CN104660141A - 无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统,包括定子磁链定向原系统、定子磁链定向逆系统以及四个调节器；所述四个调节器是转速调节器、磁链调节器及两个位移调节器，将所述定子磁链定向逆系统串接在定子磁链定向原系统之前，使系统解耦为四个线性子系统：一阶转速子系统、一阶定子磁链子系统及α和β两个径向位移二阶子系统，四个线性子系统分别对应连接所述四个调节器，该四个调节器又分别连接到定子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统。本发明在转矩系统定子磁链定向控制的基础上，对无轴承异步电机系统进行整体逆系统解耦控制，有效避免转子参数对电机控制性能的影响，提高了电机运行控制性能。

Description

无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统

技术领域

本发明涉及交流电机驱动与控制技术领域，尤其涉及无轴承异步电机定子磁链定向控制（SFOC）的高性能动态解耦控制方法及系统。

背景技术

无轴承电机是近年来发展起来的适合于高速运转的新型电机，在航空航天、物料密封传输、先进制造等领域具有广泛的应用前景。无轴承异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂控制系统，其中存在复杂的非线性电磁耦合关系，要实现其高性能悬浮运行控制，必须实现电机转速、磁链和两个转子径向位移分量之间的动态解耦控制；而逆系统方法是针对多变量、非线性系统进行线性化解耦的有效手段，因而可被应用于无轴承电机的解耦控制。

现有技术对无轴承异步电机的逆系统解耦控制虽有一些研究，但都是以转子磁链定向控制（RFOC）为基础，电机运行过程中，转子磁链的估算精度难免会受到转子参数的影响。和转子磁链定向控制相比，定子磁链定向控制（SFOC）可免受转子参数的影响。若能在转矩系统定子磁链定向控制的基础上，对无轴承电机进行整体系统的逆动态解耦，不但能保证控制系统性能，而且可有效避免转子参数对电机磁链估算精度的影响。目前，基于转矩系统定子磁链定向的无轴承电机整体逆解耦控制方法，一直未见适用的设计被发展完成，是当前业界急需改进的目标。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种无轴承异步电机的定子磁链定向控制逆解耦控制系统，采用定子磁链定向控制取代传统的转矩系统转子磁链定向控制，解决的技术问题是有效避免现有技术无轴承异步电机运行过程中转子参数对电机控制性能的影响，把无轴承电机系统动态解耦为四个（伪）线性子系统，对各线性子系统配置合适的调节器，提高无轴承异步电机的运行控制性能。

本发明具体是采用以下技术方案及技术措施来实现的。

本发明提出一种无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，包括无轴承异步电机定子磁链定向原系统、无轴承异步电机定子磁链定向逆系统以及四个调节器；所述四个调节器是一个转速调节器、一个磁链调节器及两个位移调节器，所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机定子磁链定向原系统之前，并解耦为四个线性子系统：一个一阶转速子系统、一个一阶定子磁链子系统及α和β两个径向位移二阶子系统，该四个线性子系统分别对应连接所述四个调节器，该四个调节器又分别连接到无轴承异步电机定子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统；其中，

所述无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型为：

，

式中，定义原系统的输入控制量为，系统状态变量为，系统输出变量为，是转子的质量，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数, 是转矩系统在dq坐标系中的转子漏感，定义dq坐标系为转矩系统定子磁链定向坐标系,表示转矩绕组电压的d轴分量,为定子电阻, 为转矩绕组的磁极对数,J为转动惯量，T _L 为负载转矩；

所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：

，

式中，定义逆系统的输入量为。

较佳的，前述无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，其中所述无轴承异步电机定子磁链定向原系统的构造方法是：

（1）定义αβ为静止两相对称坐标系、dq为转矩系统定子磁链定向同步旋转两相对称坐标系；

（2）根据二极悬浮控制四极无轴承异步电机的工作原理，得到基于定子磁链定向的转矩系统磁链方程是，转矩方程是： 

,为定子磁链幅值，αβ坐标系下的定子磁链估计模型是：

 ，

其中，为定子磁链的d轴分量，为定子磁链幅值，为定子磁链相位角，、分别为转矩绕组电流的d、q轴分量，、分别为定子磁链的α、β轴分量，、分别为定子磁链电流的α、β轴分量，、分别为定子磁链电压的α、β轴分量；

（3）根据无轴承异步电机的工作原理，得到二极磁悬浮系统的可控径向电磁力模型：

，F _α、F _β分别为静止α、β坐标轴向的可控径向悬浮力分量，i _s2d 、i _s2q 分别为悬浮控制电流的d、q轴分量，ψ _1d、ψ _1q分别为四极转矩系统气隙磁链的d、q轴分量，表达式为：；

（4）根据机械动力学原理，构造无轴承异步电机的转子旋转运动方程、径向磁悬浮运动方程： ，式中，、分别为转子发生径向偏心时在电机内部产生的α、β向单边电磁拉力，，，是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数，ω为转子旋转角频率；

（5）定义原系统的输入控制量为，系统状态变量为，系统输出变量为，结合步骤（2）至（4）的公式可得出无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型：

。

较佳的，前述无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的构造方法是：采用Interactor算法，判定无轴承异步电机定子磁链定向原系统具有可逆性，定义逆系统的输入量为，根据隐函数定理，得出无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：

。

与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果：

1、本发明在转矩系统定子磁链定向控制的基础上，对无轴承异步电机进行整体逆系统解耦控制，定子磁链可根据其定子电压、电流和定子电阻参数等实时计算得到，可有效避免转子参数对电机磁链计算精度的影响，提高了电机的运行控制性能；

2、本发明在转矩系统定子磁链定向控制的基础上，对无轴承异步电机进行整体逆系统解耦控制，可实现转速、磁链、两径向位移分量之间的交叉耦合关系，把无轴承电机系统动态解耦为四个（伪）线性子系统；再采用线性系统控制理论，为各线性子系统配置合适的调节器，提高了电机的运行控制性能。

附图说明

图1是本发明无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统的逆系统动态解耦原理图。

图2是本发明无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统的结构图。

具体实施方式

为使本发明的内容更明显易懂，以下结合具体实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的核心思想是：

1）无轴承异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂对象，其中存在复杂的非线性电磁耦合关系；逆系统法是适用于多变量、复杂非线性系统的动态解耦控制方法，通过逆系统法，能实现无轴承异步电机内部各耦合变量之间的交叉耦合关系；

2）无轴承异步电机转矩系统的定子磁链，可根据其定子电压、电流和定子电阻参数等实时计算得到，而且不受易变转子电阻参数的影响。因此，采用定子磁链定向控制，可有效避免转子参数对电机磁链计算精度的影响，从而避免转子参数对电机控制性能的影响；

3）在转矩系统定子磁链定向控制的基础上，对无轴承异步电机系统进行整体逆系统解耦控制，不但可有效避免转子参数对电机控制性能的影响，还可实现转速、磁链、两径向位移分量之间的交叉耦合关系，把无轴承电机系统动态解耦为四个（伪）线性子系统；再采用线性系统控制理论，为各线性子系统配置合适的调节器，即可实现无轴承异步电动机的高性能运行控制。

基于上述理论基础，本发明设计的无轴承异步电机SFOC逆解耦控制系统包括无轴承异步电机定子磁链定向原系统、无轴承异步电机定子磁链定向逆系统以及四个调节器构成；所述四个调节器是一个转速调节器、一个磁链调节器及两个位移调节器，将所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机定子磁链定向原系统之前，使系统解耦为四个线性子系统：一个一阶转速子系统、一个一阶定子磁链子系统及α和β两个径向位移二阶子系统，四个线性子系统分别对应连接所述四个调节器，该四个调节器又分别连接到无轴承异步电机定子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统。具体包括如下步骤：

步骤一、构造无轴承异步电机定子磁链定向数学模型

（1）定义αβ为静止两相对称坐标系、dq为转矩系统定子磁链定向同步旋转两相对称坐标系。

（2）根据二极悬浮控制四极无轴承异步电机的工作原理，可得基于定子磁链定向的转矩系统磁链方程是：

                           (1)

转矩方程是：

                                       (2)

αβ坐标系下的定子磁链估计模型是：

                     (3)

其中，为定子磁链的d轴分量，为定子磁链幅值，为定子磁链相位角，、分别表示转矩绕组的d、q轴电压分量，、分别表示转矩绕组电流的d、q轴分量，、分别为定子磁链的α、β轴分量，、分别为定子磁链电流的α、β轴分量，、分别为定子磁链电压的α、β轴分量，为定子电阻, 为转矩绕组的磁极对数。

（3）根据无轴承异步电机的工作原理，推导出二极磁悬浮系统的可控径向电磁力模型：

                      (4)

式中，F _α、F _β分别为静止α、β坐标轴向的可控径向悬浮力分量，i _s2d 、i _s2q 分别为悬浮控制电流的d、q轴分量，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，表达式为：

                       (5)

ψ _1d、ψ _1q分别为四极转矩系统气隙磁链的d、q轴分量，表达式为：

                       (6)

   是转矩系统在dq坐标系中的转子漏感。

（4）根据机械动力学原理，构造无轴承异步电机的转子旋转运动方程、径向磁悬浮运动方程：

                       (7)

式中，m为转子的质量，J为转动惯量，T _L 为负载转矩，、分别为转子发生径向偏心时在电机内部产生的α、β向单边电磁拉力，表达式为：

，                        (8)

  是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数，

                            (9)

为四极转矩系统的气隙磁密幅值。

需要说明的是，本发明的公式及字母较多，为突出本发明的重点，本发明公式的字母含义并未一一释义，未释义的字母均有固定的参数含义，是本领域技术人员知悉的。

步骤二、构造无轴承异步电机定子磁链定向原系统数学模型

具体的，分别选取原系统的输入控制量、系统状态变量、系统输出变量如下：

               (10)

           (11)

                (12)

将（10）～（12）式代入（1）和(7)式，整理可得基于定子磁链定向的无轴承异步电机原系统数学模型：

            (13)

步骤三、构造无轴承异步电机定子磁链定向逆系统数学模型

具体的，采用Interactor算法，可判定基于定子磁链定向的无轴承异步电机原系统相对阶之和等于系统状态方程的维数，说明系统具有可逆性；再选取逆系统的输入量为：

               (14)

根据隐函数定理，可推导得到基于定子磁链定向的无轴承异步电机逆系统数学模型为：

 (15)

步骤四、构造无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦控制系统

如图1所示，是无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦控制系统的逆系统动态解耦原理图。按图1所示连接方式，把基于（15）式构造出的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机定子磁链定向控制原系统之前，把无轴承异步电机这一多变量、非线性、强耦合对象解耦为四个（伪）线性子系统：一个一阶转速子系统、一个一阶定子磁链子系统、α和β两个径向位移二阶子系统。

如图2所示，是无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦控制系统的结构图。根据线性或现代控制器的设计校正方法，对解耦后的各（伪）线性子系统进行闭环综合设计，分别设计一个转速调节器、一个磁链调节器及α和β两个径向位移调节器，一阶转速子系统与所述转速调节器连接，所述一阶定子磁链子系统与所述磁链调节器连接，所述径向位移二阶子系统与所述位移调节器连接，由各子系统及调节器共同构成一个完整的无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦控制系统，实现转矩、定子磁链和两个径向位移分量之间的动态解耦控制。

除了以上描述外,本发明还可以广泛地在其他实施例中，并且本发明的保护范围并不受实施例的限定，其以权利要求的保护范围为准。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改或等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，其特征在于，所述的定子磁链定向逆解耦控制系统包括无轴承异步电机定子磁链定向原系统、无轴承异步电机定子磁链定向逆系统以及四个调节器；所述四个调节器是一个转速调节器、一个磁链调节器及两个位移调节器，所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机定子磁链定向原系统之前，并解耦为四个线性子系统：一个一阶转速子系统、一个一阶定子磁链子系统及α和β两个径向位移二阶子系统，该四个线性子系统分别对应连接所述四个调节器，该四个调节器又分别连接到无轴承异步电机定子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统；其中，

所述无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型为：

，

式中，定义原系统的输入控制量为，系统状态变量为，系统输出变量为，是转子的质量，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数， 是转矩系统在dq坐标系中的转子漏感，定义dq坐标系为转矩系统定子磁链定向坐标系，表示转矩绕组电压的d轴分量，为定子电阻， 为转矩绕组的磁极对数，J为转动惯量，T _L 为负载转矩；

所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：

，

式中，定义逆系统的输入量为。

2.根据权利要求1所述无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，其特征在于，其中所述无轴承异步电机定子磁链定向原系统的构造方法是：

（1）定义αβ为静止两相对称坐标系、dq为转矩系统定子磁链定向同步旋转两相对称坐标系；

（2）根据二极悬浮控制四极无轴承异步电机的工作原理，得到基于定子磁链定向的转矩系统磁链方程是，转矩方程是： ，为定子磁链幅值，αβ坐标系下的定子磁链估计模型是： ， 其中，为定子磁链的d轴分量，为定子磁链幅值，为定子磁链相位角，、分别为转矩绕组电流的d、q轴分量，、分别为定子磁链的α、β轴分量，、分别为定子磁链电流的α、β轴分量，、分别为定子磁链电压的α、β轴分量；

（3）根据无轴承异步电机的工作原理，得到二极磁悬浮系统的可控径向电磁力模型：，F _α、F _β分别为静止α、β坐标轴向的可控径向悬浮力分量，i _s2d 、i _s2q 分别为悬浮控制电流的d、q轴分量，ψ _1d、ψ _1q分别为四极转矩系统气隙磁链的d、q轴分量，表达式为：；

（4）根据机械动力学原理，构造无轴承异步电机的转子旋转运动方程、径向磁悬浮运动方程： ，式中，、分别为转子发生径向偏心时在电机内部产生的α、β向单边电磁拉力，，，是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数，ω为转子旋转角频率；

（5）定义原系统的输入控制量为，系统状态变量为，系统输出变量为，结合步骤（2）至（4）的公式可得出无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型：

。

3.根据权利要求1所述无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，其特征在于，所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的构造方法是：

采用Interactor算法，判定无轴承异步电机定子磁链定向原系统具有可逆性，定义逆系统的输入量为，根据隐函数定理，得出无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：

。