一种无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统
技术领域
本发明属于无轴承电机控制领域,涉及一种多变量、非线性、强耦合的无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统,用于对无轴承无铁心永磁电机的悬浮力进行预测控制。
背景技术
无轴承无铁心永磁电机是一种集合了无铁心永磁电机和磁轴承特性的新型电机,它不仅具有效率高、过载能力强、无齿槽转矩、转子损耗低等优点,还具有磁轴承无需润滑、无摩擦和免维护等特点,可实现高速或超高速运行,在化学化工、生命科学、能源交通、航空航天及机器人领域具有潜在应用背景。但由于无轴承无铁心永磁电机本身是多变量、非线性、强耦合的被控对象,使得传统悬浮力控制算法难以满足高精、高速场合的需求,限制了其发展。
传统的无轴承电机悬浮力控制采用矢量控制策略,通过控制悬浮力绕组电流来控制悬浮力绕组磁场,从而间接控制所需悬浮力的大小和方向。这种悬浮力的开环控制,大大限制了悬浮力控制的精度,同时存在着鲁棒性低的缺点。中国专利公开号为CN 205509912U的文献公开了单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器,通过借鉴永磁电机直接转矩控制的思想和方法,构建了一种基于转子位移和悬浮力双闭环的直接悬浮力控制器,摒弃了矢量控制中系统过多依赖电机参数和存在大量矢量坐标变换的缺陷,采用定子磁链定向和瞬时空间矢量理论,直接对电机定子磁链和悬浮力进行控制。但由于采样及数字计算的延迟,使得目标电压矢量总是滞后一个采样周期,造成了磁链及悬浮力的脉动变大。专中国专利公开号为CN106130429A的文献公开的无轴承永磁同步电机预测控制器及构造方法,提出将模型预测思想运用于无轴承电机的控制之中,通过构建预测控制器,预测电机下一时刻的磁链、转矩和悬浮力,减小由于采样和数字计算的延迟造成的控制误差,但由于其仍采用空间矢量调制(SVPWM)来合成所需要的电压矢量,因此在预测过程中需要对无数多个电压矢量进行预测计算,大大增加了系统预测的计算量,在实际应用中难以实现。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有无轴承无铁心永磁电机悬浮力控制中存在的精度差的问题,提出了一种新型无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统,减小因系统采样和数字计算延迟造成的控制误差,提高悬浮力控制精度。同时采用价值函数计算和优化代替SVPWM来选取最优电压矢量驱动逆变器,减小系统预测计算量,提高预测控制系统的实用性。
本发明所述的一种无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统采用的技术方案是:其包括径向悬浮力模型预测控制器、悬浮力绕组磁链模型预测控制器和转矩绕组合成气隙磁链模型预测控制器,所述的径向悬浮力模型预测控制器由径向悬浮力模型预测模块、价值函数计算模块、价值函数在线寻优模块、两电平电压型逆变器以及第一、第二PID调节器组成;所述的悬浮力绕组磁链模型预测控制器由第一坐标变换模块和悬浮力绕组磁链预测模块组成;所述的转矩绕组合成气隙磁链模型预测控制器由转速计算模块、第二坐标变换模块、转矩绕组电流预测模块以及转矩绕组合成气隙磁链预测模块组成;转子位置角θ分别输入至转矩绕组电流预测模块、悬浮力绕组磁链预测模块和转速计算模块中,转速计算模块输出转速w
r到悬浮力绕组磁链预测模块中;无轴承无铁心永磁电机的转子实时径向位移值x、y与转子位移指令值x
*、y
*分别对应地进行比较得到两个位移差值,两个位移差值一一对应地输入到第一、第二PID控制器中,生成的x、y轴悬浮力指令值F
α *、F
β *,并输入到价值函数计算模块中;无轴承无铁心永磁电机的悬浮力绕组上的电流i
2a、i
2b、i
2c与电压u
2a、u
2b、u
2c输入到第一坐标变换模块中,第一坐标变换模块(9)出悬浮力绕组电流i
2d、i
2q与电压u
2d、u
2q,并输入到悬浮力绕组磁链预测模块中;无轴承无铁心永磁电机的转矩绕组上的电流i
1a、i
1b、i
1c与电压u
1a、u
1b、u
1c输入到第二坐标变换模块(10)中,第二坐标变换模块输出转矩绕组电流i
1α、i
1β与电压u
1α、u
1β,并输入到转矩绕组合成气隙磁链预测模块中;悬浮力绕组磁链预测模块输出下一时刻k+1的悬浮力绕组磁链预测幅值ψ
s2(k+1)及相位λ
k+1,并输入到径向悬浮力模型预测模块中;转矩绕组合成气隙磁链预测模块输出下一时刻k+1的转矩绕组气隙磁链ψ
s1α(k+1)、ψ
s1β(k+1)以及转矩绕组合成气隙磁链预测幅值ψ
m1(k+1)和相位μ
k+1,并输入到径向悬浮力模型预测模块中;径向悬浮力模型预测模块输出预测的下一时刻k+1的悬浮力预测值F
α(k+1)和F
β(k+1),并输入到价值函数计算模块中;价值模块计算根据价值函数
产生8个函数值g0~g7,并输入到价值函数寻优模块中,价值函数寻优模块选取8个函数值g0~g7中的最小值并产生与之相对应的逆变器开关状态,并输入两电平电压型逆变器中对无轴承无铁心永磁电机进行悬浮力控制。
进一步地,所述的径向悬浮力模型预测模块根据式
得到下一时刻k+1的值F
α(k+1)和F
β(k+1),
p
1、p
2分别为转矩绕组磁场与悬浮力绕组磁场等效极对数;l为电机转子铁心有效长度;r为转子半径;n
1、n
2为转矩绕组和悬浮力绕组每相串联的有效匝数;μ
0为空气磁导率。
进一步地,转矩绕组合成气隙磁链预测模块将输出的下一时刻k+1的转矩绕组气隙磁链ψs1α(k+1)、ψs1β(k+1)以及转矩绕组合成气隙磁链预测幅值ψm1(k+1)和相位μk+1输入至转矩绕组电流预测模块中;转矩绕组电流预测模块输出下一时刻k+1的转矩绕组电流预测值i1α(k+1)、i1β(k+1),并输入到转矩绕组合成气隙磁链预测模块中。
本发明采用上述技术方案后的优点在于:
1、本发明采用有限集模型的思想,利用初始观测的悬浮力绕组磁链和转矩绕组合成气隙磁链,经过预测算法算出下一个采样周期内的每个开关状态所对应的电机径向悬浮力大小,并将其与悬浮力指令值一起输入价值函数计算模块,利用价值函数选取最优开关状态的电压矢量输入到下一个控制周期中,完成悬浮力直接控制,悬浮力的控制与优化同时进行,不仅仅避免了由于延时带来的悬浮力脉动和磁链纹波等问题,还解决了无轴承电机传统悬浮力矢量控制存在的参数整定复杂以及控制过程中动态性能不足的问题。
2、本发明将一个采样周期的每个开关状态悬浮力预测值与悬浮力指令值进行价值函数计算,通过对价值函数值进行评估,选取价值函数值的电压矢量作为最优矢量输出,输出最优控制的开关状态直接驱动电压型逆变器,解决了传统悬浮力矢量控制中采用空间矢量调制(SVPWM)技术来合成所需要的电压矢量所引起的计算量过大的问题,简化了整个悬浮力控制系统的结构,同时价值函数值的最优选取,还提高了悬浮力控制的精度。
附图说明
图1是本发明一种无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统的结构框图;
图2是图1中悬浮力绕组磁链预测模块6的构造原理图;
图3是图1中转矩绕组电流预测模块8的构造原理图;
图4是图1中转矩绕组合成气隙磁链预测模块7的构造原理图;
图5是图1中径向悬浮力模型预测模块3的构造原理图;
图6是图1中价值函数计算模块4的构造原理图;
图中:1.第一PID控制器;2.第二PID控制器;3.径向悬浮力模型预测模块;4.价值函数计算模块;5.价值函数在线寻优模块;6.悬浮力绕组磁链预测模块;7.转矩绕组合成气隙磁链预测模块;8.转矩绕组电流预测模块;9.第一坐标变换模块;10.第二坐标变换模块;11.无轴承无铁心永磁电机;12.光电编码器;13.转矩控制系统14.两电平电压型逆变器;15.转速计算模块;16、17.电涡流传感器;18.径向悬浮力模型预测控制器;19.悬浮力绕组磁链模型预测控制器;20.转矩绕组合成气隙磁链模型预测控制器。
具体实施方式
参见图1,本发明无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统由一个转矩控制系统13和三个模型预测控制器组成,其中的三个模型预测控制器分别为径向悬浮力模型预测控制器18、悬浮力绕组磁链模型预测控制器19以及转矩绕组合成气隙磁链模型预测控制器20。转矩控制系统13采用常规的转矩控制器以及控制方法。
径向悬浮力模型预测控制器18由径向悬浮力模型预测模块3、价值函数计算模块4、价值函数在线寻优模块5、两电平电压型逆变器14以及第一、第二PID调节器1、2组成;悬浮力绕组磁链模型预测控制器19由第一坐标变换模块9和悬浮力绕组磁链预测模块6组成;转矩绕组合成气隙磁链模型预测控制器20由转速计算模块15、第二坐标变换模块10、转矩绕组电流预测模块8以及转矩绕组合成气隙磁链预测模块7组成。
采用光电编码器12检测无轴承无铁心永磁电机(BIPMM)11的转子位置角θ,转子位置角θ分别输入至转矩绕组电流预测模块8、悬浮力绕组磁链预测模块6和转速计算模块15中,转子位置角θ经转速计算模块15计算得转速wr,转速计算模块15的输出端连接悬浮力绕组磁链预测模块6,转速wr输入至悬浮力绕组磁链预测模块6中。
采用电涡流位移传感器17和电涡流位移传感器16分别检测无轴承无铁心永磁电机11的转子在x轴与y轴方向上的实时径向位移值x、y,将实时径向位移值x、y与转子位移指令值x*、y*分别对应地进行比较得到两个位移差值,将两个位移差值一一对应地输入到第一、第二PID控制器1、2中,经PID控制器后生成x轴悬浮力指令值Fα *、y轴悬浮力指令值Fβ *。第一、第二PID控制器1、2的输出端连接价值函数计算模块4的输入端,x轴悬浮力指令值Fα *、y轴悬浮力指令值Fβ *输入至价值函数计算模块4中。
无轴承无铁心永磁电机11的悬浮力绕组上的电流i2a、i2b、i2c与电压u2a、u2b、u2c输入到第一坐标变换模块9中,第一坐标变换模块9的输出端连接悬浮力绕组磁链预测模块6的输入端。第一坐标变换模块9对输入信号进行处理,生成d-q坐标系下的悬浮力绕组电流i2d、i2q与电压u2d、u2q。
无轴承无铁心永磁电机11的转矩绕组上的电流i1a、i1b、i1c与电压u1a、u1b、u1c输入到第二坐标变换模块10中,第二坐标变换模块10的输出端连接转矩绕组合成气隙磁链预测模块7的输入端。第二坐标变换模块10对输入信号进行处理,生成α-β坐标系下的电流i1α、i1β与电压u1α、u1β并输入至转矩绕组合成气隙磁链预测模块7中。
其中,第一坐标变换模块9输出的悬浮力绕组电流i2d、i2q与电压u2d、u2q信号输入到悬浮力绕组磁链预测模块6中,悬浮力绕组磁链预测模块6对输入的悬浮力绕组电流i2d、i2q、电压u2d、u2q以及转速wr、转子位置角θ进行处理,得到下一时刻k+1的悬浮力绕组磁链预测幅值ψs2(k+1)及相位λk+1,并将悬浮力绕组磁链预测幅值ψs2(k+1)及相位λk+1输入到径向悬浮力模型预测模块3中。
转矩绕组合成气隙磁链预测模块7输出α-β坐标系下的下一时刻k+1的转矩绕组气隙磁链ψs1α(k+1)、ψs1β(k+1)以及转矩绕组合成气隙磁链预测幅值ψm1(k+1)和相位μk+1,并将转矩绕组气隙磁链ψs1α(k+1)、ψs1β(k+1)输入至转矩绕组电流预测模块8中,将转矩绕组合成气隙磁链预测幅值ψm1(k+1)和相位μk+1输入至径向悬浮力模型预测模块3中。
将检测到的转子磁链ψf输入至转矩绕组电流预测模块8中,转矩绕组电流预测模块8输出α-β坐标系下的下一时刻k+1的转矩绕组电流预测值i1α(k+1)、i1β(k+1),再将转矩绕组电流预测值i1α(k+1)、i1β(k+1)输入至转矩绕组合成气隙磁链预测模块7中。
由于输入径向悬浮力模型预测模块3中的输入值都为预测的下一时刻k+1的数值,则径向悬浮力模型预测模块3实时输出的也为预测的下一时刻k+1的悬浮力预测值Fα(k+1)和Fβ(k+1),径向悬浮力模型预测模块3将其输出的悬浮力预测值Fα(k+1)、Fβ(k+1)输入至价值函数计算模块4中。
悬浮力预测控制的思想是递推出有限个开关状态作用下的无轴承无铁心永磁电机11的未来悬浮力的幅值,对于两电平电压型逆变器14,共存在8种开关状态,对应着8个基本电压矢量V
0~V
7。在一个采样周期内,将8个电压矢量对应的悬浮力预测值F
α(k+1)和F
β(k+1)与悬浮力指令值F
α *和F
β *输入到价值模块计算4中。价值模块计算4中的价值函数是通过对每种开关状态的响应进行评估,价值模块计算4根据价值函数
产生8个函数值g0~g7,输入到价值函数寻优模块5。价值函数寻优模块5是评估出控制效果最优的开关状态,通过选取8个函数值g0~g7中的最小值并产生与之相对应的逆变器开关状态S
2a,S
2b,S
2c,输入两电平电压型逆变器14,完成对无轴承无铁心永磁电机11的悬浮力控制。
转矩控制系统13采用传统的id=0的转子磁场定向控制,以完成无轴承无铁心永磁电机转矩11的输出。
如图2所示,无轴承无铁心永磁电机11的转子位置角θ、转速计算模块15输出的转速w
r以及第一坐标变换模块9输出的悬浮力绕组电流i
2d、i
2q与电压u
2d、u
2q信号均输入到悬浮力绕组磁链预测模块6中。悬浮力绕组磁链预测模块6根据悬浮力绕组电压方程
选取悬浮力绕组磁链作为状态变量,可得悬浮力绕组磁链预测模型ψ
s2,dq(k+1)=(I-DT
s)ψ
s2,dq+T
su
s2,dq,则其磁链预测的下一时刻k+1的幅值和相位可表示为
其中ψ
s2d、ψ
s2q为当前时刻k的悬浮力绕组气隙磁链;ψ
s2d(k+1)、ψ
s2q(k+1)为下一时刻k+1的悬浮力绕组气隙磁链;u
2,dq为当前时刻k的悬浮力绕组电压;R
s2为悬浮力绕组电阻;L
2d、L
2q为悬浮力绕组交直轴电感;w
r为转子转速;p为微分算子;T
S为一个采样周期时间;θ为转子位置角;I为单位矩阵;
在d-q坐标系下悬浮力绕组的气隙磁链ψ
s2,dq=[ψ
s2d ψ
s2q]
T;在d-q坐标系下的悬浮力绕组电压u
2,dq=[u
2du
2q]
T。
如图3所示,转矩绕组电流预测模块8根据转矩绕组在α-β坐标系下的电流与磁链的关系
选取转矩绕组电流作为状态变量,则转矩绕组在α-β坐标的下一时刻k+1的电流为i
1,αβ(k+1)=[E(ψ
s1,αβ(k+1)-ψ
f,αβ(k+1))],其中
L
1d、L
1q为转矩绕组交直轴电感;ψ
f为转子磁链;ψ
f,αβ(k+1)为在α-β坐标系下的下一时刻k+1的转子磁链;θ为转子位置角;ψ
s1,αβ(k+1)为在α-β坐标系下的下一时刻的转矩绕组气隙磁链。
如图4所示,转矩绕组合成气隙磁链预测模块7根据转矩绕组定子磁链在α-β坐标系下的表达式
得到模型
考虑转矩绕组漏感为L
1δ,则该模型可表示为
则其磁链预测幅值和相位可表示为
其中u
1α、u
1β为在α-β坐标下的转矩绕组电压;R
S1为转矩绕组的电阻;T
s为一个采样周期;ψ
s1α、ψ
s1β为在α-β坐标下的当前时刻的转矩绕组气隙磁链;ψ
s1α(k+1)、ψ
s1β(k+1)为在α-β坐标下的下一时刻k+1的转矩绕组气隙磁链;i
1α、i
1β为在α-β坐标下的转矩绕组当前时刻k的电流;i
1α(k+1)、i
1β(k+1)为在α-β坐标下的转矩绕组下一时刻k+1的电流;ψ
m1α(k+1)、ψ
m1β(k+1)在α-β坐标下的下一时刻k+1的转矩绕组合成气隙磁链。
如图5所示,由于输入径向悬浮力模型预测模块3的磁链均为预测的下一时刻k+1的悬浮力绕组磁链幅值ψ
s2(k+1)和相位λ
k+1、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψ
m1(k+1)和相位μ
k+1,所以径向悬浮力模型预测模块3输出的悬浮力的值也为预测的下一时刻k+1的值F
α(k+1)和F
β(k+1),表达式为
其中K
M的表达式为:
式中:p
1、p
2分别为转矩绕组磁场与悬浮力绕组磁场等效极对数;l为电机转子铁心有效长度;r为转子半径;n
1、n
2为转矩绕组和悬浮力绕组每相串联的有效匝数;μ
0为空气磁导率。
如图6所示,价值函数计算模块4将径向悬浮力预测值F
α(k+1)、F
β(k+1)与悬浮力指令值F
α *、F
β *作为输入,构建价值函数
输出8个函数值g
0~g
7。
两电平电压型逆变器有8种开关状态对应着8种电压矢量。在一个采样周期内,将8个电压矢量对应的悬浮力预测值与指令值输入到价值模块计算4,产生的8个函数值g0~g7,输入到滚动优化模块5。滚动优化模块5作用是:选取最小价值函数值g并产生与之相对应的逆变器开关状态S2a,S2b,S2c输入两电平电压型逆变器14,完成无轴承无铁心永磁电机的悬浮力控制。
根据以上所述,便可实现本发明。