CN106330041A - 基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器 - Google Patents

Abstract

本发明一种电力传动控制设备领域中基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器，由绕组磁链观测器及预测器、矩阵变换器、转矩估算模块、悬浮力估算模块、ω‑ψ₁ ^*磁链生成器、转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器、SVPWM、模糊PID控制器、电压调节器以及PI控制器组成，利用初始观测的转矩、磁链、悬浮力的值，算出下一周期需要补偿的电压矢量，再利用SVPWM合成该电压矢量，解决传统的直接转矩和悬浮力控制策略中由于采样和计算的延时，使目标电压矢量只能在下一个采样周期才能作用于系统，造成磁链、转矩和悬浮力的波动变大的问题，减弱控制延时造成转矩、磁链和悬浮力的波动，提高发电机的系统悬浮性能与发电品质。

Description

基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器

技术领域

本发明属于电力传动控制设备技术领域，涉及混合励磁式无轴承永磁发电机，尤其是该无轴承永磁发电机的控制器结构，适用于风力发电机、燃气轮发电机、航空电源、混合动力汽车、飞轮储能系统等诸多场合。

背景技术

混合励磁式无轴承永磁发电机继承了传统的永磁同步发电机结构简单、效率高、功率密度大、拓扑结构灵活多样、运行可靠等诸多优点，同时无轴承化的设计使得发电机无摩擦、无磨损，削弱轴承故障，延长发电机的轴承使用寿命，减少维护成本。例如中国专利申请号为CN201610140641.6，名称为“一种无轴承永磁同步发电机”的文献中公开的发电机结构，具有发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组这三套绕组，利用磁轴承支撑无轴承发电机的转子，这种发电机结构存在的问题是：对转子偏心位移难以进行精确控制，在实现发电机稳定悬浮的同时难以得到稳定的发电电压。

目前，发电机稳定悬浮的控制方法主要有两种：矢量控制法和直接转矩和悬浮力控制法，但二者均存在明显不足：矢量控制法的系统过多依赖于电机参数并需要复杂的坐标变换，这使得控制系统软件和硬件的复杂程度增加，还占用过多的系统时钟周期。直接转矩和悬浮力控制法采用bang-bang调节及开关表查询方法，存在转矩波动较大、低速性能差、开关频率不固定等问题，同时控制系统的采样和计算存在延时问题。

除此之外，发电机运行过程中会遇到用电负载发生变化和原动机给定的转速变化等问题，这会使得发电绕组中合成磁场产生畸变。因为发电机气隙磁场无法自主调节，导致发电机无法稳定悬浮和高效发电。现有的解决上述问题的方法主要是在转子上同轴安装混合励磁结构或者爪极结构实现电励磁，通过调节其电励磁电流来改变气隙磁通大小，从而达到稳压目的。但这样安装会带来装配工艺复杂，维修成本增加，转子负担加重，降低功率密度等缺陷。

发明内容

本发明的目的是为克服现有混合励磁式无轴承永磁发电机实现稳定悬浮存在的问题，提出一种基于磁链观测的无轴承发电机直接预测控制器，能减小控制误差，减弱控制延时造成转矩、磁链和悬浮力的波动，同时提高发电品质。

本发明基于磁链观测的无轴承发电机直接预测控制器采用的技术方案是：由绕组磁链观测器及预测器、矩阵变换器、转矩估算模块、悬浮力估算模块、ω-ψ₁ ^*磁链生成器、转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器、SVPWM、模糊PID控制器、电压调节器以及PI控制器组成；SVPWM输出开关信号S_1a、S_1b、S_1c控制发电绕组、输出开关信号S_2a、S_2b、S_2c控制悬浮力绕组、输出开关信号S_3a、S_3b、S_3c控制励磁绕组，发电绕组经整流器连接SVPWM，整流器连接负载，悬浮力绕组和励磁绕组分别各经一个电压源逆变器连接SVPWM；发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组的三相电流i_1a、i_1b、i_1c、i_2a、i_2b、i_2c、i_3a、i_3b、i_3c、SVPWM输出的开关信号S_1a、S_1b、S_1c、S_2a、S_2b、S_2c、S_3a、S_3b、S_3c、负载两端的直流电压U_dc1、电压源逆变器两端的直流电压U_dc2、U_dc3均输入给矩阵变换器，矩阵变换器输出实时控制转矩电流i_1α、i_1β、实时改变气隙平衡磁场电流i_2α、i_2β、实时调节发电绕组合成主磁场电流i_3α、i_3β、实时控制转矩电压U_1α、U_1β、实时改变气隙平衡磁场电压U_2α、U_2β以及实时调节发电绕组合成主磁场电压U_3α、U_3β至绕组磁链观测器及预测器；绕组磁链观测器及预测器输出发电绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1(k+1)及相位μ、悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k+1)及相位λ至悬浮力估算模块，输出发电绕组电流i₁(k+1)及发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)、励磁绕组电流i₃(k+1)及励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)至转矩估算模块，输出发电绕组电流i₁(k+1)、悬浮力绕组电流i₂(k+1)、励磁绕组电流i₃(k+1)、相位μ、相位θ、相位ξ至输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器；绕组磁链观测器及预测器还输出合成磁链幅值ψ_s13(k+1)，将给定参考磁链ψ_s1 ^*与合成磁链幅值ψ_s13(k+1)相比较得到的励磁绕组磁链相位角增量Δτ以及给定参考磁链ψ_s1 ^*均输入至转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器；悬浮力估算模块输出下一时刻的悬浮力预测值F_α(k+1)和F_β(k+1)，将实测径向位移和给定值x^*、y^*进行比较后分别经对应的模糊PID控制器调节后生成悬浮力的给定值F_α ^*、F_β ^*，将悬浮力预测值F_α(k+1)、F_β(k+1)分别和对应的悬浮力给定值F_α ^*、F_β ^*比较得到的差值ΔF_α、ΔF_β也输入至转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器；转矩估算模块输出下一时刻的的转矩预测值T_e(k+1)，将直流电压是U_dc1与发电电压的给定值U_dc1 ^*比较后经电压调节器生成转矩给定值T_e ^*，将转矩预测值T_e(k+1)与转矩给定值T_e ^*比较后经过PI控制器后生成的发电绕组磁链相位角增量Δδ也输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器；转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器输出电压参考值U_1α ^*、U_1β ^*、U_2α ^*、U_2β ^*、U_3α ^*、U_3β ^*至SVPWM。

本发明的优点在于：

1、本发明充分利用了发电机在原动机转速和用电负载变化时，发电绕组的合成磁场发生相应的变化，基于磁链观测器并辅之以励磁绕组的反馈作用来实时地调整主磁场，利用初始观测的转矩、磁链、悬浮力的值，经过预测算法算出下一周期需要补偿的电压矢量，再利用SVPWM合成该电压矢量，从而解决传统的直接转矩和悬浮力控制策略中由于采样和计算的延时，使目标电压矢量只能在下一个采样周期才能作用于系统，造成磁链、转矩和悬浮力的波动变大的问题，尽早减小了控制误差，减弱控制延时造成转矩、磁链和悬浮力的波动，同时能提高发电机的系统悬浮性能与发电品质。

2、本发明具有直接转矩和悬浮力控制结构简单、转速响应快、优良的动静态性能和对发电机参数表现出强的鲁棒性等优点，同时也具备了预测算法避免延时带来的转矩、悬浮力脉动和磁链纹波等问题，能有效弥补时间延时对系统性能的影响。

3、本发明将光电编码器实时监测到的转速生成给定磁链参考值的磁链生成器，转子磁链给定与实际转速有关，在额定转速下保持恒定，额定转速以上转子磁链给定相应减小。该磁链生成器简单可行，将实际转速与给定磁链直接联系，降低了控制系统的复杂度，减少了控制系统占用的系统时钟周期。

4、本发明在径向位移闭环控制中将模糊控制和PID控制器两者结合起来，既具有模糊控制灵活、鲁棒性好、自适应强的优点，又具有PID控制精度高、结构简单等优点。

附图说明

图1是本发明基于磁链观测的无轴承发电机直接预测控制器的结构框图；

图2是图1中绕组磁链观测器及预测器12的构成图；

图3是图1中悬浮力估算模块15的构成图；

图4是图1中转矩估算模块14的构成图；

图5是图1中转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17的构成图。

图中：1.整流器；2、3.电压源逆变器；4.发电绕组磁链及转矩初始观测器；5.悬浮力绕组磁链初始观测器；6.励磁绕组磁链初始观测器；7.发电绕组磁链预测器；8.悬浮力绕组磁链预测器；9.励磁绕组磁链预测；10.发电和励磁绕组合成磁链预测器；12.绕组磁链观测器及预测器；13.矩阵变换器；14.转矩估算模块；15.悬浮力估算模块；16.ω-ψ₁ ^*磁链生成器；17.转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器；18.SVPWM；19、20.模糊PID控制器；21.电压调节器；22.PI控制器；23.负载；24.光电编码器；25.基于磁链观测的无轴承发电机直接预测控制器。

具体实施方式

参见图1所示，无轴承发电机具有发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组这三套绕组。本发明基于磁链观测的无轴承发电机直接预测控制器25由绕组磁链观测器及预测器12、矩阵变换器13、转矩估算模块14、悬浮力估算模块15、ω-ψ₁ ^*磁链生成器16、转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17、SVPWM18、模糊PID控制器19、20、电压调节器21以及PI控制器22组成。其中，SVPWM18(空间矢量脉宽调制模块18)输出开关信号S_1a、S_1b、S_1c、S_2a、S_2b、S_2c、S_3a、S_3b、S_3c分别控制发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组，其中开关信号S_1a、S_1b、S_1c控制发电绕组，开关信号S_2a、S_2b、S_2c控制悬浮力绕组，开关信号S_3a、S_3b、S_3c控制励磁绕组。发电绕组经整流器1连接SVPWM18，悬浮力绕组和励磁绕组分别各经一个电压源逆变器2、3连接SVPWM18。整流器1连接负载23，负载23两端的直流电压是U_dc1，电压源逆变器2、3两端的直流电压分别是U_dc2、U_dc3。

采用光电编码器24实时检测无轴承发电机的转速信号ω，将转速信号ω输入ω-ψ₁ ^*磁链生成器16，ψ₁ ^*是转子磁链给定值，得到参考磁链ψ_s1 ^*。

采用电流传感器分别采集发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组这三套绕组上的三相电流，其中，采集的发电绕组的三相电流i_1a、i_1b、i_1c是整流器1整流之前的三相交流电，而采集的悬浮力绕组的三相电流i_2a、i_2b、i_2c和励磁绕组i_3a、i_3b、i_3c是分别经电压源逆变器2、3逆变之后的电流。

将采集到的三相电流i_1a、i_1b、i_1c、i_2a、i_2b、i_2c、i_3a、i_3b、i_3c输入矩阵变换器13，同时，还将SVPWM18输出的开关信号S_1a、S_1b、S_1c、S_2a、S_2b、S_2c、S_3a、S_3b、S_3c，负载23两端的直流电压是U_dc1、电压源逆变器2、3两端的直流电压U_dc2、U_dc3也输入给矩阵变换器13，经矩阵变换器13计算变换到三个两相静止坐标系上，得到实时控制转矩电流i_1α、i_1β、实时改变气隙平衡磁场电流i_2α、i_2β、实时调节发电绕组合成主磁场电流i_3α、i_3β、实时控制转矩电压U_1α、U_1β、实时改变气隙平衡磁场电压U_2α、U_2β以及实时调节发电绕组合成主磁场电压U_3α、U_3β。

矩阵变换器13的输出端连接绕组磁链观测器及预测器12，矩阵变换器13将i_1α、i_1β、i_2α、i_2β、i_3α、i_3β、U_1α、U_1β、U_2α、U_2β、U_3α、U_3β全部输入到绕组磁链观测器及预测器12。

绕组磁链观测器及预测器12对输入的电流和电压处理后输出以下参数：

预测的下一时刻的发电绕组电流i₁(k+1)、发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)及相位θ、发电绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1(k+1)及相位μ、励磁绕组ψ_s3(k+1)和发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)叠加得到的合成磁链幅值ψ_s13(k+1)；预测的下一时刻的悬浮力绕组电流i₂(k+1)、悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k+1)及相位λ、预测的下一时刻的励磁绕组电流i₃(k+1)、励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)及及相位ξ；

绕组磁链观测器及预测器12的输出端分别连接悬浮力估算模块15、转矩估算模块14和转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17。其中，发电绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1(k+1)及相位μ、悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k+1)及相位λ均输入悬浮力估算模块15。发电绕组电流i₁(k+1)及发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)、励磁绕组电流i₃(k+1)及励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)均输入转矩估算模块14。发电绕组电流i₁(k+1)、悬浮力绕组电流i₂(k+1)、励磁绕组电流i₃(k+1)、相位μ、相位θ、相位ξ均输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17；同时，将给定参考磁链ψ_s1 ^*与合成磁链幅值ψ_s13(k+1)相比较得到励磁绕组磁链相位角增量Δτ，将给定参考磁链ψ_s1 ^*和励磁绕组磁链相位角增量Δτ也都输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17。

悬浮力估算模块15对输入量进行估算，得到下一时刻的悬浮力预测值F_α(k+1)和F_β(k+1)。由x、y方向上的位移传感器实时检测径向位移，将实测径向位移和给定值x^*、y^*进行比较，比较的差值分别经对应的模糊PID控制器19和PID控制器20调节后生成α-β方向上悬浮力的给定值F_α ^*、F_β ^*，分别将悬浮力预测值F_α(k+1)和悬浮力给定值F_α ^*进行比较、将悬浮力预测值F_β(k+1)和悬浮力给定值F_β ^*进行比较，得到差值ΔF_α和ΔF_β，并将差值ΔF_α和ΔF_β也输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17。

转矩估算模块14对输入量进行估算，得到下一时刻的的转矩预测值T_e(k+1)。将负载23两端的直流电压是U_dc1与发电电压的给定值U_dc1 ^*进行比较，再经电压调节器21的作用，生成转矩给定值T_e ^*。将转矩预测值T_e(k+1)与转矩给定值T_e ^*两者进行比较，差值经过PI控制器22后生成发电绕组磁链相位角增量Δδ，将发电绕组磁链相位角增量Δδ也输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17。

转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17对输入的参数进行处理，得到三套绕组的电压参考值U_1α ^*、U_1β ^*、U_2α ^*、U_2β ^*、U_3α ^*、U_3β ^*。转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17的输出端连接SVPWM18，SVPWM18输出开关信号S_1a、S_1b、S_1c、S_2a、S_2b、S_2c、S_3a、S_3b、S_3c分别控制发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组，能控制合成气隙磁场、悬浮力绕组电流、发电电压品质。

参见图2，绕组磁链观测器及预测器12由发电绕组磁链及转矩初始观测器4、悬浮力绕组磁链初始观测器5、励磁绕组磁链初始观测器6、发电绕组磁链预测器7、悬浮力绕组磁链预测器8、励磁绕组磁链预测9、发电和励磁绕组合成磁链预测器10组成。

两相静止坐标系α-β方向上的实时控制转矩电流i_1α、i_1β和实时控制转矩电压U_1α、U_1β输入发电绕组磁链及转矩初始观测器4，经观测公式得到初始时刻k的初始观测下的转矩T_e(k)、发电绕组的磁链ψ_s1(k)和相位θ，其中R_s1为发电绕组电阻、p₁是发电绕组极对数。同时，α-β方向上实时改变气隙平衡磁场电流i_2α、i_2β和电压实时改变气隙平衡磁场U_2α、U_2β输入悬浮力绕组磁链初始观测器5，经观测公式得到初始观测下的悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2及相位λ，其中R_s2为悬浮力绕组电阻。还有α-β方向上的实时调节发电绕组合成主磁场电流i_3α、i_3β和实时调节发电绕组合成主磁场电压U_3α、U_3β输入励磁绕组磁链初始观测器6，经观测公式得到初始观测下的励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k)及相位γ，其中R_s3为励磁绕组电阻。

发电绕组磁链及转矩初始观测器4的输出端连接发电绕组磁链预测器7，将初始转矩T_e(k)、发电绕组的磁链ψ_s1(k)和相位θ输入到发电绕组磁链预测器7中，由计算式：

可得到下一时刻发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)和发电绕组电流i₁(k+1)，其中ω(k)为初始转速，发电绕组d-q轴电感L_1d、L_1q，ψ_f是永磁磁链，采样周期为T_s。

悬浮力绕组磁链初始观测器5的输出端连接悬浮力绕组磁链预测器8，将初始时刻k的悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k)及相位λ经过可得到k+1时刻悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k+1)和悬浮力绕组电流i₂(k+1)。

励磁绕组磁链初始观测器6的输出端连接励磁绕组磁链预测9，初始时刻k的励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k)及相位γ经励磁绕组磁链预测9，经公式可以得到励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)和励磁绕组电流i₃(k+1)。将励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)和发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)输入到发电和励磁绕组合成磁链预测器10，经过预测器内部计算公式得到相位ζ＝arctan((ψ_s1β(k+1)+ψ_s3β(k+1))/(ψ_s1α(k+1)+ψ_s3α(k+1)))，这个角度是用来调整合成磁链与励磁绕组电压参考值的重要量。同时将励磁绕组和发电绕组磁链幅值的数量叠加得到合成磁链幅值ψ_s13(k+1)＝ψ_s1(k+1)+ψ_s3(k+1)。另外，将发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)、发电绕组电流i₁(k+1)、励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)以及绕组电流i₃(k+1)输入到发电绕组合成气隙磁链预测器11，经过公式推算得到发电绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1(k+1)及相位μ。至此，得到绕组磁链观测器及预测器12的所有输出量。

参见图3所示，下一时刻发电绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1(k+1)及相位μ和悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k+1)及相位λ经由悬浮力估算模块15，悬浮力估算模块15通过以下公式推算得到预测的下一时刻悬浮力的值F_α(k+1)和F_β(k+1)：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}(k+1)=K_m{\mathrm{\ψ}}_{m1}(k+1){\mathrm{\ψ}}_{s2}(k+1)\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ F_{\mathrm{\β}}(k+1)=K_m{\mathrm{\ψ}}_{m1}(k+1){\mathrm{\ψ}}_{s2}(k+1)\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.,$

其中K_m的表达式为：p₁、p₂分别为发电绕组磁场与悬浮力绕组磁场等效极对数；l为发电机转子铁心有效长度；r为转子半径；n₁、n₂为发电绕组和悬浮力绕组每相串联有效匝数；μ₀为空气磁导率。

参见图4所示，下一时刻的发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)以及绕组电流i₁(k+1)和励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)以及绕组电流i₃(k+1)输入到转矩估算模块14，转矩估算模块14通过以下公式推算得到转矩的预测值T_e(k+1)：

$T_e(k+1)=\frac{3}{2}{p}_1\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s1\mathrm{\α}}(k+1)i_{1\mathrm{\β}}(k+1)-{\mathrm{\ψ}}_{s1\mathrm{\β}}(k+1)i_{1\mathrm{\α}}(k+1)\\ +{\mathrm{\ψ}}_{s3\mathrm{\α}}(k+1)i_{3\mathrm{\β}}(k+1)-{\mathrm{\ψ}}_{s3\mathrm{\β}}(k+1)i_{3\mathrm{\α}}(k+1)\end{array}\right].$

参见图5所示，转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17对输入量进行处理，通过以下公式推算得到控制合成气隙磁场、悬浮力绕组电流、发电电压品质的三套绕组的电压参考值U_1α ^*、U_1β ^*、U_2α ^*、U_2β ^*、U_3α ^*、U_3β ^*：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{1\mathrm{\α}}^{*}=R_{s1}{i}_{1\mathrm{\α}}(k+1)+\frac{\left|{{\mathrm{\ψ}}_{s1}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ})-\left|{\mathrm{\ψ}}_{s1}(k+1)\right|\cos \mathrm{\θ}}{T_s}\\ u_{1\mathrm{\β}}^{*}=R_{s1}{i}_{1\mathrm{\β}}(k+1)+\frac{\left|{{\mathrm{\ψ}}_{s1}}^{*}\right|\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ})-\left|{\mathrm{\ψ}}_{s1}(k+1)\right|\sin \mathrm{\θ}}{T_s}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{2\mathrm{\α}}^{*}=R_{s2}{i}_{2\mathrm{\α}}(k+1)+K_M^{-1}{\mathrm{\ψ}}_{m1}^{-1}(k+1)({\mathrm{\ΔF}}_{\mathrm{\α}}\cos \mathrm{\μ}+{\mathrm{\ΔF}}_{\mathrm{\β}}\sin \mathrm{\μ})\\ u_{2\mathrm{\β}}^{*}=R_{s2}{i}_{2\mathrm{\β}}(k+1)+K_M^{-1}{\mathrm{\ψ}}_{m1}^{-1}(k+1)({\mathrm{\ΔF}}_{\mathrm{\α}}\sin \mathrm{\μ}-{\mathrm{\ΔF}}_{\mathrm{\β}}\cos \mathrm{\μ})\end{array}\right..$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{3\mathrm{\α}}^{*}=R_{s3}{i}_{3\mathrm{\α}}(k+1)+\frac{\left|{{\mathrm{\ψ}}_{s1}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\ζ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ})-\left|{\mathrm{\ψ}}_{s13}(k+1)\right|\cos \mathrm{\ζ}}{T_s}\\ u_{3\mathrm{\β}}^{*}=R_{s3}{i}_{3\mathrm{\β}}(k+1)+\frac{\left|{{\mathrm{\ψ}}_{s1}}^{*}\right|\sin (\mathrm{\ζ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ})-\left|{\mathrm{\ψ}}_{s13}(k+1)\right|\sin \mathrm{\ζ}}{T_s}\end{array}\right.$

将电压参考值U_1α ^*、U_1β ^*、U_2α ^*、U_2β ^*、U_3α ^*、U_3β ^*通入空间矢量脉宽调制模块SVPWM18，调制后分别得到发电绕组电压型整流器1的开关信号、悬浮力绕组电压型逆变器2的开关信号和励磁绕组电压型逆变器3的开关信号S_1a、S_1b、S_1c、S_2a、S_2b、S_2c、S_3a、S_3b、S_3c，便可以得到悬浮力绕组和励磁绕组的输出电流，经逆变器输送给混合励磁式无轴承永磁发电机，而发电绕组上输出的电流则经整流器1输送给负载23，用于电能的使用和储存。

Claims (5)

1.一种基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器，其特征是：由绕组磁链观测器及预测器(12)、矩阵变换器(13)、转矩估算模块(14)、悬浮力估算模块(15)、ω-ψ₁ ^*磁链生成器(16)、转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)、SVPWM(18)、模糊PID控制器、电压调节器以及PI控制器组成；SVPWM(18)输出开关信号S_1a、S_1b、S_1c控制发电绕组、输出开关信号S_2a、S_2b、S_2c控制悬浮力绕组、输出开关信号S_3a、S_3b、S_3c控制励磁绕组，发电绕组经整流器连接SVPWM(18)，整流器连接负载，悬浮力绕组和励磁绕组分别各经一个电压源逆变器连接SVPWM(18)；发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组的三相电流i_1a、i_1b、i_1c、i_2a、i_2b、i_2c、i_3a、i_3b、i_3c、SVPWM(18)输出的开关信号S_1a、S_1b、S_1c、S_2a、S_2b、S_2c、S_3a、S_3b、S_3c、负载两端的直流电压U_dc1、电压源逆变器两端的直流电压U_dc2、U_dc3均输入给矩阵变换器(13)，矩阵变换器(13)输出实时控制转矩电流i_1α、i_1β、实时改变气隙平衡磁场电流i_2α、i_2β、实时调节发电绕组合成主磁场电流i_3α、i_3β、实时控制转矩电压U_1α、U_1β、实时改变气隙平衡磁场电压U_2α、U_2β以及实时调节发电绕组合成主磁场电压U_3α、U_3β至绕组磁链观测器及预测器(12)；绕组磁链观测器及预测器(12)输出发电绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1(k+1)及相位μ、悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k+1)及相位λ至悬浮力估算模块(15)，输出发电绕组电流i₁(k+1)及发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)、励磁绕组电流i₃(k+1)及励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)至转矩估算模块(14)，输出发电绕组电流i₁(k+1)、悬浮力绕组电流i₂(k+1)、励磁绕组电流i₃(k+1)、相位μ、相位θ、相位ξ至输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)；绕组磁链观测器及预测器(12)还输出合成磁链幅值ψ_s13(k+1)，将给定参考磁链ψ_s1 ^*与合成磁链幅值ψ_s13(k+1)相比较得到的励磁绕组磁链相位角增量Δτ以及给定参考磁链ψ_s1 ^*均输入至转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)；悬浮力估算模块(15)输出下一时刻的悬浮力预测值F_α(k+1)和F_β(k+1)，将实测径向位移和给定值x^*、y^*进行比较后分别经对应的模糊PID控制器调节后生成悬浮力的给定值F_α ^*、F_β ^*，将悬浮力预测值F_α(k+1)、F_β(k+1)分别和对应的悬浮力给定值F_α ^*、F_β ^*比较得到的差值ΔF_α、ΔF_β也输入至转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)；转矩估算模块(14)输出下一时刻的的转矩预测值T_e(k+1)，将直流电压是U_dc1与发电电压的给定值U_dc1 ^*比较后经电压调节器生成转矩给定值T_e ^*，将转矩预测值T_e(k+1)与转矩给定值T_e ^*比较后经过PI控制器后生成的发电绕组磁链相位角增量Δδ也输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)；转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)输出电压参考值U_1α ^*、U_1β ^*、U_2α ^*、U_2β ^*、U_3α ^*、U_3β ^*至SVPWM(18)。

2.根据权利要求1所述基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器，其特征是：采用光电编码器实时检测无轴承发电机的转速信号ω，将转速信号ω输入ω-ψ₁ ^*磁链生成器(16)，得到参考磁链ψ_s1 ^*，是转子磁链给定值。

3.根据权利要求1所述基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器，其特征是：绕组磁链观测器及预测器(12)由发电绕组磁链及转矩初始观测器(4)、悬浮力绕组磁链初始观测器(5)、励磁绕组磁链初始观测器(6)、发电绕组磁链预测器(7)、悬浮力绕组磁链预测器(8)、励磁绕组磁链预测(9)、发电和励磁绕组合成磁链预测器(10)组成；实时控制转矩电流i_1α、i_1β和实时控制转矩电压U_1α、U_1β输入发电绕组磁链及转矩初始观测器(4)，得到初始时刻k的初始观测下的转矩T_e(k)、发电绕组的磁链ψ_s1(k)和相位θ；实时改变气隙平衡磁场电流i_2α、i_2β和电压实时改变气隙平衡磁场U_2α、U_2β输入悬浮力绕组磁链初始观测器(5)，得到初始观测下的悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2及相位λ；实时调节发电绕组合成主磁场电流i_3α、i_3β和实时调节发电绕组合成主磁场电压U_3α、U_3β输入励磁绕组磁链初始观测器(6)，得到初始观测下的励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k)及相位γ；初始转矩T_e(k)、发电绕组的磁链ψ_s1(k)和相位θ输入发电绕组磁链预测器(7)，得到下一时刻发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)和发电绕组电流i₁(k+1)；悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k)及相位λ输入悬浮力绕组磁链预测器(8)，得到k+1时刻悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2(k+1)和悬浮力绕组电流i₂(k+1)；励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k)及相位γ输入励磁绕组磁链预测(9)，得到励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)和励磁绕组电流i₃(k+1)；励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)和发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)输入发电和励磁绕组合成磁链预测器(10)得到相位ζ；发电绕组磁链幅值ψ_s1(k+1)、发电绕组电流i₁(k+1)、励磁绕组磁链幅值ψ_s3(k+1)以及绕组电流i₃(k+1)输入发电绕组合成气隙磁链预测器(11)，得到发电绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1(k+1)及相位μ。

4.根据权利要求3所述基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器，其特征是：

相位ζ＝arctan((ψ_s1β(k+1)+ψ_s3β(k+1))/(ψ_s1α(k+1)+ψ_s3α(k+1)))，合成磁链幅值ψ_s13(k+1)＝ψ_s1(k+1)+ψ_s3(k+1)。

5.根据权利要求1所述基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器，其特征是：发电绕组的三相电流i_1a、i_1b、i_1c是整流器整流之前的交流电流，悬浮力绕组的三相电流i_2a、i_2b、i_2c和励磁绕组i_3a、i_3b、i_3c是经电压源逆变器逆变之后的电流。