CN113765455A - 基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开电气传动控制领域中的一种基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，采用转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数构建径向力方程，建立改进动态数学模型并解耦，获得到电流控制方程式和磁链观测方程式，将转子磁场定向控制模块、常规旋转部分以及电机依次串联，将径向力控制模块、初相角控制模块、常规悬浮部分以及电机依次串联；采用初相角控制模块增加给定悬浮电流初相角的调控自由度，由x和y二维坐标系扩展为x、y和给定电流初相角的三维坐标系，丰富对径向力的控制方式，通过引入转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数作为桥梁，有效地链接转矩和径向力模型，改进的动态数学模型更加精确。

Description

基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法
技术领域
本发明属于电气传动控制技术领域，特别涉及固定极无轴承异步电机的矢量控制系统的构造方法。
背景技术
无轴承异步电机是一种将磁悬浮轴承与异步电机相结合的新型电机，它既具有磁悬浮轴承无摩擦磨损、耐腐蚀、无需润滑、可实现高速超高速运行的优势，又具有异步电机结构简单、运行可靠、价格便宜、维护方便的优点。因此，无轴承异步电机能满足洁净、腐蚀环境、高速超高速等特殊环境的无轴承支撑运行。固定极无轴承异步电机则是无轴承异步电机的改进电机，它将原有的端部全短路的鼠笼转子修改为端部固定极短路的固定极转子。该固定极无轴承异步电机可以屏蔽感应悬浮绕组的悬浮磁场，只感应转矩绕组的感应磁场，从而输出更加优良的转矩和径向力，代表了无轴承异步电机未来发展的方向。
矢量控制系统是一种基于动态数学模型而构造的系统，因其可以精确地、快速地对电机性能进行控制，从而广泛地应用在电机控制领域。目前常用的动态数学模型是通过转矩绕组和悬浮绕组的耦合获得径向力的数学模型，通过转矩绕组和转子绕组的耦合获得转矩的数学模型，由此构造的控制系统虽然可以控制电机输出转矩和径向力，但是动态数学模型在无意间被割裂为转矩和径向力模型，造成了基于此动态数学模型构造的矢量控制系统的割裂，所以电机会出现转子振动、转子偏心、径向位移无法控制等现象。
目前，在电机矢量控制系统中，通过诸如模糊控制算法、神经网络算法、ADRC算法等先进算法来进行参数调节，以获取更加优异的控制性能。然而这些调节是有限的。因为矢量控制系统是一种基于动态数学模型而构造的系统，动态数学模型建立的不精确会直接影响矢量控制系统，又由于固定极无轴承异步电机特殊的本体拓扑结构，因此，需要更加精确的动态数学模型。
发明内容
本发明的目的在于解决现有固定极无轴承异步电机的矢量控制系统存在的上述问题，提出一种基于改进模型固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，先对现有的动态数学模型作改进，再基于改进的动态数学模型来构造固定极无轴承异步电机的矢量控制系统，获取更加优异控制性能的矢量控制系统。
本发明基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法采用的技术方案是按以下步骤：
步骤1)：采用转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数CSMd构建径向力方程，关联转矩和径向力，从而建立改进动态数学模型，并对改进动态数学模型进行解耦，获得到电流控制方程式和磁链观测方程式；
步骤2)：将传感器模块输入端连接固定极无轴承异步电机输出端，磁链计算模块以所述的传感器模块输出的转矩绕组三相电流iMa、iMb、iMc、转速ωr作为输入，以转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000021
和转矩磁场转角θM作为输出；
步骤3)：磁链计算模块的输出端分别连接转子磁场定向控制模块、径向力控制模块和初相角控制模块，将转速ωr与给定转速
Figure BDA0003198201730000022
作差的差值输入第一个PID调节器后获得给定转矩
Figure BDA0003198201730000023
将径向位移x和y与给定径向位移x*和y*分别对应地作差的差值再对应地输入第二个和第三个PID调节器获得给定径向力
Figure BDA0003198201730000024
和
Figure BDA0003198201730000025
基于所述的电流控制方程式和磁链观测方程式，转子磁场定向控制模块以给定转子参考磁链
Figure BDA0003198201730000026
转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000027
和给定转矩
Figure BDA0003198201730000028
作为输入，以给定转矩绕组d-q轴电流
Figure BDA0003198201730000029
和
Figure BDA00031982017300000210
作为输出，径向力控制模块(2)以给定径向力
Figure BDA00031982017300000211
和
Figure BDA00031982017300000212
转子观测磁链
Figure BDA00031982017300000213
和转速ωr作为输入，以初相角相位差η*和悬浮绕组d轴电流
Figure BDA00031982017300000214
作为输出，初相角控制模块以给定初相角相位差η*、给定转矩电流初相角μ和转矩磁场转角θM作为输入，以给定悬浮电流初相角λ*和悬浮磁场转角θS作为输出；
步骤4)：将转子磁场定向控制模块、常规旋转部分以及固定极无轴承异步电机依次串联，将径向力控制模块、初相角控制模块、常规悬浮部分以及固定极无轴承异步电机依次串联，共同构成固定极无轴承异步电机控制系统。
本发明采用上述技术方案后的有益效果：
1、本发明通过引入转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数作为桥梁，来连接被割裂为转矩和径向力模型，成功的关联了原本被无意间割裂的转矩和径向力模型。互感系数是依据转矩绕组与悬浮绕组之间的互感会随径向位移变化呈现正比例函数变化的现象而提出的一种参数，因为该参数是从电气学角度获得系数，所以可以有效地链接转矩和径向力模型，构建的改进的动态数学模型更加精确。
2、在构造固定极无轴承异步电机矢量控制系统中，本发明采用初相角控制模块增加给定悬浮电流初相角的调控自由度，拓宽了径向力坐标的调节自由度，由x和y二维坐标系扩展为x、y和给定电流初相角的三维坐标系，丰富了对径向力的控制方式，最终实现固定极无轴承异步电机实现良好的悬浮控制。
附图说明
图1由电流传感器101、光电编码器102和径向位移检测器103构成的传感器模块10的结构框图；
图2由Park变换模块111、转子磁链计算模块112和θM计算模块113构成的磁链计算模块11的结构框图；
图3是由力电流变换模块21和坐标变换模块22构成的径向力控制模块2的结构框图；
图4是构成基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统的结构框图。
图中：1.转子磁场定向控制模块；2.径向力控制模块；3.初相角控制模块；4.第一Park逆变换模块；5.第二Park逆变换模块；6.电流滞环调节模块；7.正弦脉宽调制调制模块；8.第一逆变器模块；9.第二逆变器模块；10.传感器模块；11.磁链计算模块；12.固定极无轴承异步电机；21.力电流变换模块；22.坐标变换模块；101.电流传感器；102.光电编码器；103.径向位移检测器；111.Park变换模块；112.转子磁链计算模块；113.θM计算模块。
具体实施方式
本发明先建立固定极无轴承异步电机的改进动态数学模型，再对改进动态数学模型进行解耦，获得电流控制方程式和磁链观测方程式，最后构造固定极无轴承异步电机的矢量控制系统。具体实施步骤如下：
步骤1：建立固定极无轴承异步电机的改进动态数学模型。
设定d-q坐标系为转子磁链定向同步旋转坐标系，现有的动态数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程和径向力方程，分别如下：
Figure BDA0003198201730000031
Figure BDA0003198201730000032
Te＝pMMMRd(iRdiMq-iMqiMd) (3)
Figure BDA0003198201730000033
其中；uMd和uMq为转矩绕组d轴和q轴电压；iMd和iMq为转矩绕组d轴和q轴电流；iRd和iRq为转子绕组d轴和q轴电流；RM和RR分别为转矩绕组和转子绕组的电阻。ψMd和ψMq为转矩绕组d轴和q轴磁链；ψRd和ψRq为转子绕组d轴和q轴磁链；p为微分算子；pM为转矩绕组极对数；ωs为同步旋转坐标系的同步角速度；ωs1为转差角速度；LMd和LRd分别为转矩绕组和转子绕组的自感；MMRd为转矩绕组与转子绕组之间的互感；Te为电机转矩；Fx和Fy为x方向与y方向的径向力；iSd和iSq为悬浮绕组d轴和q轴电流；K为位移刚度系数。
在径向力方程式(4)中，位移刚度系数K是从物理角度出发获得的系数，它无法体现固定极无轴承异步电机内部电气量的耦合变化，是导致动态数学模型不统一的关键因素。本发明放弃位移刚度系数K，而是采用转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数CSMd来构建径向力方程。在固定极无轴承异步电机中，转矩绕组与悬浮绕组之间的互感并非固定值，该值会随着径向位移的变化而发生正比函数的变化。由此使用互感系数CSMd来描述所发生正比函数变化的系数，将不固定的转矩绕组与悬浮绕组之间的互感转化为固定的转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数，最终构建的径向力方程如下式(5)所示：
Figure BDA0003198201730000041
互感系数CSMd的取值由电机本体设计参数所确定，
Figure BDA0003198201730000042
其中，μ0为真空磁导率；l为电机轴向长度；r为转子半径；FM为转矩绕组磁动势；FS为悬浮绕组磁动势；g0为气隙平均长度。
通过互感系数CSMd的引入，可以将径向力方程(4)修改为方程(5)的表达形式，使得径向力方程(5)与转矩方程(3)具有相同的表现形式，完成了固定极无轴承异步电机中有关力矩的表达式的统一，将其组合并展示如下：
Figure BDA0003198201730000043
同样的，互感系数CSMd作为从电气学角度获得系数，可以作为桥梁连接径向位移与互感，借助该特性可以对电压方程(1)进行扩展，将原本被割裂在外的悬浮绕组电压方程增补进电压方程(1)，完成固定极无轴承异步电机中电压方程的统一，如下所示：
Figure BDA0003198201730000051
其中；uSd和uSq为悬浮绕组d轴和q轴电压；RS为悬浮绕组电阻。ψSd和ψSq为悬浮绕组d轴和q轴磁链；
Figure BDA0003198201730000052
和
Figure BDA0003198201730000053
为x方向与y方向的径向速度。
利用相同的方法，可以对磁链方程(2)进行扩展，将原本被割裂在外的悬浮绕组磁链方程增补进磁链方程(2)，完成固定极无轴承异步电机中磁链方程的统一，其如下所示：
Figure BDA0003198201730000054
其中；LSd为悬浮绕组的自感。
综上，由转矩径向力方程(6)、电压方程(7)和磁链方程(8)三组方程共同构成了固定极无轴承异步电机的改进动态数学模型。
步骤2：对改进动态数学模型进行解耦，获取电流控制方程式和磁链观测方程式。
为了构建固定极无轴承异步电机控制系统，需对上述公式(6)、(7)和(8)进行解耦，解耦可以分为转矩方向和悬浮方向两个部分的解耦。
就转矩方向而言，给定转子磁场定向约束条件为
Figure BDA0003198201730000055
和ψRq＝0，
Figure BDA0003198201730000056
为给定转子磁链。将其代入上述电压方程(7)中的转子电压方程
Figure BDA0003198201730000057
对其运算解得转子绕组q-d轴电流控制方程式如下：
Figure BDA0003198201730000058
其中；
Figure BDA0003198201730000059
和
Figure BDA00031982017300000510
为给定转子绕组d轴和q轴电流
将转子绕组q-d轴电流控制方程式(9)代入磁链公式(8)中的转子磁链方程
Figure BDA0003198201730000061
对其运算解得转矩绕组d轴电流控制方程式如下：
Figure BDA0003198201730000062
其中；
Figure BDA0003198201730000063
为给定转矩绕组d轴电流。
对给定转矩绕组d轴电流公式(10)变化可得转子磁链观测方程式如下：
Figure BDA0003198201730000064
其中：
Figure BDA0003198201730000065
为转子观测磁链。
将转子绕组q-d轴电流控制方程式(9)、转矩绕组d轴电流公式(10)、转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000066
和给定转矩
Figure BDA0003198201730000067
代入转矩径向力方程(6)中的转矩方程Te＝pMMMRd(iRdiMq-iMqiMd)，对其运算可解得转矩绕组q轴电流关系式如下：
Figure BDA0003198201730000068
其中；
Figure BDA0003198201730000069
为给定转矩绕组q轴电流。
就悬浮方向而言，给定悬浮绕组磁场约束条件iSq＝0，将转矩径向力方程(6)中的径向力方程
Figure BDA00031982017300000610
简化如下，
Figure BDA00031982017300000611
代入转矩绕组d轴电流公式(10)、转矩绕组q轴电流公式(12)、转子观测磁链
Figure BDA00031982017300000612
给定x方向径向力
Figure BDA00031982017300000613
和给定y方向径向力
Figure BDA00031982017300000614
由此获得悬浮绕组电流控制方程式如下：
Figure BDA00031982017300000615
其中；
Figure BDA00031982017300000616
和
Figure BDA00031982017300000617
分别为x方向与y方向的径向力对应的悬浮绕组d轴电流。
将上述悬浮绕组电流控制方程式(14)由直角坐标变化为极坐标形式，由此获得坐标控制方程式如下：
Figure BDA0003198201730000071
其中；
Figure BDA0003198201730000072
为给定悬浮绕组d轴电流；η*为给定初相角相位差。
步骤3：基于电流控制方程式和磁链观测方程式构造固定极无轴承异步电机的矢量控制系统。
基于上述步骤1的改进动态数学模型和步骤2的电流控制方程式和磁链观测方程式，构造固定极无轴承异步电机的矢量控制系统。具体的构造方法具有以下6个步骤：
3.1、如图1所示，构造传感器模块10。传感器模块10的输入端连接固定极无轴承异步电机的输出端，由电流传感器器101、光电编码器102和径向位移检测器103构成，用于检测电机的转矩绕组三相电流iMa、iMb、iMc、转速ωr以及径向位移x、y并输出检测的参数。其中，电流传感器101检测并输出转矩绕组三相电流iMa、iMb和iMc，光电编码器102检测并输出转速ωr，径向位移检测器103检测并输出径向位移x和y。
3.2、如图2所示，构造磁链计算模块11。磁链计算模块11的输入端连接于传感器模块10的输出端，传感器模块10输出的转矩绕组三相电流iMa、iMb、iMc、转速ωr作为磁链计算模块11的输入，输出为转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000073
和转矩磁场转角θM。
磁链计算模块11由Park变换模块111、转子磁链观测模块112和θM计算模块113构成，Park变换模块111的输出端连接转子磁链观测模块112的输入端，转子磁链观测模块112的输出端还连接θM计算模块113，Park变换模块111和θM计算模块113双向相连。转矩绕组三相电流iMa、iMb、iMc和转矩磁场转角θM作为Park变换模块111的输入，Park变换模块111经下式的坐标变换，输出为转矩绕组d-q轴电流iMd和iMq：
Figure BDA0003198201730000074
其中，d轴电流iMd输入转子磁链观测模块112中，而q轴电流iMq则输入到θM计算模块113中。
转子磁链观测模块112采用上述公式(11)的转子磁链观测方程式，计算出转子估算磁链
Figure BDA0003198201730000075
Figure BDA0003198201730000076
转子估算磁链
Figure BDA0003198201730000081
输入θM计算模块113中，并作为磁链计算模块11的第一个输出。
θM计算模块113的输入为q轴电流iMq、转速ωr和转子估算磁链
Figure BDA0003198201730000082
输出为转矩磁场转角θM。θM计算模块113采用θM计算方程式(18)，计算出转矩磁场转角θM。
Figure BDA0003198201730000083
转矩磁场转角θM作为磁链计算模块11的第二个输出
Park变换模块111、转子磁链观测模块112和θM计算模块113的相互组合不仅能满足磁链计算模块11的性能，也为彼此之间提供运算所需的参数值。具体表现为Park变换模块111为转子磁链观测模块112提供计算所需的转矩绕组d轴电流iMd和为θM计算模块113提供计算所需的转矩绕组q轴电流iMq；转子磁链观测模块112为θM计算模块113提供计算所需的转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000084
θM计算模块113为Park变换模块111提供计算所需的转矩磁场转角θM。
3.3、构造转子磁场定向控制模块1。如图4所示，转子磁场定向控制模块1是基于上述的方程(10)和(12)，即转矩绕组d轴电流控制方程式(10)和转矩绕组q轴电流控制方程式(12)的基础上所构造。磁链计算模块11的输出端连接转子磁场定向控制模块1的输入端，磁链计算模块11将转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000085
输入到转子磁场定向控制模块1中。转子磁场定向控制模块1以给定转子参考磁链
Figure BDA0003198201730000086
转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000087
和给定转矩
Figure BDA0003198201730000088
作为输入，以给定转矩绕组d-q轴电流
Figure BDA0003198201730000089
和
Figure BDA00031982017300000810
作为输出，具体构建公式如下式(19)的电流控制方程式所示：
Figure BDA00031982017300000811
3.4、如图3所示，构造径向力控制模块2。径向力控制模块2由力电流变换模块21和坐标变换模块22串联构成，磁链计算模块11的输出端连接径向力控制模块2的输入端，径向力控制模块2以给定径向力
Figure BDA00031982017300000812
和
Figure BDA00031982017300000813
转子观测磁链
Figure BDA00031982017300000814
和转速ωr作为输入，初相角相位差η*和悬浮绕组d轴电流
Figure BDA00031982017300000815
作为输出。
所述力电流变换模块21是以上述的悬浮绕组电流控制方程式(14)为基础构建。以转子观测磁链
Figure BDA00031982017300000816
转速ωr、给定径向力
Figure BDA00031982017300000817
和
Figure BDA00031982017300000818
作为输入，以x和y方向悬浮绕组d轴电流
Figure BDA00031982017300000819
和
Figure BDA0003198201730000091
作为输出，如下式电流控制方程式(20)得到所示：
Figure BDA0003198201730000092
所述的坐标变换模块22是以上述的坐标控制方程式(15)为基础构建。以x和y方向悬浮绕组d轴
Figure BDA0003198201730000093
和
Figure BDA0003198201730000094
作为输入，以给定初相角相位差η*和给定悬浮绕组d轴电流
Figure BDA0003198201730000095
作为输出，具体构建公式如下式(21)所示：
Figure BDA0003198201730000096
3.5、构造初相角控制模块3。如图4所示，径向力控制模块2和磁链计算模块11的输出端均连接初相角控制模块3的输入端，给定初相角相位差η*和转矩磁场转角θM输入到初相角控制模块3中。初相角控制模块3以给定初相角相位差η*、给定转矩电流初相角μ和转矩磁场转角θM作为输入，以给定悬浮电流初相角λ*和悬浮磁场转角θS作为输出。
在电机转速处在不同状态下，初相角控制模块3能切换选择不同的给定悬浮电流初相角λ*。以悬浮绕组为1对极，转矩绕组为2对极的固定极无轴承异步电机为例。具体表现为，取转速低于1200rpm为电机低速运行状态，在该低速运行状态下，选取y方向径向力Fy作为主要径向力，由此可以使用较小的
Figure BDA0003198201730000097
获得较大的径向力。取转速高于1200rpm为电机高速运行状态，在该状态下选取x方向径向力Fx作为主要径向力，由此可以通过调控给定悬浮绕组d轴电流
Figure BDA0003198201730000098
获得平稳的径向力。具体构建公式如下式(22)所示：
Figure BDA0003198201730000099
3.6、如图4所示，构建矢量控制系统。由转子磁场定向控制模块1、径向力控制模块2、初相角控制模块3、传感器模块10、磁链计算模块11以及常规的旋转部分、悬浮部分和三个PID调节器共同构成基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统，以控制固定极无轴承异步电机12。
由传感器模块10和磁链计算模块11串联构成反馈部分，对固定极无轴承异步电机12进行信号检测，分别提供转矩方向和悬浮方向运算所需的转矩绕组三相电流iMa、iMb和iMc、转速ωr、径向位移x和y、转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000101
和转矩磁场转角θM
由转子磁场定向控制模块1、第一Park逆变换模块4、电流滞环调节模块6、第一逆变器模块8、固定极无轴承异步电机12依次串联，其中，第一Park逆变换模块4、电流滞环调节模块6、第一逆变器模块8串联构成常规的旋转部分。将转速ωr与给定转速
Figure BDA0003198201730000102
作差，差值输入第一个PID调节器进行调节，获得给定转矩
Figure BDA0003198201730000103
给定转矩
Figure BDA0003198201730000104
输入转子磁场定向控制模块1中。转子磁场定向控制模块1以给定转子参考磁链
Figure BDA0003198201730000105
转子观测磁链
Figure BDA0003198201730000106
和给定转矩
Figure BDA0003198201730000107
进行运算，将给定转矩绕组dq轴电流
Figure BDA0003198201730000108
和
Figure BDA0003198201730000109
输入第一Park逆变换模块4中，第一Park逆变换模块4以给定转矩绕组dq轴电流
Figure BDA00031982017300001010
和
Figure BDA00031982017300001011
转矩电流初相角μ和转矩磁场转角θM为输入进行运算，以给定转矩绕组三相电流
Figure BDA00031982017300001012
和
Figure BDA00031982017300001013
为输出，并且输入电流滞环调节模块6中。电流滞环调节模块6以
Figure BDA00031982017300001014
和
Figure BDA00031982017300001015
与转矩绕组三相电流iMa、iMb和iMc为输入进行运算，生成PWM信号输入第一逆变器模块8中。第一逆变器模块8依据PWM信号生成转矩绕组三相电压uMa、uMb和uMc，输入固定极无轴承异步电机12中，实现电机转矩方向的控制。
由径向力控制模块2、初相角控制模块3、第二Park逆变换模块5、正弦脉宽调制调制模块7、第二逆变器模块9、固定极无轴承异步电机12依次串联，其中，第二Park逆变换模块5、正弦脉宽调制调制模块7、第二逆变器模块9串联构成常规悬浮部分。将径向位移x和y与给定径向位移x*和y*分别对应地作差，将两个差值一一对应地输入第二个PID调节器和第三个PID调节器中，获得给定径向力
Figure BDA00031982017300001016
和
Figure BDA00031982017300001017
并输入径向力控制模块2中；径向力控制模块2以给定径向力
Figure BDA00031982017300001018
和
Figure BDA00031982017300001019
转子估算磁链
Figure BDA00031982017300001020
和转速ωr为输入进行运算，输出给定初相角相位差η*和给定悬浮绕组d轴电流
Figure BDA00031982017300001021
并输入初相角控制模块3中；初相角控制模块3以给定初相角相位差η*、转矩电流初相角μ和转矩磁场转角θM为输入进行运算，输出给定悬浮电流初相角λ*和悬浮磁场转角θS，并输入到第二Park逆变换模块5中；第二Park逆变换模块5以给定悬浮绕组d轴电流
Figure BDA00031982017300001022
和给定q轴电流
Figure BDA00031982017300001026
给定悬浮电流初相角λ*和悬浮磁场转角θS为输入进行运算，输出给定悬浮绕组三相电流
Figure BDA00031982017300001024
和
Figure BDA00031982017300001025
送入正弦脉宽调制调制模块7中；通过正弦脉宽调制调制模块7生成PWM信号波给第二逆变器模块9；第二逆变器模块9依据PWM信号生成悬浮绕组三相电压uSa、uSb和uSc，并将其提供给固定极无轴承异步电机12，对电机实现悬浮控制。
综上所述，本发明所提出的改进动态数学模型，其通过转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数CSMd的引入，成功地关联了原本被无意间割裂的转矩和径向力模型，构建了固定极无轴承异步电机统一的动态数学模型，为构建固定极无轴承异步电机控制系统提供了良好的基础。在构建固定极无轴承异步电机控制系统中，采用初相角控制模块3增加悬浮电流初相角λ*的调控自由度，拓宽了对径向力的控制方式，最终实现良好的悬浮控制。
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 (10)

1.一种基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征是按以下步骤：
步骤1)：采用转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数CSMd构建径向力方程，关联转矩和径向力，从而建立改进动态数学模型，并对改进动态数学模型进行解耦，获得到电流控制方程式和磁链观测方程式；
步骤2)：将传感器模块(10)输入端连接固定极无轴承异步电机输出端，磁链计算模块(11)以所述的传感器模块(10)输出的转矩绕组三相电流iMa、iMb、iMc、转速ωr作为输入，以转子观测磁链
Figure FDA0003198201720000011
和转矩磁场转角θM作为输出；
步骤3)：磁链计算模块(11)的输出端分别连接转子磁场定向控制模块(1)、径向力控制模块(2)和初相角控制模块(3)，将转速ωr与给定转速
Figure FDA0003198201720000012
作差的差值输入第一个PID调节器后获得给定转矩
Figure FDA0003198201720000013
将径向位移x和y与给定径向位移x*和y*分别对应地作差的差值再对应地输入第二个和第三个PID调节器获得给定径向力
Figure FDA0003198201720000014
和
Figure FDA0003198201720000015
基于所述的电流控制方程式和磁链观测方程式，转子磁场定向控制模块(1)以给定转子参考磁链
Figure FDA0003198201720000016
转子观测磁链
Figure FDA0003198201720000017
和给定转矩
Figure FDA0003198201720000018
作为输入，以给定转矩绕组d-q轴电流
Figure FDA0003198201720000019
和
Figure FDA00031982017200000110
作为输出，径向力控制模块(2)以给定径向力
Figure FDA00031982017200000111
和
Figure FDA00031982017200000112
转子观测磁链
Figure FDA00031982017200000113
和转速ωr作为输入，以初相角相位差η*和悬浮绕组d轴电流
Figure FDA00031982017200000114
作为输出，初相角控制模块(3)以给定初相角相位差η*、给定转矩电流初相角μ和转矩磁场转角θM作为输入，以给定悬浮电流初相角λ*和悬浮磁场转角θS作为输出；
步骤4)：将转子磁场定向控制模块(1)、常规旋转部分以及固定极无轴承异步电机依次串联，将径向力控制模块(2)、初相角控制模块(3)、常规悬浮部分以及固定极无轴承异步电机依次串联，共同构成固定极无轴承异步电机控制系统。
2.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤1)中，所述的改进动态数学模型为，
Figure FDA00031982017200000115
Figure FDA0003198201720000021
Figure FDA0003198201720000022
Te为电机转矩；pM为转矩绕组极对数；MMRd为转矩绕组与转子绕组之间的互感；iMd和iMq为转矩绕组d轴和q轴电流；iRd和iRq为转子绕组d轴和q轴电流；CSMd为互感系数；iSd和iSq为悬浮绕组d轴和q轴电流；Fx和Fy为x方向与y方向的径向力；uMd和uMq为转矩绕组d轴和q轴电压；uSd和uSq为悬浮绕组d轴和q轴电压；RS为悬浮绕组电阻；p为微分算子；ψMd和ψMq为转矩绕组d轴和q轴磁链；ψRd和ψRq为转子绕组d轴和q轴磁链；RM和RR分别为转矩绕组和转子绕组的电阻；ωs为同步旋转坐标系的同步角速度；ωs1为转差角速度；LMd和LRd分别为转矩绕组和转子绕组的自感；ψSd和ψSq为悬浮绕组d轴和q轴磁链；
Figure FDA0003198201720000023
和
Figure FDA0003198201720000024
为x方向与y方向的径向速度；LSd为悬浮绕组的自感。
3.根据权利要求2所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：所述的互感系数
Figure FDA0003198201720000025
μ0为真空磁导率；l为电机轴向长度；r为转子半径；FM为转矩绕组磁动势；FS为悬浮绕组磁动势；g0为气隙平均长度。
4.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤2)中，所述的传感器模块(10)由电流传感器器(101)、光电编码器(102)和径向位移检测器(103)构成，电流传感器(101)检测并输出转矩绕组三相电流iMa、iMb和iMc，光电编码器(102)检测并输出转速ωr，径向位移检测器(103)检测并输出径向位移x和y。
5.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤3)中，所述的磁链计算模块(11)由Park变换模块(111)、转子磁链观测模块(112)和θM计算模块(113)构成，转矩绕组三相电流iMa、iMb、iMc和转矩磁场转角θM作为Park变换模块(111)的输入，Park变换模块(111)输出转矩绕组d-q轴电流iMd和iMq，转子磁链观测模块(112)采用所述的磁链观测方程式
Figure FDA0003198201720000031
计算出转子估算磁链
Figure FDA0003198201720000032
θM计算模块(113)的输入为q轴电流iMq、转速ωr和转子估算磁链
Figure FDA0003198201720000033
输出为转矩磁场转角
Figure FDA0003198201720000034
RR为和转子绕组的电阻，MMRd为转矩绕组与转子绕组之间的互感，LRd为转子绕组的自感，p为微分算子。
6.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤3)中，所述的转子磁场定向控制模块(1)根据所述的电流控制方程式
Figure FDA0003198201720000035
和
Figure FDA0003198201720000036
得到给定转矩绕组d-q轴电流
Figure FDA0003198201720000037
和
Figure FDA0003198201720000038
RR为和转子绕组的电阻，MMRd为转矩绕组与转子绕组之间的互感，LRd为转子绕组的自感，p为微分算子。
7.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤3)中，由力电流变换模块(21)和坐标变换模块(22)串联构成所述的径向力控制模块(2)，力电流变换模块(21)以转子观测磁链
Figure FDA0003198201720000039
转速ωr、给定径向力
Figure FDA00031982017200000310
和
Figure FDA00031982017200000311
作为输入，以x和y方向悬浮绕组d轴
Figure FDA00031982017200000312
和
Figure FDA00031982017200000313
作为输出，根据所述的电流控制方程式
Figure FDA00031982017200000314
和
Figure FDA00031982017200000315
得到x和y方向悬浮绕组d轴电流
Figure FDA00031982017200000316
和
Figure FDA00031982017200000317
RR为和转子绕组的电阻，MMRd为转矩绕组与转子绕组之间的互感，LRd为转子绕组的自感，p为微分算子，pM为转矩绕组极对数，CSMd为互感系数；坐标变换模块22根据式
Figure FDA00031982017200000318
得到给定初相角相位差η*和给定悬浮绕组d轴电流
Figure FDA00031982017200000319
8.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤3)中，所述的悬浮磁场转角θS＝θM+λ*，在电机低于1200rpm运行状态时，给定悬浮电流初相角λ*＝μ-η，在等于或高于1200rpm运行状态时，给定悬浮电流初相角
Figure FDA0003198201720000041
9.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤4)中，所述的常规旋转部分由第一Park逆变换模块(4)、电流滞环调节模块(6)、第一逆变器模块(8)串联构成，第一Park逆变换模块(4)以给定转矩绕组dq轴电流
Figure FDA0003198201720000042
和
Figure FDA0003198201720000043
转矩电流初相角μ和转矩磁场转角θM为输入，以给定转矩绕组三相电流
Figure FDA0003198201720000044
和
Figure FDA0003198201720000045
为输出，电流滞环调节模块6以
Figure FDA0003198201720000046
和
Figure FDA0003198201720000047
与转矩绕组三相电流iMa、iMb和iMc为输入，生成PWM信号，第一逆变器模块(8)依据PWM信号生成转矩绕组三相电压uMa、uMb和uMc。
10.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤4)中，所述的常规悬浮部分由第二Park逆变换模块(5)、正弦脉宽调制调制模块(7)、第二逆变器模块(9)串联构成，第二Park逆变换模块(5)以给定悬浮绕组d轴电流
Figure FDA0003198201720000048
和给定q轴电流
Figure FDA00031982017200000412
给定悬浮电流初相角λ*和悬浮磁场转角θS为输入，输出给定悬浮绕组三相电流
Figure FDA00031982017200000410
和
Figure FDA00031982017200000411
通过正弦脉宽调制调制模块(7)生成PWM信号，第二逆变器模块(9)依据PWM信号生成悬浮绕组三相电压uSa、uSb和uSc。
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