练与测试样本；

4. 对多核最小二乘支持向量机进行训练，调整并确定x，y方向各自对应的多核最小二乘支持向量机的权系数及阈值；

5. 将多核最小二乘支持向量机径向位移预测系统串接于无轴承永磁同步电机原系统中构造成无径向位移传感器，设计闭环控制器，以实现无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行。

本发明的有益效果是：

1. 本发明采用多核最小二乘支持向量机进行转子径向位移预测，多核最小二乘支持向量机的核函数采用三种对称核函数的线性组合，可提高系统逼近精度。利用支持向量机的结构风险最小化原则、强非线性拟合、良好的泛化能力，建立具有较强自适应性、鲁棒性的无轴承永磁同步电机转子径向位移估计系统。

2. 本发明无需使用经验知识，也无需深入了解无轴承永磁同步电机的运行机理特性，只需使用输入和输出数据就可以实现径向位移系统的黑箱辨识。黑箱辨识后，只要通过对输入数据的学习，即可预测出转子径向位移，克服了传统高频信号注入法信号处理复杂、精度及稳定性差及观测器方法中要求精确建模的缺陷。

3. 无径向位移传感器构造方法中所需的输入信号均为实际工程中容易获得的直接可测量变量，多核支持二乘支持向量机可通过软件编程实现。采用本发明，省略了机械式径向位移传感器及其接口电路，不需要对无轴承永磁同步电机系统进行其它改动，易于工程实现。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是由7个输入变量、1个输出变量组成的多核最小二乘支持向量机预测x方向径向位移的流程图；

图2是由7个输入变量、1个输出变量组成的多核最小二乘支持向量机预测y方向径向位移的流程图；

图3是矢量控制下，无轴承永磁同步电机多核最小二乘支持向量机无径向位移传感器控制原理框图。

具体实施方式

本发明的实施方案是：建立两相静止坐标系下，无轴承永磁同步电机悬浮绕组磁链                                               

、

的数学模型及转子径向位移x、y与转矩绕组电流i _1α 、i _1β 、悬浮绕组电压u _2α 、u _2β ，悬浮绕组电流i _2α ，i _2β 及转子角度θ之间的非线性数学模型；设计多核最小二乘支持向量机，采用多项式核、指数核、径向基核三个核函数的线性组合构建新的等价核；采集输入数据[i _1α 、i _1β 、u _2α 、u _2β 、i _2α 、i _2β 、θ]与输出数据x，y进行预处理与归一化，组成训练样本，对多核最小二乘支持向量机进行训练，调整并确定支持向量机的各个权系数及阈值；将多核最小二乘支持向量机构建自适应径向位移估算模块串接于无轴承永磁同步电机系统中，预测转子径向位移x、y；将上述位移信号x和y分别与给定的无轴承永磁同步电机转子参考位移信号x ^* 、y ^* 进行比较；经过位移环控制器调节后分别得到x、y方向给定悬浮力

和

；由悬浮解耦控制算法得到悬浮控制所需的给定三相电流信号

、

、，并通过电流跟踪型逆变器的得到实时控制的三相电流i _2a 、i _2b 、i _2c 。

具体实施依次分为以下6步：

1. 建立转子径向位移x，y的非线性数学模型

本发明以转矩绕组极对数P ₁=2，悬浮绕组极对数P ₂=1的表贴式无轴承永磁同步电机为例，进行转子径向位移x，y的非线性数学模型建立的说明。

两相静止α，β坐标系下，无轴承永磁同步电机转矩绕组等效电流分量i _1αp 、i _1βp ，悬浮绕组磁链

、

分别为：

             

                          （1）

式中，i _1α 、i _1β 为转矩绕组N _a 、N _b 中通过的实际电流；I _p 为永磁体等效电流分量幅值；θ为转子角度；I _p cos(2θ)、 I _p sin(2θ)分别为永磁体在转矩绕组中的等效励磁电流；x、y为转子径向位移；

为转矩绕组与径向悬浮力绕组的互感相对于径向位移x和y的导数；L ₂为悬浮绕组自感；i _2α 、i _2β 为悬浮绕组N _x 、N _y 中的瞬时电流。

由式（1）可推出转子径向位移为：

                

                 （2）

由电机学理论，悬浮绕组磁链

、

也可以表示为：

                     （3）

式中，R ₂为悬浮绕组电阻；u _2α 、u _2β 为悬浮绕组电压；

、

分别为悬浮绕组磁链

、

的初始值，且：

              （4）

式中，x(0), y(0)为转子初始时刻位置。因此，转子径向位移可表示为：

   （5）

由式(1)和式(5)可以看出，转子径向位移是转矩绕组电流i _1α 、i _1β ，悬浮绕组电压u _2α 、u _2β 、电流i _2α 、i _2β 、及转子位置θ的非线性组合。

需要说明的是，式(5)非线性函数可以不用求解，此式是为多核最小二乘支持向量机的构造与学习训练提供方法上的根据。

2. 构造多核最小二乘支持向量机中核函数

支持向量机作为一类数据驱动的建模方法，由训练数据来建立相应的输入输出映射关系。多核最小二乘支持向量机中，新的等价核由多个核函数线性加权组合而成. 在权衡建模精度与计算复杂度的基础上，选择三个核函数，即多项式核

、指数核、径向基 (RBF) 核

用于构建新的等价核，因此用于无轴承永磁同步电机建模的等价核函数可以表示为：

                    

                       （6）

其中，

，且

，k=1,2,3。为降低等价核 K 对单个核函数参数的依赖性，提高预测建模精度，权值λ _k (k = 1，2，3) 的选择以每个核函数预测建模的均方根误差(root mean squared error，RMSE) 作为评测标准，即 RMSE较小的核给定较大的权值。预测 RMSE 定义如下：

                          

                     （7）

其中，O是无轴承永磁同步电机系统的真实输出值，

是多核最小二乘支持向量机模型输出值，L为选取数据的序列长度。λ _k 的选择方法为：

                         

                            （8）

其中，R _k （k=1,2,3）表示第k个核函数的RMSE值，

为所有核函数的σ _RMSE 总和。

3. 选取输入变量与输出变量

在矢量控制下，有径向位移传感器时，设置转速及径向位移激励信号，选取转矩绕组电流i _1α 、i _1β ，悬浮绕组电压u _2α 、u _2β 、悬浮绕组电流i _2α 、i _2β 及转子位置θ作为支持向量机的输入变量，输出变量为转子径向位移x和y。其中，转速输入为其调速范围内的正弦分布的随机量，径向位移为无轴承电机气隙距离内的正弦分布的随机量。为了使采样数据同时包含系统响应的动态和稳态信息，给定信号值的持续时间足够长，信号采样时间充分小，以保证有足够多的样本。

4. 采样样本预处理

对输入与输出信号进行滤除噪声及归一化处理，从而获得较精确的输入输出数据，组成多核最小二乘支持向量机的训练样本集。选取N组代表性的样本数据，其中每组样本数据包含7个输入变量X _i =[x ₁, x ₂, x ₃, x ₄, x ₅, x ₆, x ₇]=[i _1α 、i _1β 、u _2α 、u _2β 、 i _2α 、i _2β 、θ]，对应的输出变量分别为x和y，形成采样样本。

5. 调整并确定多核最小二乘支持向量机的权系数及阈值

依据采样样本，采用最小二乘法在PC机内由Matlab软件对多核最小二乘支持向量机进行离线训练，选取2/3的样本对多核最小二乘支持向量机进行训练；另外1/3用于多核最小二乘支持向量机的测试数据。经过1000次左右训练，支持向量机输出均方误差小于0. 001,满足要求，从而确定多核支持向量机中的权值W _ji 及阈值b _j 。

由于多核最小二乘支持向量机只能用于单输出函数的逼近问题，为实现x，y方向径向位移辨识，分别设计相应的学习机。根据式（9）得到x，y方向径向位移估计值。

                    

                        （9）

式中，i=1,2,…N ； N为训练样本个数，W _1i 、W _2i 、b ₁ 、b ₂分别为x、y方向径向位移多核最小二乘支持向量机的权值和阈值，K(X _i ,X)为等价核函数。

多核最小二乘支持向量机预测转子径向位移流程如图1、图2所示，图中标号：i _1α 、i _1β 分别为转矩绕组两相静止坐标系下反馈电流；u _2α 、u _2β 、i _2α 、i _2β 分别为悬浮绕组两相静止坐标系下反馈电压与电流，作为转子径向位移预测的输入信号；θ为实测转子角位置；x、y为采用多核最小二乘支持向量机估计的转子径向位移。 

6. 建立无轴承永磁同步电机无径向位移传感器控制系统

将训练好的多核最小二乘支持向量机串接于无轴承永磁同步电机中，构成径向位移预测模块，实现转子径向位移在线实时预测。设计转子径向位移控制器，本发明采用PID控制，其参数根据实际控制对象进行调整。采用矢量控制的无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行控制框图如图3所示。图中标号：ω*、x*、y*为参考转子角速度及转子径向位移；ω为实测转子角速度；θ为实测转子角位置；x、y为采用多核最小二乘支持向量机估计的转子径向位移；ε _ω 、ε _x 、ε _y 为转速误差及转子径向位移误差；θ ₁为转矩绕组A相绕组中心线与d轴的初始相位角；

、

为转矩绕组控制所需的两相静止坐标系下电流，经Park变换后得三相电流 

、

、

，通过电流跟踪型逆变器得到实时控制的三相电流i _1a 、i _1b 、i _1c ；

和

为转子悬浮所需的给定悬浮力，经力/电流转换后得到两相静止坐标系下悬浮绕组控制所需电流

、

，经Park变换后得三相电流

、

、

，通过电流跟踪型逆变器得到实时控制的三相电流i _2a 、i _2b 、i _2c ；i _1α 、i _1β 分别为转矩绕组两相静止坐标系下反馈电流；u _2α 、u _2β 、i _2α 、i _2β 分别为悬浮绕组两相静止坐标系下反馈电压与电流，作为转子径向位移预测的输入信号。

根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行控制方法，包括如下步骤：

（1）建立两相静止坐标系下，无轴承永磁同步电机转子径向位移x、y与转矩绕组电流i _1α 、i _1β ，悬浮绕组电压u _2α 、u _2β ，悬浮绕组电流i _2α 、i _2β 及转子角度θ之间的非线性数学模型；

（2）设计多核最小二乘支持向量机，采用多项式核、指数核、径向基核三个核函数的线性组合构建新的等价核；

（3）在矢量控制下，有径向位移传感器时，设置转速与径向位移激励，采集多核最小二乘支持向量机训练数据，其中，输入数据为X _i =[i _1α 、i _1β 、u _2α 、u _2β 、i _2α 、i _2β 、θ]，输出数据分别为转子径向位移x，y；对采集的数据进行数字滤波及归一化处理，选取N对有效数据作为训练与测试样本；

（4）对多核最小二乘支持向量机进行训练，调整并确定x，y方向各自对应的多核最小二乘支持向量机的权系数及阈值；

（5）将多核最小二乘支持向量机径向位移预测系统串接于无轴承永磁同步电机原系统中构造成无径向位移传感器，设计闭环控制器，实现无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行。

2.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行控制方法，其特征在于：步骤（3）中，通过确定合适的给定信号值的持续时间和信号采样时间，使采样数据同时包含系统响应的动态和稳态信息，保证有足够多的样本。

3.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁同步电机无径向位移传感器运行控制方法，其特征在于：在步骤（5）之前，依据采样样本，采用最小二乘法对多核最小二乘支持向量机进行离线训练，选取2/3的样本对多核最小二乘支持向量机进行训练；另外1/3用于多核最小二乘支持向量机的测试数据。

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