CN108696187B - 无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，包括构建电机参数观测系统；检测电机悬浮绕组和转矩绕组三相电流、电压，送入电机参数观测系统输入端；通过检测电机转矩绕组三相电压、电流，送入扩展的磁链估算模型，扩展的磁链估算模型输出两相同步旋转坐标下磁链观测值，将该磁链观测值作为扩展的悬浮力/电流变换器的输入信号之一；构建扩展的悬浮力/电流变换器，扩展的悬浮力/电流变换器输出电机悬浮绕组两相电流参考值，作为扩展的滞环电流逆变器的输入信号，滞环电流逆变器向电机悬浮绕组供电，产生所期望的悬浮力，实现被控电机无位移传感器下转子位移和电感参数观测，构造出的悬浮系统响应快速、性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及交流电机控制技术领域，特别是一种基于电机参数观测的无轴承同步磁阻电机悬浮系统构造方法，适用于高速条件下无位移传感器的无轴承同步磁阻电机悬浮运行。
背景技术
无轴承同步磁阻电机是在普通同步磁阻电机定子槽中转矩绕组基础上再叠加一套悬浮绕组，用以产生一个支承转子稳定悬浮的径向悬浮力，控制电机两套绕组的电流便能同时控制电机转速和转子悬浮。无轴承同步磁阻电机具有突出的高品质：低噪声、低功耗、高转速、免润滑、高洁净等。与其他类型的无轴承永磁同步电机、无轴承开关磁阻电机、无轴承异步电机等相比，无轴承同步磁阻电机具有坚固可靠、控制简单、转矩脉动低等优点。无轴承同步磁阻电机在高速精密机床主轴驱动、飞轮储能发电系统、家用电器、工业机器人等先进电控装备中的电力传动领域极具应用价值。
要实现无轴承同步磁阻电机的转子稳定悬浮，必须对转子径向位移进行检测和闭环控制，无轴承同步磁阻电机对转子径向位移的精确检测大都采用机械式电涡流位移传感器，采用位移传感器带来电机体积增大、电机的可靠性降低、制造成本加大等缺陷。现有技术中已公开一项关于无轴承同步磁阻电机转子位移软测量和悬浮系统构造方法国家发明专利(专利号：ZL201010583419.6)，但该专利中所述方法对转子位移检测的精度不高，完全依赖电机悬浮绕组的磁链辨识精度。另外一项关于无轴承同步磁阻电机无位移传感器控制方法国家发明专利(专利号：ZL201010017952.6)，但该方法中向电机转矩绕组注入的高次谐波电流会影响转子悬浮精度，增大电机的转矩脉动，并且该方法算法复杂。
另一方面，无轴承同步磁阻电机的悬浮力大小与电机转矩绕组本身固有的d-q轴电感参数Ld、Lq密切相关，电机实际运行中参数Ld、Lq容易受磁饱和等因素影响而发生变化，并非为固定常数，大大影响电机带载情况下的转子悬浮控制精度。因此有必要实时观测电机电感参数，目前尚无有关专利和文献涉及此项问题。
为进一步提高无轴承同步磁阻电机悬浮系统的控制性能，实现电机的无位移传感器运行和电感参数实时观测，必需采用一些新的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高悬浮运行性能的无轴承同步磁阻电机悬浮系统构造方法，基于本发明方法构建的系统无需采用机械式位移传感器，同时实现电机转矩绕组电感参数的实时观测，具有结构简单、性能优良等优点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，包括以下步骤：
1)构建电机参数观测系统，分别检测电机悬浮绕组和转矩绕组三相电压、电流，经坐标变换后，得到两相同步旋转坐标下的电压、电流，作为电机参数观测器的输入信号；电机参数观测器输出信号为同步旋转坐标下的转子位移和电机转矩绕组d-q轴电感的观测值，电机参数观测器输出的转子位移再经Park逆变换输出两相静止坐标下的转子位移观测值；
2)建立扩展的磁链估算模型，分别检测电机转矩绕组三相电压、电流作为其输入信号，扩展的磁链估算模型输出两相同步旋转坐标下的磁链估计值作为扩展的悬浮力/电流变换器的输入信号；
3)构造扩展的悬浮力/电流变换器，该扩展的悬浮力/电流变换器输入信号之一为步骤2)中扩展的磁链估算模型的输出信号，输入信号之二为步骤1)中电机参数观测系统输出的电机转矩绕组d-q轴电感观测值，输入信号之三为电机转子位移给定值和观测值之间偏差经PD调节器后输出的悬浮力参考值；
4)构造扩展的滞环电流逆变器，将步骤3)中扩展的悬浮力/电流变换器输出的两相定子电流给定值作为扩展的滞环电流逆变器的输入信号，扩展的滞环电流逆变器输出实际需要的三相电流向电机悬浮绕组供电，电机产生所需的径向悬浮力，实现转子位移的闭环控制和电机系统悬浮运行。
进一步地，步骤1)中电机参数观测系统包括：坐标变换、电机参数观测器和Park逆变换；电机参数观测系统构建方法包括以下步骤：
2.1)构建电机参数观测器，其特征在于包含以下步骤：
2.1.1)建立无轴承同步磁阻电机参数观测的最小二乘法估计模型；
在两相同步旋转d、q坐标系下，无轴承同步磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组的磁链方程为：
式(1)中Ψd、Ψq分别转矩绕组d、q轴磁链；Ψx、Ψy分别悬浮绕组d、q轴磁链；id、iq分别为转矩绕组d、q轴电流；ix、iy分别为悬浮绕组d、q轴电流；Ld、Lq分别为转矩绕组d、q轴电感；Lx、Ly为悬浮绕组d、q轴电感；x、y分别为d、q轴上的转子径向位移；
式(1)中Km1、Km2分别为电机d、q轴悬浮力/电流常数，当电机凸极转子极弧角度为30°时，其表达式为：
式中μ0为真空磁导率，l为电机有效铁心长度，r为转子外径，N2、N4分别为2极悬浮绕组和4极转矩绕组每相串联有效匝数，δ0为气隙长度；
依据式(1)电机磁链方程，忽略电机定子电阻压降和转子偏心位移引起的绕组互感变化，可得如下电压方程：
式中，ud、uq分别转矩绕组d、q轴电压；ux、uy分别悬浮绕组d、q轴电流；ω为转子角频率，通过速度传感器检测得到；为微分算子；
依据式(3)，可得以定子电流为状态变量的无轴承同步磁阻电机状态方程：
式中，
在系统采样周期足够小的情况下，无轴承同步磁阻电机状态方程(4)的离散化形式如下：
式中，id(t+1)、iq(t+1)分别为电机转矩绕组d、q轴电流t+1时刻采样值，ix(t+1)、iy(t+1)分别为电机悬浮绕组d、q轴电流t+1时刻采样值，id(t)、iq(t)分别为电机转矩绕组d、q轴电流t时刻采样值，ix(t)、iy(t)分别为电机悬浮绕组d、q轴电流t时刻采样值，ud(t)、uq(t)分别为电机转矩绕组d、q轴电压t时刻采样值，ux(t)、uy(t)分别为电机悬浮绕组d、q轴电压t时刻采样值；
式(5)中，
其中Ts为系统采样周期；
直接令
Y＝[id(t+1) iq(t+1) ix(t+1) iy(t+1)]T
Z＝[id(t) iq(t) ix(t) iy(t) ud(t) uq(t) ux(t) uy(t)]T
上述式(5)可改写成电机参数观测的最小二乘法估计模型为：
Y＝ΘZ (6)
式中Y为输出矢量矩阵，Z为输入矢量矩阵，Θ为待辨识矢量矩阵；
对已辨识出的参数矩阵Θ，可进一步辨识出无轴承同步磁阻电机的电感参数和转子径向位移，基于矩阵Θ，可以得出电机转矩绕组d-q轴电感参数和转子位移与矩阵Θ中相关元素之间的关系式为：
2.1.2)建立电机的最小二乘参数观测估计算法：
式(6)中，参数矩阵Z可以通过检测电机转矩绕组和悬浮绕组中电流，经坐标变换求得。矩阵Y表示未来时刻的电流值，无法通过传感器测量得到，此处采用最小二乘法进行预测，这样对于待辨识矩阵Θ就可以由参数矩阵Y和已检测参数矩阵Z辨识得到；
上述式(6)参数矩阵Θ的辨识方法采用递推最小二乘法，参数矩阵Θ在k+1时刻最小二乘估计值的递推算法为：
式中，P(k)为协方差矩阵、K(k)为中间变量矩阵，K(k)、P(k)为矩阵K、P在k时刻采样值，Y(k+1)、Z(k+1)、ZT(k+1)、P(k+1)分别为矩阵Y、Z、ZT、P在k+1时刻采样值，I为单位矩阵；
上述式(8)最小二乘法的计算步骤如下：
①设置初值Θ(0)、P(0)，可直接令：
式中，ε取零向量，α为充分大的正实数(104～106)；
②由电机转矩绕组和悬浮绕组的电压、电流检测值和P(k)值得到中间变量矩阵K(k)：
K(k)＝P(k)Z(k+1)[I+ZT(k+1)P(k)Z(k+1)]-1 (10)
③由式(8)可知，k+1时刻估计值是在k时刻估计值加上一个修正项K(k)：
由式(11)得出k+1时刻估计值
依据式(7)，可求得新的电机电感参数和转子位移观测值，其表达式为：
式()中分别为无轴承同步磁阻电机转矩绕组d、q轴电感观测值，分别为电机d、q轴上的转子径向位移观测值，分别为已辨识矩阵内部元素b11、b22、b33、b31、b32的估计值；
④计算k+1时刻的P(k+1)值，由式(8)，P(k+1)值的计算公式为：
P(k+1)＝[I-K(k)Z(k+1)]P(k) (13)
下一个周期重新估计电机参数时，不再需要给定初值P(0)，而是直接从步骤②开始计算，以后每个周期对电机参数的递推运算都是重复实施步骤②、③、④，直至参数估计满足精度要求。
进一步地，步骤2)中建立扩展的磁链估算模型，其构建过程包含如下步骤：
3.1)首先检测电机转矩绕组三相电压和电流，经Clark变换为两相静止坐标下的电压和电流；
3.2)构建电机转矩绕组的磁链观测模型。两相静止坐标下电机转矩绕组磁链分量Ψα、Ψβ的估计模型为：
式中μα、μβ为电机转矩绕组等效两相电压，iα、iβ为电机转矩绕组等效两相电流；Rs为电机转矩绕组定子电阻；
式(14)中的磁链分量Ψα、Ψβ经Park变换可转换为两相同步旋转坐标下的磁链分量Ψd、Ψq：
式中θ为电机转子位置角度。
进一步地，步骤3)中构造扩展的悬浮力/电流变换器，其构建过程包含如下步骤：
在同步旋转d、q坐标系下无轴承同步磁阻电机转子两垂直方向上的径向悬浮力分量Fx、Fy为：
由式(16)可得电机悬浮绕组悬浮力/电流变换器模型为：
式中，电机电感参数采用式(12)中的观测值，为悬浮力的参考值，为悬浮绕组所需电流的参考值；
式(17)中由两相静止坐标下经坐标变换得到：
式中θ为电机转子位置角度。
进一步地，步骤4)中构造扩展的滞环电流逆变器，其构建过程包含如下步骤：将扩展的悬浮力/电流变换器输出信号作为扩展的滞环电流逆变器输入信号，经Park逆变换输出两相静止坐标下悬浮绕组电流，再经Clark逆变换将之转换为三相参考电流送入滞环电流逆变器，滞环电流逆变器向电机悬浮绕组注入所需的三相电流，实现电机参数观测和无位移传感器稳定悬浮运行。
本发明的原理一方面采用无轴承同步磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组端电压、电流作为辅助变量，从而观测转子径向位移和电机转矩绕组电感参数，省略了传统的机械位移传感器。
本发明的有益效果为：
1.构造了电机参数观测系统，可实时观测转子径向位移，响应快速，算法简单，去除了机械式位移传感器，拓宽了无轴承同步磁阻电机的应用领域和适用环境。
2.提供了电机转矩绕组的电感参数实时观测方法，提高了电机悬浮力控制精度，该方法具有设计简单，动态效果佳等优点。
3.提供基于上述电机参数观测的悬浮系统构造方法，运用此方法构造的悬浮系统易于实现，成本低廉，结构简单，可实现高速条件下被控电机的高性能悬浮运行，广泛应用于以无轴承同步磁阻电机为动力核心的电力传动系统中，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是电机参数观测系统9的结构原理图。其中，包括：Clark变换1、Park变换2、Clark变换4、Park变换5、电机参数观测器7、Park逆变换8。
图2是本发明的无轴承同步磁阻电机悬浮系统构造原理图。其中，包括：电机参数观测系统9，扩展的磁链估算模型13、扩展的悬浮力/电流变换器16、PD调节器17和18、扩展的滞环电流逆变器22。
具体实施方式
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式做进一步说明。
构造一种基于无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统，本发明的一种优选实施方式结构原理如图2：
构建电机参数观测系统9，结合图1，该电机参数观测系统由两个坐标变换3和6、一个电机参数观测器7和一个Park逆变换8共同构成，其中一个坐标变换3由一个Clark变换1和一个Park变换2组成，一个坐标变换6由一个Clark变换4和一个Park变换5组成。
检测获取电机的悬浮绕组和转矩绕组三相电流、电压，经坐标变换后得到同步旋转坐标下的两相电流和电压，分别为悬浮绕组等效两相电流ix、iy和两相电压ux、uy,转矩绕组等效两相电流id、iq和两相电压ud、uq，将其送入电机参数观测器，电机参数观测器输出同步旋转坐标下的转矩绕组d-q电感参数观测值和转子位移观测值转子位移观测值经Park逆变换输出静止坐标下的转子位移观测值
构建扩展的悬浮力/电流变换器16，结合图2，该扩展的悬浮力/电流变换器16包含一个Park变换15和悬浮力/电流变换器14。转子径向位移给定值α、β和观测值之间的偏差经PD调节器17和18后输出悬浮力参考值经Park变换输出两相旋转坐标下的悬浮力参考值该信号作为悬浮力/电流变换器的输入信号。扩展的悬浮力/电流变换器16的第二个输入信号为电机参数观测系统9的输出信号之一电机转矩绕组电感参数观测值扩展的悬浮力/电流变换器16的第三个输入信号为扩展的磁链估算模型13输出的电机转矩绕组磁链估计值Ψd、Ψq。扩展的悬浮力/电流变换器16的输出信号为两相同步旋转坐标下悬浮绕组电流参考值
构建扩展的滞环电流逆变器22，结合图2，该扩展的滞环电流逆变器22包含一个Park逆变换19，一个Clark逆变换20，一个滞环电流逆变器21，将两相同步旋转坐标下悬浮绕组电流参考值经Park逆变换19输出静止坐标下的两相电流再经Clark逆变换20输出三相静止坐标下的悬浮绕组参考电流 将其作为滞环电流逆变器21的输入信号，滞环电流逆变器21向电机悬浮绕组注入实际所需的三相电流，从而实现电机参数观测和无位移传感器悬浮运行。
无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，包括以下步骤：
1)构建电机参数观测系统，分别检测电机悬浮绕组和转矩绕组三相电压、电流，经坐标变换后，得到两相同步旋转坐标下的电压、电流，作为电机参数观测器的输入信号；电机参数观测器输出信号为同步旋转坐标下的转子位移和电机转矩绕组d-q轴电感的观测值，电机参数观测器输出的转子位移再经Park逆变换输出两相静止坐标下的转子位移观测值；
2)建立扩展的磁链估算模型，分别检测电机转矩绕组三相电压、电流作为其输入信号，扩展的磁链估算模型输出两相同步旋转坐标下的磁链估计值作为扩展的悬浮力/电流变换器的输入信号；
3)构造扩展的悬浮力/电流变换器，该扩展的悬浮力/电流变换器输入信号之一为步骤2)中扩展的磁链估算模型的输出信号，输入信号之二为步骤1)中电机参数观测系统输出的电机转矩绕组d-q轴电感观测值，输入信号之三为电机转子位移给定值和观测值之间偏差经PD调节器后输出的悬浮力参考值；
4)构造扩展的滞环电流逆变器，将步骤3)中扩展的悬浮力/电流变换器输出的两相定子电流给定值作为扩展的滞环电流逆变器的输入信号，扩展的滞环电流逆变器输出实际需要的三相电流向电机悬浮绕组供电，电机产生所需的径向悬浮力，实现转子位移的闭环控制和电机系统悬浮运行。
进一步地，步骤1)中电机参数观测系统包括：坐标变换、电机参数观测器和Park逆变换；电机参数观测系统构建方法包括以下步骤：
2.1)构建电机参数观测器，其特征在于包含以下步骤：
2.1.1)建立无轴承同步磁阻电机参数观测的最小二乘法估计模型；
在两相同步旋转d、q坐标系下，无轴承同步磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组的磁链方程为：
式(1)中Ψd、Ψq分别转矩绕组d、q轴磁链；Ψx、Ψy分别悬浮绕组d、q轴磁链；id、iq分别为转矩绕组d、q轴电流；ix、iy分别为悬浮绕组d、q轴电流；Ld、Lq分别为转矩绕组d、q轴电感；Lx、Ly为悬浮绕组d、q轴电感；x、y分别为d、q轴上的转子径向位移；
式(1)中Km1、Km2分别为电机d、q轴悬浮力/电流常数，当电机凸极转子极弧角度为30°时，其表达式为：
式中μ0为真空磁导率，l为电机有效铁心长度，r为转子外径，N2、N4分别为2极悬浮绕组和4极转矩绕组每相串联有效匝数，δ0为气隙长度；
依据式(1)电机磁链方程，忽略电机定子电阻压降和转子偏心位移引起的绕组互感变化，可得如下电压方程：
式中，ud、uq分别转矩绕组d、q轴电压；ux、uy分别悬浮绕组d、q轴电流；ω为转子角频率，通过速度传感器检测得到；为微分算子；
依据式(3)，可得以定子电流为状态变量的无轴承同步磁阻电机状态方程：
式中，
在系统采样周期足够小的情况下，无轴承同步磁阻电机状态方程(4)的离散化形式如下：
式中，id(t+1)、iq(t+1)分别为电机转矩绕组d、q轴电流t+1时刻采样值，ix(t+1)、iy(t+1)分别为电机悬浮绕组d、q轴电流t+1时刻采样值，id(t)、iq(t)分别为电机转矩绕组d、q轴电流t时刻采样值，ix(t)、iy(t)分别为电机悬浮绕组d、q轴电流t时刻采样值，ud(t)、uq(t)分别为电机转矩绕组d、q轴电压t时刻采样值，ux(t)、uy(t)分别为电机悬浮绕组d、q轴电压t时刻采样值；
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Y＝[id(t+1) iq(t+1) ix(t+1) iy(t+1)]T
Z＝[id(t) iq(t) ix(t) iy(t) ud(t) uq(t) ux(t) uy(t)]T
上述式(5)可改写成电机参数观测的最小二乘法估计模型为：
Y＝ΘZ (6)
式中Y为输出矢量矩阵，Z为输入矢量矩阵，Θ为待辨识矢量矩阵；
对已辨识出的参数矩阵Θ，可进一步辨识出无轴承同步磁阻电机的电感参数和转子径向位移，基于矩阵Θ，可以得出电机转矩绕组d-q轴电感参数和转子位移与矩阵Θ中相关元素之间的关系式为：
2.1.2)建立电机的最小二乘参数观测估计算法：
式(6)中，参数矩阵Z可以通过检测电机转矩绕组和悬浮绕组中电流，经坐标变换求得。矩阵Y表示未来时刻的电流值，无法通过传感器测量得到，此处采用最小二乘法进行预测，这样对于待辨识矩阵Θ就可以由参数矩阵Y和已检测参数矩阵Z辨识得到；
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式中，P(k)为协方差矩阵、K(k)为中间变量矩阵，K(k)、P(k)为矩阵K、P在k时刻采样值，Y(k+1)、Z(k+1)、ZT(k+1)、P(k+1)分别为矩阵Y、Z、ZT、P在k+1时刻采样值，I为单位矩阵；
上述式(8)最小二乘法的计算步骤如下：
①设置初值Θ(0)、P(0)，可直接令：
式中，ε取零向量，α为充分大的正实数(104～106)；
②由电机转矩绕组和悬浮绕组的电压、电流检测值和P(k)值得到中间变量矩阵K(k)：
K(k)＝P(k)Z(k+1)[I+ZT(k+1)P(k)Z(k+1)]-1 (10)
③由式(8)可知，k+1时刻估计值是在k时刻估计值加上一个修正项K(k)：
由式(11)得出k+1时刻估计值
依据式(7)，可求得新的电机电感参数和转子位移观测值，其表达式为：
式(12)中，分别为无轴承同步磁阻电机转矩绕组d、q轴电感观测值，分别为电机d、q轴上的转子径向位移观测值，分别为已辨识矩阵内部元素b11、b22、b33、b31、b32的估计值；
④计算k+1时刻的P(k+1)值，由式(8)，P(k+1)值的计算公式为：
P(k+1)＝[I-K(k)Z(k+1)]P(k) (13)
下一个周期重新估计电机参数时，不再需要给定初值P(0)，而是直接从步骤②开始计算，以后每个周期对电机参数的递推运算都是重复实施步骤②、③、④，直至参数估计满足精度要求。
进一步地，步骤2)中建立扩展的磁链估算模型，其构建过程包含如下步骤：
3.1)首先检测电机转矩绕组三相电压和电流，经Clark变换为两相静止坐标下的电压和电流；
3.2)构建电机转矩绕组的磁链观测模型。两相静止坐标下电机转矩绕组磁链分量Ψα、Ψβ的估计模型为：
式中μα、μβ为电机转矩绕组等效两相电压，iα、iβ为电机转矩绕组等效两相电流；Rs为电机转矩绕组定子电阻；
式(14)中的磁链分量Ψα、Ψβ经Park变换可转换为两相同步旋转坐标下的磁链分量Ψd、Ψq：
式中θ为电机转子位置角度。
进一步地，步骤3)中构造扩展的悬浮力/电流变换器，其构建过程包含如下步骤：
在同步旋转d、q坐标系下无轴承同步磁阻电机转子两垂直方向上的径向悬浮力分量Fx、Fy为：
由式(16)可得电机悬浮绕组悬浮力/电流变换器模型为：
式中，电机电感参数采用式(12)中的观测值，为悬浮力的参考值，为悬浮绕组所需电流的参考值；
式(17)中由两相静止坐标下经坐标变换得到：
式中θ为电机转子位置角度。
进一步地，步骤4)中构造扩展的滞环电流逆变器，其构建过程包含如下步骤：将扩展的悬浮力/电流变换器输出信号作为扩展的滞环电流逆变器输入信号，经Park逆变换输出两相静止坐标下悬浮绕组电流，再经Clark逆变换将之转换为三相参考电流送入滞环电流逆变器，滞环电流逆变器向电机悬浮绕组注入所需的三相电流，实现电机参数观测和无位移传感器稳定悬浮运行。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
Claims (4)
1.一种无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，其特征是，包括以下步骤：
1)构建电机参数观测系统，分别检测电机悬浮绕组和转矩绕组三相电压、电流，经坐标变换后，得到两相同步旋转坐标下的电压、电流，作为电机参数观测器的输入信号；电机参数观测器输出信号为同步旋转坐标下的转子位移和电机转矩绕组d-q轴电感的观测值，电机参数观测器输出的转子位移再经Park逆变换输出两相静止坐标下的转子位移观测值；
2)建立扩展的磁链估算模型，分别检测电机转矩绕组三相电压、电流作为其输入信号，扩展的磁链估算模型输出两相同步旋转坐标下的磁链估计值作为扩展的悬浮力/电流变换器的输入信号；
3)构造扩展的悬浮力/电流变换器，该扩展的悬浮力/电流变换器输入信号之一为步骤2)中扩展的磁链估算模型的输出信号，输入信号之二为步骤1)中电机参数观测系统输出的电机转矩绕组d-q轴电感观测值，输入信号之三为电机转子位移给定值和观测值之间偏差经PD调节器后输出的悬浮力参考值；
4)构造扩展的滞环电流逆变器，将步骤3)中扩展的悬浮力/电流变换器输出的两相定子电流给定值作为扩展的滞环电流逆变器的输入信号，扩展的滞环电流逆变器输出实际需要的三相电流向电机悬浮绕组供电，电机产生所需的径向悬浮力，实现转子位移的闭环控制和电机系统悬浮运行；
步骤1)中电机参数观测系统包括：坐标变换、电机参数观测器和Park逆变换；电机参数观测系统构建方法包括以下步骤：
2.1)构建电机参数观测器，其特征在于包含以下步骤：
2.1.1)建立无轴承同步磁阻电机参数观测的最小二乘法估计模型；
在两相同步旋转d、q坐标系下，无轴承同步磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组的磁链方程为：
式(1)中，Ψd、Ψq分别转矩绕组d、q轴磁链；Ψx、Ψy分别悬浮绕组d、q轴磁链；id、iq分别为转矩绕组d、q轴电流；ix、iy分别为悬浮绕组d、q轴电流；Ld、Lq分别为转矩绕组d、q轴电感；Lx、Ly为悬浮绕组d、q轴电感；x、y分别为d、q轴上的转子径向位移；
式(1)中Km1、Km2分别为电机d、q轴悬浮力/电流常数，当电机凸极转子极弧角度为30°时，其表达式为：
式中，μ0为真空磁导率，l为电机有效铁心长度，r为转子外径，N2、N4分别为2极悬浮绕组和4极转矩绕组每相串联有效匝数，δ0为气隙长度；
依据式(1)电机磁链方程，忽略电机定子电阻压降和转子偏心位移引起的绕组互感变化，可得如下电压方程：
式中，ud、uq分别转矩绕组d、q轴电压；ux、uy分别悬浮绕组d、q轴电流；ω为转子角频率，通过速度传感器检测得到；为微分算子；
依据式(3)，可得以定子电流为状态变量的无轴承同步磁阻电机状态方程：
式中，
在系统采样周期足够小的情况下，无轴承同步磁阻电机状态方程(4)的离散化形式如下：
式中，id(t+1)、iq(t+1)分别为电机转矩绕组d、q轴电流t+1时刻采样值，ix(t+1)、iy(t+1)分别为电机悬浮绕组d、q轴电流t+1时刻采样值，id(t)、iq(t)分别为电机转矩绕组d、q轴电流t时刻采样值，ix(t)、iy(t)分别为电机悬浮绕组d、q轴电流t时刻采样值，ud(t)、uq(t)分别为电机转矩绕组d、q轴电压t时刻采样值，ux(t)、uy(t)分别为电机悬浮绕组d、q轴电压t时刻采样值；
式(5)中，
其中Ts为系统采样周期；
直接令
Y＝[id(t+1) iq(t+1) ix(t+1) iy(t+1)]T
Z＝[id(t) iq(t) ix(t) iy(t) ud(t) uq(t) ux(t) uy(t)]T
上述式(5)可改写成电机参数观测的最小二乘法估计模型为：
Y＝ΘZ (6)
式中Y为输出矢量矩阵，Z为输入矢量矩阵，Θ为辨识矢量矩阵；
对已辨识出的辨识矢量矩阵Θ，可进一步辨识出无轴承同步磁阻电机的电感参数和转子径向位移，基于辨识矢量矩阵Θ，可以得出电机转矩绕组d-q轴电感参数和转子位移与辨识矢量矩阵Θ中相关元素之间的关系式为：
2.1.2)建立电机的最小二乘参数观测估计算法：
式(6)中，输入矢量矩阵Z可以通过检测电机转矩绕组和悬浮绕组中电流，经坐标变换求得； 输出矢量矩阵Y表示未来时刻的电流值，无法通过传感器测量得到，此处采用最小二乘法进行预测，这样对于辨识矢量矩阵Θ就可以由输出矢量矩阵Y和已检测出的输入矢量矩阵Z辨识得到；
上述式(6)辨识矢量矩阵Θ的辨识方法采用递推最小二乘法，辨识矢量矩阵Θ在k+1时刻最小二乘估计值的递推算法为：
式中，P(k)为协方差矩阵、K(k)为中间变量矩阵，K(k)、P(k)为矩阵K、P在k时刻采样值，Y(k+1)、Z(k+1)、ZT(k+1)、P(k+1)分别为矩阵Y、Z、ZT、P在k+1时刻采样值，I为单位矩阵；
上述式(8)最小二乘法的计算步骤如下：
①设置初值Θ(0)、P(0)，可直接令：
式中，ε取零向量，α为充分大的正实数104～106；
②由电机转矩绕组和悬浮绕组的电压、电流检测值和P(k)值得到中间变量矩阵K(k)：
K(k)＝P(k)Z(k+1)[I+ZT(k+1)P(k)Z(k+1)]-1 (10)
③由式(8)可知，k+1时刻最小二乘估计值是在k时刻估计值加上一个修正项K(k)：
由式(11)得出k+1时刻最小二乘估计值
依据式(7)，可求得新的电机电感参数和转子位移观测值，其表达式为：
式中，分别为无轴承同步磁阻电机转矩绕组d、q轴电感观测值，分别为电机d、q轴上的转子径向位移观测值，分别为最小二乘估计值内部元素b11、b22、b33、b31、b32的估计值；
④计算k+1时刻的P(k+1)值，由式(8)，P(k+1)值的计算公式为：
P(k+1)＝[I-K(k)Z(k+1)]P(k) (13)
下一个周期重新估计电机参数时，不再需要给定初值P(0)，而是直接从步骤②开始计算，以后每个周期对电机参数的递推运算都是重复实施步骤②、③、④，直至参数估计满足精度要求。
2.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，其特征是，步骤2)中建立扩展的磁链估算模型，其构建过程包含如下步骤：
3.1)首先检测电机转矩绕组三相电压和电流，经Clark变换为两相静止坐标下的电压和电流；
3.2)构建电机转矩绕组的磁链观测模型，两相静止坐标下电机转矩绕组磁链分量Ψα、Ψβ的估计模型为：
式中，μα、μβ为电机转矩绕组等效两相电压，iα、iβ为电机转矩绕组等效两相电流；Rs为电机转矩绕组定子电阻；
式(14)中的磁链分量Ψα、Ψβ经Park变换可转换为两相同步旋转坐标下的磁链分量Ψd、Ψq：
式中，θ为电机转子位置角度。
3.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，其特征是，步骤3)中构造扩展的悬浮力/电流变换器，其构建过程包含如下步骤：
在同步旋转d、q坐标系下无轴承同步磁阻电机转子两垂直方向上的径向悬浮力分量Fx、Fy为：
由式(16)可得电机悬浮绕组悬浮力/电流变换器模型为：
式中，电机电感参数采用式(12)中的观测值，为悬浮力的参考值，为悬浮绕组所需电流的参考值；
式(17)中由两相静止坐标下经坐标变换得到：
式中，θ为电机转子位置角度。
4.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，其特征是，步骤4)中构造扩展的滞环电流逆变器，其构建过程包含如下步骤：将扩展的悬浮力/电流变换器输出信号作为扩展的滞环电流逆变器输入信号，经Park逆变换输出两相静止坐标下悬浮绕组电流，再经Clark逆变换将之转换为三相参考电流送入滞环电流逆变器，滞环电流逆变器向电机悬浮绕组注入所需的三相电流，实现电机参数观测和无位移传感器稳定悬浮运行。
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