CN105071730A - 考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，包括考虑定子电流动态的定子磁链定向原系统、逆系统，以及四个调节器：两个位移调节器、一个磁链调节器及一个转速调节器，逆系统串接在原系统之前以解耦为四个线性子系统：α和β两个径向位移二阶线性子系统、一个定子磁链一阶线性子系统、一个转速二阶线性子系统，该四个线性子系统对应四个调节器，四个调节器分别对应连接到原系统的输出端和逆系统的输入端，构成逆解耦闭环控制系统。在考虑定子电流动态影响的基础上，本发明实现了可靠闭环解耦控制，省去了原系统的转矩绕组定子电流闭环和逆系统的负载转矩辨识环节，提高了系统控制性能。

Description

考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统

技术领域

本发明涉及特种交流电机驱动控制技术领域，是一种精确的无轴承异步电机逆系统解耦方法，尤其适用于构造无轴承异步电机高性能磁悬浮运行控制系统。

背景技术

无轴承电机是基于磁轴承与交流电机定子结构的相似性，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、强耦合的复杂控制对象，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；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动态解耦控制。

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为基础，而在电机运行过程中，转子磁链的辨识精度难免会受到转子参数的影响。尽管通过外部调节器可在一定程度上抑制转子参数的影响，但无法根除。和转子磁链相比，定子磁链的估计精度只依赖于定子电阻，基本不受转子参数的影响，因而具有更强的鲁棒性。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，关于无轴承电机定子磁链定向整体逆系统解耦控制系统，无论是否考虑绕组动态特性，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

本发明的主要目的是提供一种考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，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，解决的技术问题是对逆系统动态解耦后的四个线性子系统配置闭环调节器，实现可靠的闭环解耦控制，提高无轴承异步电机系统的动态控制性能和抗干扰能力。

本发明具体是采用以下技术方案及技术措施来实现的。

本发明提出一种考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，包括考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统、考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统以及四个调节器；所述四个调节器是两个位移调节器、一个磁链调节器及一个转速调节器，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以解耦为四个线性子系统：α和β两个径向位移量的二阶线性子系统、一个定子磁链ψ _s1的一阶线性子系统、一个转速ω的二阶线性子系统，该四个线性子系统对应所述四个调节器，该四个调节器对应连接到定子磁链定向原系统的输出端和定子磁链定向逆系统的输入端，构成逆解耦闭环控制系统；其中，

所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型为：

，

式中，定义原系统的输入量为，系统状态变量为，系统输出变量为，、分别为转矩绕组定子电流的d、q轴分量，、分别为悬浮绕组定子电流的d、q轴分量，为转矩系统定子磁链，ω为转子旋转角频率，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，m为转子质量，、分别为转矩系统在dq坐标系中的定、转子漏感，为电机结构决定的径向位移刚度系数，，，，为转矩绕组定子电阻，为转矩绕组转子电阻，为dq坐标系中的等效两相转矩绕组的自感，为dq坐标系中的等效两相转子绕组自电感，为转矩绕组的磁极对数,J为转动惯量,为负载转矩；

所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：

，

式中，取逆系统的输入量为。

较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其中所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型是由如下方法得到的：

（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）根据电机内部定子电流动态微分方程和定子磁链定向控制的静态与动态约束条件，可得考虑定子电流动态的定子磁链定向转矩系统动态数学模型为：

，

（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：

，

、分别为静止α、β坐标轴向的可控径向悬浮力分量，、分别为沿d、q坐标轴向的气隙磁链分量，其表达式为：

，

（4）根据动力学原理，构造转子径向悬浮运动方程为：

，

式中，m为转子的质量，、分别为转子发生径向偏心时在电机内部产生的α、β向不平衡转子单边电磁拉力，，，是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数；

（5）选取四极转矩绕组电压为输入变量，定义原系统的输入变量u、状态变量x、输出变量y分别为：

，

，

，

结合步骤（2）至（4）的公式可得出兼顾考虑不平衡转子单边电磁拉力影响和转矩绕组定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型：

。

较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学是由如下方法得到的：

通过Interactor算法分析可知，所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统是可逆的，对输出量逐次对时间求导，得到：

，

取逆系统输入变量为，则兼顾考虑不平衡转子单边电磁拉力影响和转矩绕组定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：

。

较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其中所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统包括悬浮绕组CRPWM电流跟踪控制逆变器、转矩绕组SPWM逆变器及无轴承异步电机，所述定子磁链定向逆系统输出的解耦控制变量、经反矢量坐标变换处理后送入CRPWM电流跟踪控制逆变器，输出三相磁悬浮绕组控制电流量到无轴承异步电机，实现转子的解耦悬浮控制；所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统输出的解耦控制变量、经反矢量坐标变换处理后送入电压调制SPWM逆变器，输出三相转矩绕组电压量到无轴承异步电机，实现转轴旋转驱动与定子磁链之间的动态解耦控制。

较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其中所述位移调节器和转速调节器是超前滞后调节器，其传递函数模型为：

，

式中的为放大系数，为超前时常，为滞后时常。

较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其中所述磁链调节器是比例积分调节器，其传递函数模型为：

，

式中的比例放大系数，为积分系数。

与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果：

1、本发明在兼顾考虑不平衡转子单边电磁拉力影响和转矩绕组定子电流动态的基础上，提出了考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，以定子磁链定向逆解耦控制取代传统的转子磁链定向逆解耦控制，可有效避免转子参数对电机磁链控制性能的影响，提高转子磁悬浮控制性能；

2、本发明把具有非线性、多变量、强耦合性的无轴承异步电机系统解耦为α和β两个径向位移子系统、定子磁链子系统及电机转速子系统四个线性子系统，再对各子系统配置适当的闭环调节器，实现了两个径向位移分量、定子磁链、电机转速之间的可靠闭环解耦控制，并且可省掉定子磁链定向原系统中的转矩绕组定子电流闭环和逆系统中的负载转矩辨识环节，系统结构得到简化，提高了系统的动态控制性能和抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统解耦原理图。

图2是本发明考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统。

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；而逆系统法正是适用于多变量、复杂非线性系统的有效动态解耦方法。

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）在建立系统数学模型时，选取定子电压为转矩原系统输入控制量，其定子电流动态微分方程即可被引入无轴承异步电机原系统和逆系统动态数学模型，从而转矩原系统的d、q轴间原有的交叉耦合可通过逆系统方法自然得到解耦，可省略掉原磁场定向控制系统中的定子电流闭环控制环节，使系统结构得到简化。

4）在考虑定子电流动态特性对转矩系统定子磁链定向控制的基础上，推导出的无轴承异步电机系统整体逆系统模型中不再含有难以预测的负载转矩变量，可以省略掉逆系统实现时的负载转矩在线辨识环节，进一步简化系统结构。

5）通过逆系统解耦，可把非线性、强耦合、多变量的无轴承异步电机系统动态解耦为转速、磁链、两个径向位移分量等四个伪线性子系统；在此基础上为各子系统配置合适的闭环调节控制器，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，本发明设计的考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统包括：考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统（以下简称原系统）、考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统（以下简称逆系统）以及四个调节器；所述四个调节器是两个位移调节器、一个磁链调节器及一个转速调节器，所述逆系统串接在原系统之前，使逆系统和原系统组成的无轴承异步电机系统被动态解耦为四个线性子系统：α和β两个径向位移量的二阶线性子系统、一个定子磁链ψ _s1的一阶线性子系统、一个转速ω的二阶线性子系统，该四个线性子系统分别对应连接所述四个调节器，该四个调节器分别对应连接到定子磁链定向原系统的输出端和定子磁链定向逆系统的输入端，构成逆解耦闭环控制系统。具体包括如下步骤：

步骤一、建立考虑定子电流动态的定子磁链定向无轴承电机系统数学模型

（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。忽略二极悬浮磁场对四极转矩磁场的影响，考虑电机内部定子电流动态微分方程，结合定子磁链定向控制的静态与动态约束条件，可得到考虑定子电流动态的定子磁链定向转矩系统动态数学模型为：

(1)

电机的同步角速度可表示为：

(2)

式（1）、（2）中，、为转矩绕组定子电流的d、q轴分量，为转矩系统定子磁链，ω为转子旋转角频率，是同步角频率，为dq坐标系中等效两相转矩绕组的激磁电感，为dq坐标系中的等效两相转矩绕组的自感，；为dq坐标系中的等效两相转子绕组自电感，，、分别为转矩系统在dq坐标系中的定、转子漏感，为转矩绕组定子电阻，为转矩绕组转子电阻，为负载转矩，为转矩绕组的磁极对数，J为转动惯量,参数，，。

（2）在悬浮控制电流解耦计算过程中，要用到转矩系统的气隙磁链信息。沿d、q坐标轴向的两个气隙磁链分量可通过转矩系统气隙磁链与定子磁链之间的关系实时辨识得到：

，(3)

同时，忽略转子偏心引起的两套绕组之间的互感耦合影响，根据无轴承异步电机的工作原理，可推导出二极磁悬浮系统的可控径向电磁力模型：

(4)

式中，、分别为沿d、q坐标轴向的气隙磁链分量；、分别为沿d、q轴坐标轴向的悬浮绕组定子电流分量；是由电机结构决定的磁悬浮力系数，其表达式为：

(5)

式中，为气隙磁导率，、分别为定子铁心长度和定子内半径；为三相对称悬浮绕组的单相激磁电感；、分别为三相四极整矩集中转矩绕组、三相二极整矩集中悬浮绕组的每相有效串联匝数。

（3）根据动力学原理，可得转子径向悬浮运动方程为：

(6)

式中，m为转子的质量；、为不平衡单边电磁拉力分量，其数值随转子位移量而变化，其计算表达式为：

、，

其中，是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数。

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、建立考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的状态空间动态数学模型

（1）选取原系统四极转矩系统的输入变量为：

，

状态变量为：，

输出变量为：，

（2）结合（1）式和（4）式，并考虑不平衡转子单边电磁拉力分量随径向位移变化的影响，整理得到考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统状态空间方程：

(7)

步骤三、建立考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的状态空间动态数学模型

（1）通过Interactor算法分析（7）式所述系统是可逆的

对输出量逐次对时间求导，直至输出量某阶导数中显含输入变量，求导结果为：

(8)

(9)

(10)

(11)

令：

(12)

根据（8）~（12）式，可得无轴承异步电机系统的Jacobi矩阵：

(13)

式中，为四极转矩系统的d轴转子磁链。在正常运转过程中，沿定子磁链定向d坐标轴方向的转矩系统气隙磁链分量、转子磁链分量都不等于零，故有。因此，Jacobi矩阵是满秩的。系统的相对阶为 ，且有：。根据逆系统定理，由（7）式所描述的原系统是可逆的。

（2）建立逆系统的状态空间动态数学模型

取逆系统输入变量为，并代入（8）～（11）式，整理可得考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统状态空间方程：

(14)

式（14）给出的逆系统动态模型的特点在于：其中不再含有难以预测的负载转矩变量，从而为简化无轴承异步电机解耦控制系统结构提供了便利。

步骤四、通过逆系统方法对定子磁链定向无轴承异步电机系统进行动态解耦

如图1所示，是本发明考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统解耦原理图。按图1所示连接方式，把基于（14）式构造出的逆系统串接在（7）式所述的原系统之前，把具有多变量、非线性、强耦性的无轴承异步电机解耦为四个线性子系统：α和β两个径向位移量的二阶线性子系统、一个定子磁链的一阶线性子系统、一个转速ω的二阶线性子系统。

步骤五、构建考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统

考虑到无轴承异步电机结构的复杂性以及其他各种因素，经逆系统方法解耦而成的各线性子系统并理想的线性子系统，而是伪线性子系统，需要给各子系统配置合适的闭环调节器。如图2所示，是本发明考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统结构图。由图2，为提高系统的动态控制性能和抗干扰能力，结合现代控制理论对解耦后的各伪线性子系统分别进行闭环综合设计，分别设计两个径向位移调节器、一个磁链调节器和一个转速调节器；

根据解耦后的两个位移分量子系统和转速子系统的特点，选取“超前滞后调节器”进行位移、转速的调节控制，即取α、β轴向位移调节器、转速调节器的传递函数为：

(15)

式中的为放大系数，为超前时常，为滞后时常。

再根据解耦后的定子磁链子系统特点，选取PI比例积分调节器，传递函数为：

(16)

式中的比例放大系数，为积分系数。

四个调节器分别对应连接到定子磁链定向原系统的输出端和定子磁链定向逆系统的输入端，构成一个综合闭环控制系统，实现两个径向位移分量、定子磁链和电机转速之间的动态解耦控制，通过考虑定子电流动态的逆系统自然解决原系统中转矩绕组d、q轴定子电流分量之间的耦合。

由图2，所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统包括2r/3s反矢量坐标变换、磁悬浮系统CRPWM电流跟踪控制逆变器、转矩系统电压调制SPWM逆变器及无轴承异步电机。逆系统输出的解耦控制变量、经2r/3s反矢量坐标变换和CRPWM电流跟踪控制逆变器，输出三相磁悬浮绕组的磁悬浮控制电流，实现转子的磁悬浮解耦控制；逆系统输出的解耦控制变量、经2r/3s反矢量坐标变换和电压调制SPWM逆变器，直接输出三相转矩绕组电压量，实现转轴旋转驱动与定子磁链之间的动态解耦控制。

本发明在考虑定子电流动态特性影响的基础上，以定子磁链定向逆系统解耦控制取代传统的转子磁链定向逆系统解耦控制，可有效避免转子参数对电机磁链控制性能的影响，通过为各伪线性子系统添加闭环控制器，构成一个完整的考虑定子电流动态无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦复合闭环控制系统，可省掉原系统中的定子电流闭环与逆系统中的负载转矩辨识环节。

除了以上描述外，本发明还可以广泛地用在其他实施例中，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，依据本发明的技术实质对以上实施例的简单修改，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其特征在于，该闭环系统包括考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统、考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统以及四个调节器；所述四个调节器是两个位移调节器、一个磁链调节器及一个转速调节器，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以解耦为四个线性子系统：α和β两个径向位移量的二阶线性子系统、一个定子磁链的一阶线性子系统、一个转速ω的二阶线性子系统，该四个线性子系统对应所述四个调节器，该四个调节器对应连接到定子磁链定向原系统的输出端和定子磁链定向逆系统的输入端，构成定子磁链定向逆系统解耦闭环控制系统；其中，

所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型为：

，

式中，定义原系统的输入量为，系统状态变量为，系统输出变量为，、分别为转矩绕组定子电流的d、q轴分量，、分别为悬浮绕组定子电流的d、q轴分量，为转矩系统定子磁链，ω为转子旋转角频率，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，m为转子质量，、分别为转矩系统在dq坐标系中的定、转子漏感，为电机结构决定的径向位移刚度系数，，，，为转矩绕组定子电阻，为转矩绕组转子电阻，为dq坐标系中的等效两相转矩绕组的自感，为dq坐标系中的等效两相转子绕组自电感，为转矩绕组的磁极对数,J为转动惯量,为负载转矩；

所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：

，

式中，取逆系统的输入量为。

2.根据权利要求1所述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其特征在于，其中所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型是由如下方法得到的：

（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）根据电机内部定子电流动态微分方程和定子磁链定向控制的静态与动态约束条件，可得考虑定子电流动态的定子磁链定向转矩系统动态数学模型为：

，

（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：

，

、分别为静止α、β坐标轴向的可控径向悬浮力分量，、分别为沿d、q坐标轴向的气隙磁链分量，其表达式为：

，

（4）根据动力学原理，构造转子径向悬浮运动方程为：

，

式中，m为转子的质量，、分别为转子发生径向偏心时在电机内部产生的α、β向不平衡转子单边电磁拉力，，，是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数；

（5）选取四极转矩绕组电压为输入变量，定义原系统的输入变量u、状态变量x、输出变量y分别为：

，

，

，

结合步骤（2）至（4）的公式可得出兼顾考虑不平衡转子单边电磁拉力影响和转矩绕组定子电流动态的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所述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其特征在于，所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型是由如下方法得到的：

通过Interactor算法分析可知，所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统是可逆的，对输出量逐次对时间求导，得到：

，

取逆系统输入变量为，则兼顾考虑不平衡转子单边电磁拉力影响和转矩绕组定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：

。

4.根据权利要求1所述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其特征在于，其中所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统包括悬浮绕组CRPWM电流跟踪控制逆变器、转矩绕组SPWM逆变器及无轴承异步电机，所述定子磁链定向逆系统输出的解耦控制变量、经反矢量坐标变换处理后送入CRPWM电流跟踪控制逆变器，输出三相磁悬浮绕组控制电流量到无轴承异步电机，实现转子的解耦悬浮控制；所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统输出的解耦控制变量、经反矢量坐标变换处理后送入电压调制SPWM逆变器，输出三相转矩绕组电压量到无轴承异步电机，实现转轴旋转驱动与定子磁链之间的动态解耦控制。

5.根据权利要求1所述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其特征在于，其中所述位移调节器和转速调节器是超前滞后调节器，其传递函数模型为：

，

式中的为放大系数，为超前时常，为滞后时常。

6.根据权利要求1所述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其特征在于，其中所述磁链调节器是比例积分调节器，其传递函数模型为：

，

式中的比例放大系数，为积分系数。