CN111245318B - 无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法，包括位置控制器、力/电流转换、电流控制器、径向位移传感模块、转矩绕组磁链和转子角位置观测器、神经网络以及电压型逆变器。离线训练神经网络确定无轴承永磁同步电机系统力‑位置模型；将径向位移传感测量信号与转子角位置观测信号反馈到神经网络输入端，得到的输出信号与位置控制器的输出信号叠加，实现对无轴承永磁同步电机径向力的精确补偿解耦控制。该方法解决了转子径向位置x，y间的非线性耦合问题，提高了转子悬浮的控制精度与响应速度等动态与静态系统性能，达到对无轴承永磁同步电机悬浮子系统高精度控制的目的。

Description

无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法，适用于无轴承永磁同步电机的高性能控制。
背景技术
无轴承电机通过磁场力将转子悬浮于电机内部空间，去除了传统电机中支承电机转子的机械轴承。无轴承电机结合了磁悬浮轴承和电机的功能，具有无摩擦，无磨损，无污染，无需润滑，免维护运行，高耐久性，高速以及高精度的优点，相较于磁悬浮轴承降低了系统复杂性和转子轴向长度；无轴承电机在机床主轴、涡轮分子泵、飞轮储能、人工心脏以及要求高洁净度环境的半导体产业等领域具有广泛的应用前景。无轴承永磁同步电机是具有无轴承特点的永磁同步电机，在具有上述无轴承电机优点的同时更进一步的具有结构简单，运行可靠，高效率，高功率密度和扭矩密度，高鲁棒性以及适用于高速等优点。
无轴承永磁同步电机是一个多变量，非线性，强耦合的系统，解耦控制是实现无轴承永磁同步电机稳定工作的难点。转子磁场定向控制可以实现电磁转矩与径向悬浮力之间的解耦控制；但是理论分析证明在径向位移x，y之间也存在较强的非线性耦合问题，这会影响转子悬浮的稳态误差与响应速度等静态与动态性能。由于电机系统参数的变化，转子径向偏心力的线性补偿对于系统控制性能的提高有限，因此需要设计一种可以实现对于转子径向偏心力精确补偿的控制方法。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法，解决无轴承永磁同步电机中存在的α，β方向上位移之间非线性耦合的问题，提高无轴承永磁同步电机转子悬浮的控制精度和动态响应速度等性能。
本发明是采用以下技术方案及技术措施实现的。
本发明提出一种无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法，包含如下步骤：
步骤一、径向位移传感器提供转子位置信号x，y与参考位置x*，y*比较得到位置误差信号Ex，Ey；
步骤二、位置控制器对位置误差信号Ex，Ey进行放大，得到径向力Fα和Fβ；
步骤三、径向位移传感器提供的转子位置信号x，y以及转子角位置观测信号θ作为神经网络的输入，得到转子偏心补偿力Fsx，Fsy；
步骤四、步骤二中的径向力Fα和Fβ和步骤三中的偏心补偿力Fsx，Fsy叠加得到参考径向力
Figure GDA0003247989590000021
经过力/电流转换输出参考电流
Figure GDA0003247989590000022
转矩绕组磁链观测器为力/电流转换提供其计算所必须的转矩绕组磁链信息；
步骤五、参考电流
Figure GDA0003247989590000023
经过电流PI控制器输出电压信号uα和uβ作为电压型逆变器的输入，产生悬浮绕组所需的驱动电流。
所述步骤三中的径向偏心力Fsx，Fsy即为转子所受单边磁拉力，可以近似由下式表示：
Figure GDA0003247989590000024
式中，
Figure GDA0003247989590000025
可知Fsx，Fsy非线性耦合。
所述步骤三中的神经网络系统用于得到非线性耦合项Fsx，Fsy的精确值，其确定方法为：使用可以以任意精度近似任意连续系统的RBF神经网络，离线测量两个转子位移和转子角位置{x，y，θ}及其相对应的{Fsx，Fsy}组成神经网络的训练样本集{x，y，θ，Fsx，Fsy}，对神经网络进行训练从而确定系统各参数。
所述步骤三、四中的转矩绕组磁链与转子角位置观测器包括转矩绕组磁链观测器和转子角位置观测器。转矩绕组磁链观测器通过采集的无轴承永磁同步电机定子绕组相电流i2α和i2β和相电压u2α和u2β，使用电压-电流磁链辨识法得到所需的磁链值；转子角位置观测器为基于锁相环的滑模观测器，通过采集的无轴承永磁同步电机定子绕组相电流i2α和i2β和相电压u2α和u2β，使用滑模观测算法得到扩展反电动势的观测值
Figure GDA0003247989590000026
和
Figure GDA0003247989590000027
经过锁相环系统提取转子的位置信息。
所述步骤四中的径向力Fα和Fβ和偏心补偿力Fsx，Fsy叠加得到的
Figure GDA0003247989590000028
分别为相对于偏心位移x，y解耦后的α轴和β轴上的参考径向力。
所述步骤四中由参考径向力
Figure GDA0003247989590000031
得到悬浮绕组参考电流
Figure GDA0003247989590000032
的力/电流转换由下式给出：
Figure GDA0003247989590000033
ψ2α和ψ2β是αβ定子坐标系下相应坐标轴上的转矩绕组气隙磁链分量，
Figure GDA0003247989590000034
和
Figure GDA0003247989590000035
是αβ轴上的参考径向力分量，Km是由电机结构决定的悬浮力系数。
本发明的优点在于：
1、使用神经网络可以以任意精度近似任意连续系统的能力，对永磁同步电机转子偏心力进行精确补偿，实现转子在α，β方向上位移之间的非线性解耦，提高了无轴承永磁同步电机转子悬浮的控制精度与动态响应速度等性能。
2、无轴承永磁同步电机转子悬浮子系统的控制基于αβ静止坐标系，避免了dq旋转坐标系和αβ静止坐标系之间复杂的坐标变换，减少了运算量的同时简化了控制系统结构。
3、使用独立的扭矩绕组磁链和转子角位置观测器，实现了转矩绕组和悬浮绕组之间的独立控制，使得转矩绕组控制策略的选择具有更多的自由性。
附图说明
图1为RBF神经网络系统图，以x，y，θ为输入节点，Fsx，Fsy为输出节点；
图2为系统观测器，包括转矩绕组磁链观测器51和基于锁相环的滑模转子角位置观测器52；
图3为基于锁相环的滑模转子角位置观测器原理图，包括锁相环系统521，滑模观测器522以及一个低通滤波器；
图4是无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法的控制系统框图。
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：
(1)无轴承永磁同步电机转子在α，β方向上的位移之间存在较强的非线性耦合，如果在控制中不加以偏心力的补偿解耦，会降低系统整体的动态和静态控制性能。传统线性偏心力补偿的方式忽略了x，y位移之间耦合的非线性以及电机系统参数的变化，因此对于悬浮子系统控制性能的提高有限。
(2)RBF神经网络能够以任意精度近似任意连续系统，通过样本离线训练得到的RBF神经网络系统可以对x，y位移之间非线性耦合进行精确的在线识别，进而通过对转子偏心力进行精确补偿的方式实现x，y位移之间的非线性解耦，提高转子悬浮系统的控制精度与响应速度。
基于上述理论基础，本发明公开一种无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一、径向位移传感器4提供转子位置信号x，y与参考位置x*，y*比较得到位置误差信号Ex，Ey；如图4所示。
步骤二、位置控制器1对位置误差信号Ex，Ey进行放大，得到径向力Fα和Fβ；
步骤三、如图1所示，径向位移传感器4提供的转子位置信号x，y以及转子角位置观测信号θ作为神经网络6的输入，得到转子偏心补偿力Fsx，Fsy。如图2所示，其中转子角位置观测器为基于锁相环的滑模观测器52，通过采集无轴承永磁同步电机定子绕组相电流i2α和i2β和相电压u2α和u2β，使用滑模观测算法522得到扩展反电动势的观测值
Figure GDA0003247989590000041
和
Figure GDA0003247989590000042
经过锁相环系统521提取转子的位置信息，如图3所示；神经网络6采用RBF神经网络，输入层节点数为3对应于(x，y，θ)，输出层节点数为2对应于(Fsx，Fsy)，隐藏层节点数为10，使用高斯函数
Figure GDA0003247989590000043
作为径向基函数，RBF神经网络的输出为
Figure GDA0003247989590000044
式中z＝(x，y，θ)T是输入矢量，ci和δi分别为第i个隐藏节点的中心和宽度，wij代表第i个隐藏层节点到第j个输出节点的权重。离线采集多组永磁同步电机转子在不同径向位置和转子磁轴空间角度的组合(x，y，θ)及相对应的径向力(Fsx，Fsy)作为训练样本，选择相应训练算法确定RBF神经网络6的各项参数。
步骤四、步骤二中的径向力Fα、Fβ分别和步骤三中的偏心补偿力Fsx、Fsy叠加得到参考径向力
Figure GDA0003247989590000045
经过力/电流转换输出参考电流
Figure GDA0003247989590000046
转矩绕组磁链观测器51为力/电流转换2提供其计算所必须的转矩绕组磁链信息；其中转矩绕组磁链观测器51通过采集的无轴承永磁同步电机定子绕组相电流i2α和i2β和相电压u2α和u2β，使用电压-电流磁链辨识法得到所需的磁链值。
步骤五、参考电流
Figure GDA0003247989590000047
经过电流PI控制器3输出电压信号uα和uβ作为电压型逆变器7的输入，产生悬浮绕组所需的驱动电流。
由位置控制器1，力/电流转换2，电流控制器3，径向位移传感器4，转矩绕组磁链和转子角位置观测器5，神经网络6以及电压型逆变器7组成的无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法的控制器如图4，根据上述步骤便可以实现本发明。

Claims (3)

1.无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、径向位移传感器提供转子位置信号x，y与参考位置x*，y*比较得到位置误差信号Ex，Ey；
步骤二、位置控制器对位置误差信号Ex，Ey进行放大，得到径向力Fα和Fβ；
步骤三、径向位移传感器提供的转子位置信号x，y以及转子角位置观测信号θ作为神经网络的输入，使用能够以任意精度近似任意连续系统的RBF神经网络，离线测量两个转子位移和转子角位置{x，y，θ}及其相对应的转子偏心补偿力{Fsx，Fsy}组成神经网络的训练样本集{x，y，θ，Fsx，Fsy}，对神经网络进行训练从而确定系统各参数，得到转子偏心补偿力Fsx，Fsy；
步骤四、步骤二中的径向力Fα和Fβ和步骤三中的偏心补偿力Fsx，Fsy叠加得到参考径向力
Figure FDA0003247989580000011
经过力/电流转换输出参考电流
Figure FDA0003247989580000012
转矩绕组磁链观测器为力/电流转换提供所必须的转矩绕组磁链信息；
步骤五、参考电流
Figure FDA0003247989580000013
经过电流PI控制器输出电压信号uα和uβ作为电压型逆变器的输入，产生悬浮绕组所需的驱动电流。
2.根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法，其特征在于：所述步骤三、四中的转矩绕组磁链与转子角位置观测器包括转矩绕组磁链观测器和转子角位置观测器；转矩绕组磁链观测器通过采集的无轴承永磁同步电机定子绕组相电流i2α和i2β和相电压u2α和u2β，使用电压-电流磁链辨识法得到所需的磁链值；转子角位置观测器为基于锁相环的滑模观测器，通过采集的无轴承永磁同步电机定子绕组相电流i2α和i2β和相电压u2α和u2β，使用滑模观测算法得到扩展反电动势的观测值
Figure FDA0003247989580000014
和
Figure FDA0003247989580000015
经过锁相环系统提取转子的位置信息。
3.根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机径向力精确补偿解耦控制方法，其特征在于：所述步骤四中由参考径向力
Figure FDA0003247989580000016
得到悬浮绕组参考电流
Figure FDA0003247989580000017
Figure FDA0003247989580000018
的力/电流转换由下式给出：
Figure FDA0003247989580000019
ψ2α和ψ2β是αβ定子坐标系下相应坐标轴上的转矩绕组气隙磁链分量，
Figure FDA00032479895800000110
和
Figure FDA00032479895800000111
是αβ轴上的参考径向力分量，Km是由电机结构决定的悬浮力系数。
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