CN110266231A - 基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，悬浮控制将位移信号x、y与给定的位移信号x^*、y^*的差值经PID调节、极坐标变换后得到径向悬浮力幅值与相位ξ；三相电流经转矩绕组磁链观测器和矢量合成计算出合成气隙磁链ψ_1m与相位η；将径向悬浮力幅值相位ξ、气隙磁链ψ_1m和相位η依次输入悬浮力计算模块和直角坐标变换处理得到悬浮绕组磁链参考值将与下一时刻的悬浮绕组磁链参考值之间的差值经过目标函数筛选得出最优开关状态下的磁链，该磁链通过SVPWM调制后得到驱动逆变器的电压信号，最终得到控制电机所需的三相电压，实现对无轴承异步电机直接悬浮力控制。本发明能够解决传统悬浮力间接控制带来的精度不够、受电机参数影响较大等问题。

Description

基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法

技术领域

本发明属于电气传动控制技术领域，尤其涉及一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法。

背景技术

近年来，随着社会发展和科技进步，市场需要越来越多的电机投入使用，同时对电机性能的要求也越来越高。传统的电机在运行时会产生一系列问题如机械摩擦、噪声等，这些问题直接导致了电机运行性能较差和使用寿命不长，也限制了其在高速、超高速领域的发展。因此，具有高速、高性能特性的电机备受亲睐。无轴承异步电机不仅具有传统电机的优点，还具有无需润滑、无摩擦磨损、结构牢固、简单、寿命长、易维修等优点，在生物医学、航空航天、能源汽车、飞轮储能以及对电机要求较高的无污染特种电气领域具有广阔的应用前景

随着电机控制技术的日趋成熟，对无轴承异步电机的控制技术也在不断提高，对无轴承异步电机的控制主要分为两部分，分别是对转矩和悬浮两部分进行控制，一般运用到的控制方法包含神经网络、滑模控制、无传感器控制等，目前对于无轴承异步电机的优良控制主要是集中在转矩部分，对于悬浮部分的控制方法还处在一个萌芽的状态，一般都是采用悬浮力控制的方法，传统的无轴承异步电机悬浮力控制是通过矢量控制来实现的，这种控制方式受电机参数影响较大且最终是通过产生的悬浮绕组电流对悬浮力进行控制，是一种间接控制，对径向悬浮力的精度控制不太理想，因此对于悬浮力的精准控制成为一个研究热点。

发明内容

本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，通过控制系统对悬浮力的直接控制，简化了控制流程，同时由于模型预测算法的加入，提升了控制系统的各控制性能的指标，例如悬浮效果、抗干扰能力以及响应特性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，包括悬浮控制；所述悬浮控制将位移信号x、y与给定的位移信号x^*、y^*的差值依次经PID调节、极坐标变换后得到径向悬浮力幅值与相位ξ；三相电流依次通过clark变换、转矩绕组磁链观测器和矢量合成计算出合成气隙磁链ψ_1m与相位η；将径向悬浮力幅值相位ξ、气隙磁链ψ_1m和相位η依次输入悬浮力计算模块和直角坐标变换处理得到悬浮绕组磁链参考值三相电压经过悬浮绕组磁链观测和悬浮绕组磁链预测后得出下一时刻的悬浮绕组磁链参考值ψ_2sα(k+1)、ψ_2sβ(k+1)，将悬浮绕组磁链参考值与下一时刻的悬浮绕组磁链参考值之间的差值经过目标函数筛选得出最优开关状态下的磁链，该磁链通过SVPWM调制后得到驱动逆变器的电压信号，最终得到控制电机所需的三相电压，实现对无轴承异步电机直接悬浮力控制。

进一步，所述目标函数表示为：

g＝|ψ_2s ^*|-|ψ_2s(k+1)||

其中，|ψ_2s ^*|为悬浮绕组磁链在k时刻的磁链参考值，|ψ_2s(k+1)|为悬浮绕组磁链在k+1时刻的预测值。

进一步，所述悬浮力的计算过程为：

S1，作用在无轴承异步电机转子外表面面积微元dA上的麦克斯韦力表达式为：

S2，麦克斯韦力沿x、y方向上的分量分别为：

S3，忽略转子齿槽效应和磁饱和的影响，无轴承异步电机中两套绕组合成的气隙磁通密度为：

B(θ,t)＝B_t(θ,t)+B_s(θ,t)

S4，将式气隙磁通密度代入麦克斯韦力的分量中进行积分运算，从而得到x、y方向上的径向悬浮力表达式：

其中径向悬浮力幅值为：

S5，写出转矩绕组和悬浮绕组的磁通为：

S6，忽略悬浮绕组在转子中感应出的电流，三相绕组矢量合成磁链的幅值为：

S7，将转矩绕组、悬浮绕组的磁通和磁链的幅值代入径向悬浮力表达式中，可得用磁链表示的悬浮力分量表达式：

其中，μ₀为真空磁导率；dA＝rl·dθ，r和l分别为电机转子外径与铁芯的有效长度，θ为空间位置角；B为电机的气隙磁通密度，B_t(θ,t)为转矩绕组产生的气隙磁通密度，B_s(θ,t)为悬浮绕组产生的气隙磁通密度，φ_t和N_t分别为转矩绕组的磁通和有效匝数；φ_s和N_s分别为悬浮绕组的磁通和有效匝数；ψ_1m为转矩绕组磁链和转子磁链的合成气隙磁链，ψ_2s为悬浮绕组气隙磁链；k_r是与电机参数有关的常数；ψ_1m为转矩绕组磁链和转子磁链的合成气隙磁链，其与A相绕组轴线的夹角为η；ψ_2s为悬浮绕组磁链，其与A相绕组轴线的夹角为F为径向悬浮力，其与A相绕组轴线的夹角为

进一步，B_t(θ,t)＝B_tcos(P_Mθ-ω₁t-η)；其中，B_t和B_s分别为转子永磁体、转矩绕组共同产生的气隙磁密幅值和悬浮绕组单独作用产生的气隙磁密幅值；P_M和P_B分别为转矩绕组和悬浮绕组极对数；ω₁和ω₂分别为转矩绕组和悬浮绕组角频率；η和分别为转矩绕组和悬浮绕组电流初始相位角。

进一步，所述悬浮绕组磁链参考值的计算过程为：

S1，根据径向悬浮力幅值与相位ξ，从而计算出给定悬浮力大小F(k)：

S2，将悬浮力改写为极坐标下的形式可得：

S3，悬浮力计算模块将转矩绕组磁链代入悬浮力中并通过变换得到k时刻的悬浮绕组磁链幅值

S4，计算k时刻的磁链参考值与在k+1时刻观测到的悬浮绕组磁链参考值ψ_2sα(k+1)、ψ_2sβ(k+1)的矢量差为：

本发明的有益效果：

1、本发明在计算无轴承异步电机悬浮力的基础上，保持电机的负载转矩将保持不变，转矩绕组合成气隙磁链大小和相位及转矩绕组磁链与转子磁链的夹角γ也保持不变，通过控制悬浮绕组磁链的大小和相位就可以对径向悬浮力进行直接控制，解决了传统悬浮力间接控制带来的精度不够、受电机参数影响较大等问题。

2、本发明采用基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，对磁链信息不断进行滚动优化，通过目标函数选出最优解，实现了磁链预测值对给定值很好的跟踪，对于控制过程中遇到的畸变、干扰振荡以及各种不确定因素有着良好的弥补效果，获得了良好的动态性能，进一步提高了控制系统的可靠性与稳定性。

3、本发明对于无轴承异步电机悬浮力的要求不高，操作简单，控制性能佳，工程实际中容易实现。

附图说明

图1是基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制系统框图；

图2是本发明直接悬浮力控制矢量图；

图3是悬浮绕组磁链模型预测算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，包括转矩控制和悬浮控制；

悬浮控制将由位移传感器测得的位移信号x、y与给定的位移信号x^*、y^*分别作差，差值经PID调节后得到悬浮力分量F_x和F_y，悬浮力分量经过极坐标变换后得到径向悬浮力幅值与相位ξ；三相电流依次通过clark变换和转矩绕组磁链观测器处理得到的转矩绕组ψ_1mα、ψ_1mβ，ψ_1mα、ψ_1mβ经过矢量合成计算出合成气隙磁链ψ_1m与相位η；将径向悬浮力幅值相位ξ、气隙磁链ψ_1m和相位η输入悬浮力计算模块得到悬浮绕组磁链幅值和相位悬浮绕组磁链幅值和相位经过直角坐标变换得到悬浮绕组磁链参考值将悬浮绕组磁链参考值分别与预测出的下一时刻的悬浮绕组磁链参考值ψ_2sα(k+1)、ψ_2sβ(k+1)作差，将差值经过目标函数筛选得出最优开关状态下的磁链，该磁链通过SVPWM调制后得到驱动逆变器的电压信号，最终得到控制电机所需的三相电压，实现基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制。

转矩控制是将光电编码器检测出的转速信息ω_r与给定的转速信息ω_r ^*作差，两者的差值经过PID调制后产生转矩将转矩与转矩磁场给定磁链一起输入气隙磁场定向控制器，在气隙磁场定向控制器中产生旋转坐标下的电流给定值和转差率ω_s，转差率ω_s和转速信息ω_r求和后通过积分变换得到角度θ₁，将角度θ₁与电流给定值进行坐标变换后得到三相坐标下的电流给定值和电流给定值和经过电流调节型逆变器之后得到控制电机转矩部分的三相电流值i_1A、i_1B和i_1C。

图2是直接悬浮力控制矢量图，计算悬浮力的步骤如下：

S1，作用在无轴承异步电机转子外表面面积微元dA上的麦克斯韦力表达式为：

其中：μ₀为真空磁导率；dA＝rl·dθ，r和l分别为电机转子外径与铁芯的有效长度，θ为空间位置角；B为电机的气隙磁通密度。

S2，麦克斯韦力沿x、y方向上的分量分别为：

S3，忽略转子齿槽效应和磁饱和的影响，无轴承异步电机中两套绕组合成的气隙磁通密度为：

B(θ,t)＝B_t(θ,t)+B_s(θ,t) (3)

其中，转矩绕组产生的气隙磁通密度为B_t(θ,t)＝B_tcos(P_Mθ-ω₁t-η)，悬浮绕组产生的气隙磁通密度为：B_t和B_s分别为转子永磁体、转矩绕组共同产生的气隙磁密幅值和悬浮绕组单独作用产生的气隙磁密幅值；P_M和P_B分别为转矩绕组和悬浮绕组极对数；ω₁和ω₂分别为转矩绕组和悬浮绕组角频率；η和分别为转矩绕组和悬浮绕组电流初始相位角；

S4，将式(3)代入式(2)中进行积分运算，从而得到x、y方向上的径向悬浮力表达式：

其中径向悬浮力幅值为：

S5，写出转矩绕组和悬浮绕组的磁通为：

式中：φ_t和N_t分别为转矩绕组的磁通和有效匝数；φ_s和N_s分别为悬浮绕组的磁通和有效匝数。

S6，忽略悬浮绕组在转子中感应出的电流，三相绕组矢量合成磁链的幅值为：

其中，ψ_1m为转矩绕组磁链和转子磁链的合成气隙磁链，ψ_2s为悬浮绕组气隙磁链，

S7，将式(5)和式(6)代入式(4)中可得用磁链表示的悬浮力分量表达式：

式中：k_r是与电机参数有关的常数；ψ_1m为转矩绕组磁链和转子磁链的合成气隙磁链，其与A相绕组轴线的夹角为η；ψ_2s为悬浮绕组磁链，其与A相绕组轴线的夹角为F为径向悬浮力，其与A相绕组轴线的夹角为

图3是悬浮绕组磁链模型预测的算法流程图，具体的实施分为以下五步：

S1，在k时刻，悬浮力控制将初始位移信号x、y经PID控制和坐标变换后得到径向悬浮力幅值与相位ξ，从而计算出给定悬浮力大小F(k)：

S2，将悬浮力分量表达式(7)改写为极坐标下的形式并与式(8)对比可得：

S3，悬浮力计算模块将转矩绕组磁链观测到的转矩绕组磁链代入式(9)中并通过变换得到k时刻的悬浮绕组磁链幅值

S4，将悬浮绕组磁链幅值经过直角坐标变换得到悬浮绕组磁链在k时刻的磁链参考值悬浮绕组磁链观测器在k+1时刻观测到的悬浮绕组磁链参考值值为ψ_2sα(k+1)、ψ_2sβ(k+1)，从而可以得到悬浮绕组磁链的矢量差为：

S5，在希望保持转矩绕组合成气隙磁链不变的情况下，控制悬浮绕组磁链来控制悬浮力，因此构造如下目标函数：

g＝||ψ_2s ^*|-ψ_2s(k+1)|| (12)

其中，|ψ_2s ^*|为悬浮绕组磁链在k时刻的磁链参考值，|ψ_2s(k+1)|为悬浮绕组磁链在k+1时刻的预测值。

在计算无轴承异步电机悬浮力的基础上，根据当前悬浮绕组磁链的观测值，预测下一时刻的磁链值，构建了关于磁链的目标函数来输出最优磁链，经过SVPWM模块产生逆变器的驱动控制信号来控制电机悬浮。无轴承异步电机直接悬浮力控制解决了传统悬浮力间接控制带来的精度不够、受电机参数影响较大等问题，实现了磁链预测值对给定值很好的跟踪，对于控制过程中遇到的畸变、干扰振荡以及各种不确定因素有着良好的弥补效果，获得了良好的动态性能，进一步提高了控制系统的可靠性与稳定性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，其特征在于，包括悬浮控制；所述悬浮控制将位移信号x、y与给定的位移信号x^*、y^*的差值依次经PID调节、极坐标变换后得到径向悬浮力幅值与相位ξ；三相电流依次通过clark变换、转矩绕组磁链观测器和矢量合成计算出合成气隙磁链ψ_1m与相位η；将径向悬浮力幅值相位ξ、气隙磁链ψ_1m和相位η依次输入悬浮力计算模块和直角坐标变换处理得到悬浮绕组磁链参考值三相电压经过悬浮绕组磁链观测和悬浮绕组磁链预测后得出下一时刻的悬浮绕组磁链参考值ψ_2sα(k+1)、ψ_2sβ(k+1)，将悬浮绕组磁链参考值与下一时刻的悬浮绕组磁链参考值之间的差值经过目标函数筛选得出最优开关状态下的磁链，该磁链通过SVPWM调制后得到驱动逆变器的电压信号，最终得到控制电机所需的三相电压，实现对无轴承异步电机直接悬浮力控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，其特征在于，所述目标函数表示为：

g＝||ψ_2s ^*|-|ψ_2s(k+1)||

其中，|ψ_2s ^*|为悬浮绕组磁链在k时刻的磁链参考值，|ψ_2s(k+1)|为悬浮绕组磁链在k+1时刻的预测值。

3.根据权利要求1所述的一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，其特征在于，所述悬浮力的计算过程为：

S1，作用在无轴承异步电机转子外表面面积微元dA上的麦克斯韦力表达式为：

S2，麦克斯韦力沿x、y方向上的分量分别为：

S3，忽略转子齿槽效应和磁饱和的影响，无轴承异步电机中两套绕组合成的气隙磁通密度为：

B(θ,t)＝B_t(θ,t)+B_s(θ,t)

S4，将式气隙磁通密度代入麦克斯韦力的分量中进行积分运算，从而得到x、y方向上的径向悬浮力表达式：

其中径向悬浮力幅值为：

S5，写出转矩绕组和悬浮绕组的磁通为：

S6，忽略悬浮绕组在转子中感应出的电流，三相绕组矢量合成磁链的幅值为：

S7，将转矩绕组、悬浮绕组的磁通和磁链的幅值代入径向悬浮力表达式中，可得用磁链表示的悬浮力分量表达式：

其中，μ₀为真空磁导率；dA＝rl·dθ，r和l分别为电机转子外径与铁芯的有效长度，θ为空间位置角；B为电机的气隙磁通密度，B_t(θ,t)为转矩绕组产生的气隙磁通密度，B_s(θ,t)为悬浮绕组产生的气隙磁通密度，φ_t和N_t分别为转矩绕组的磁通和有效匝数；φ_s和N_s分别为悬浮绕组的磁通和有效匝数；ψ_1m为转矩绕组磁链和转子磁链的合成气隙磁链，ψ_2s为悬浮绕组气隙磁链；k_r是与电机参数有关的常数；ψ_1m为转矩绕组磁链和转子磁链的合成气隙磁链，其与A相绕组轴线的夹角为η；ψ_2s为悬浮绕组磁链，其与A相绕组轴线的夹角为F为径向悬浮力，其与A相绕组轴线的夹角为

4.根据权利要求3所述的一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，其特征在于，B_t(θ,t)＝B_tcos(P_Mθ-ω₁t-η)；其中，B_t和B_s分别为转子永磁体、转矩绕组共同产生的气隙磁密幅值和悬浮绕组单独作用产生的气隙磁密幅值；P_M和P_B分别为转矩绕组和悬浮绕组极对数；ω₁和ω₂分别为转矩绕组和悬浮绕组角频率；η和分别为转矩绕组和悬浮绕组电流初始相位角。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于模型预测的无轴承异步电机直接悬浮力控制方法，其特征在于，所述悬浮绕组磁链参考值的计算过程为：

S1，根据径向悬浮力幅值与相位ξ，从而计算出给定悬浮力大小F(k)：

S2，将悬浮力改写为极坐标下的形式可得：

S3，悬浮力计算模块将转矩绕组磁链代入悬浮力中并通过变换得到k时刻的悬浮绕组磁链幅值

S4，计算k时刻的磁链参考值与在k+1时刻观测到的悬浮绕组磁链参考值ψ_2sα(k+1)、ψ_2sβ(k+1)的矢量差为：