CN1885708A - 无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无轴承同步磁阻电机的前馈补偿控制器的构造方法，适用于无轴承同步磁阻电机负载条件下解耦控制。其将两个扩展的电流滞环PWM逆变器、被控的无轴承同步磁阻电机作为一个整体组成复合被控对象；将解耦补偿器串接在无轴承同步磁阻电机悬浮绕组对应的复合被控子对象之前，实现整个系统的解耦控制；对电机转速和转子径向位置设计线性闭环控制器，最后将线性闭环控制器、解耦补偿器、扩展的电流滞环PWM逆变器一起形成前馈补偿控制器；通过调整转子位置控制器中2个PID控制参数和转速控制器中1个PI控制参数，能使无轴承同步磁阻电机获得良好的动静态性能，实现方便，响应快速，系统具有良好的实时性，具有很高的应用价值。

Description

无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法

技术领域

本发明是一种无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法，适用于无轴承同步磁阻电机的高性能控制。无轴承同步磁阻电机在机床电主轴、涡轮分子泵、离心机、压缩机、机电贮能、航空航天等特殊电气传动领域具有广泛的使用前景，属于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

无轴承同步磁阻电机的研制成功满足了现代工业对高转速、无润滑、无摩擦、免维修的高性能驱动电机的要求，它是一种既具有磁轴承优良性能，又兼备同步磁阻电机特点为一体的新型电机，同传统电机相比具有无与伦比的优点，并且同磁轴承支承的电机相比也有诸多优势，因其转子上省略了永磁体，也无励磁绕组，更加适合于高速应用领域。

无轴承同步磁阻电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。电机在带动负载实现悬浮运行时，因转矩电流分量的存在，致使电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在两垂直方向上存有相互耦合，电磁转矩的波动将导致整个控制系统的失稳。因此，负载条件下必须采用有效的解耦策略实现无轴承同步磁阻电机的多变量解耦控制。

无轴承同步磁阻电机控制的特殊性决定其无法像无轴承感应电机和无轴承永磁同步电机那样，基于磁场定向控制进行相关公式变换即可实现上述变量间的完全解耦。基于神经网络逆控制可以使系统获得高性能的解耦控制，但同时也使得控制系统变得更加复杂，加大了系统实现的难度。

为实现无轴承同步磁阻电机多变量解耦控制，进而获得负载条件下电机稳定悬浮运行，需采用一些新的控制技术和新的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种既可实现负载条件下电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在两垂直方向上的解耦控制，又可获得良好的各项控制性能指标，如转子径向位置动、静态调节特性及转矩、速度调节性能的无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法。

无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法：首先将两个电流滞环PWM逆变器、两个Park逆变换和两个Clark逆变换共同组成两个扩展的电流滞环PWM逆变器作为其后构造的前馈补偿控制器的一部分；然后将被控的无轴承同步磁阻电机与两个扩展的电流滞环PWM逆变器作为一个整体组成复合被控对象，复合被控对象的被控量是电机转速和转子径向位移；接下来将解耦补偿器置于其中一个复合被控子对象之前，从而实现径向悬浮力在两垂直方向上的解耦控制，也实现了径向悬浮力与电磁转矩之间的解耦控制；在此基础上，分别设计转速控制器、两个转子位置控制器，并由转速控制器和转子位置控制器构成线性闭环控制器；最后将线性闭环控制器、解耦补偿器和两个扩展的电流滞环PWM逆变器共同构成前馈补偿控制器来对无轴承同步磁阻电机进行控制，从而实现电机的多变量解耦控制，以获得良好的控制性能指标。

本发明通过构造解耦补偿器实现负载条件下无轴承同步磁阻电机解耦控制，其特征在于该解耦补偿器的构造方法是基于径向悬浮力计算公式的变换推导得出，电机转矩绕组的定子两相电压分量给定值和转子位置控制器输出的径向悬浮力命令值作为解耦补偿器的输入，解耦补偿器的输出作为径向悬浮力的参考值；具体构成为：先假定电机转矩绕组的励磁电流分量为i_d，转矩电流分量为i_q，转子位置控制器输出的径向悬浮力命令值分别为f_x ^*、F_y ^*，则解耦补偿器输出的x、y轴上径向悬浮力的参考值F_x0 ^*、F_y0 ^*分别由公式

$F_{x0}^{*}=(K_{m1}{i}_d{F}_x^{*}+K_{m2}{i}_q{F}_y^{*})\×\frac{1}{K_{m1}^2{i}_d^2+K_{m2}^2{i}_q^2}$ 和 $F_{y0}^{*}=(K_{m2}{i}_q{F}_x^{*}-K_{m1}{i}_d{F}_y^{*})\×\frac{1}{K_{m1}^2{i}_d^2+K_{m2}^2{i}_q^2}$

确定；解耦补偿器中径向悬浮力常数K_m1、K_m2的值是在径向悬浮力的计算公式推导过程中得到，不同参数尺寸的无轴承同步磁阻电机对应不同的径向悬浮力常数K_m1、K_m2，式中 $K_{m1}=\frac{\mathrm{lr}{\mathrm{\μ}}_0{N}_1{N}_2}{48{\mathrm{\δ}}_0^2}{m}_1,K_{m2}=\frac{\mathrm{lr}{\mathrm{\μ}}_0{N}_1{N}_2}{48{\mathrm{\δ}}_0^2}{m}_2,$ 其中l为电机有效铁心长度，r为凸极处转子半径，μ₀为真空磁导率，N₁、N₂分别为转矩绕组和悬浮绕组每相串联有效匝数，δ₀为转子凸极处气隙平均长度，m₁、m₂为比例系数，不同的转子极弧角度积分求解径向悬浮力时会产生不同的值。

系统串接解耦补偿器后解除了无轴承同步磁阻电机电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在两垂直方向上的耦合关系，不仅实现了电磁转矩和径向悬浮力之间的独立控制，而且可分别独立实现径向悬浮力自身在两垂直方向上的有效控制，获得良好得转速和位置调节性能。采用补偿解耦器得到的控制系统结构十分简单，易于工程实现。

本发明的优点在于：

1.采用前馈补偿解耦策略，实现了无轴承同步磁阻电机这一被控量(无轴承同步磁阻电机转子两个径向位置和转速)相互耦合的四输入(无轴承同步磁阻电机的两个位置给定、转速给定及励磁给定)三输出(无轴承同步磁阻电机转子的两个径向位置和转速)复杂非线性强耦合系统的解耦控制，并可进一步优化设计线性闭环控制器，可获得高性能的转速、位置控制以及抗负载扰动的悬浮运行性能。

2.采用前馈补偿控制器实现了无轴承同步磁阻电机的多变量之间的独立控制，有效克服了无轴承同步磁阻电机基于磁场定向仅仅进行公式变换无法实现解耦控制这一难题，同时克服了采用神经网络逆等控制算法使得控制系统更加复杂和实现难度加大等缺陷，采用前馈补偿控制器的无轴承同步磁阻电机控制系统结构最为简单，实现方便，响应快速，系统具有良好的实时性。

本发明可用于构造前馈补偿控制器对无轴承同步磁阻电机负载悬浮运行进行有效解耦控制，可获得良好的控制性能，具有很高的应用价值。

附图说明

图1是由电流滞环PWM逆变器22与坐标变换21共同组成的扩展的电流滞环PWM逆变器2的结构图。其中坐标变换21由Park逆变换和Clark逆变换组成。

图2是以扩展的电流滞环PWM逆变器2驱动的无轴承同步磁阻电机1的原理结构图(复合被控对象4)。其中有无轴承同步磁阻电机1(转矩绕组和悬浮绕组)、两个扩展的电流滞环PWM逆变器2。

图3是无轴承同步磁阻电机1(转矩绕组)的数学模型示意图和对应的扩展的电流滞环PWM逆变器2的原理结构图，以及由两者组成的等效框图(复合被控子对象41)。

图4是无轴承同步磁阻电机1(悬浮绕组)的数学模型示意图和对应的扩展的电流滞环PWM逆变器2的原理结构图，以及由两者组成的等效框图(复合被控子对象42)。

图5是无轴承同步磁阻电机四输入(两扩展的电流滞环PWM逆变器的输入)和三输出(无轴承同步磁阻电机转速和转子径向位移)的等效框图(复合被控对象4)。

图6是无轴承同步磁阻电机解耦补偿器3的具体原理结构图。

图7是由线性闭环控制器5、解耦补偿器3和复合被控对象4组成的整个控制系统的原理框图。

图8是采用前馈补偿控制器6对无轴承同步磁阻电机1进行控制的完整的原理框图。

图9是采用单DSP作为前馈补偿控制器的本发明装置组成示意图。其中有DSP控制器70、光电编码器71、电涡流位移传感器72。

图10是以DSP为控制器的实现本发明的系统软件框图。

具体实施方式

本发明的实施方案是：首先由电流滞环PWM逆变器、Park逆变换和Clark逆变换共同形成扩展的电流滞环PWM逆变器，此扩展的电流滞环PWM逆变器作为整个前馈补偿控制器的一个组成部分。其次将两个扩展的电流滞环PWM逆变器与无轴承同步磁阻电机构成一个复合被控对象，该复合被控对象由无轴承同步磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组分别对应的两个复合被控子对象组成；再将补偿解耦器串接在无轴承同步磁阻电机悬浮绕组对应的一个复合被控子对象之前，实现系统的解耦控制；采用PID或其他设计方法，分别构出转速控制器和两个转子位置控制器组成的线性闭环控制器。最终形成由线性闭环控制器、解耦补偿器、扩展的电流滞环PWM逆变器共3个部分组成的前馈补偿控制器，来对无轴承同步磁阻电机进行控制。根据不同的控制要求，可选择不同的硬件和软件来实现。

具体实施分以下5步：

1.构造扩展的电流滞环PWM逆变器。首先由Park逆变换和Clark逆变换组成坐标变换，之后将该坐标变换与常用的电流滞环PWM逆变器共同组成扩展的电流滞环PWM逆变器，此扩展的电流滞环PWM逆变器以电机转矩绕组的两个定子电压分量给定值或解耦补偿器输出的径向悬浮力参考值为其输入(如图1所示)。此扩展的电流滞环PWM逆变器将作为整个前馈补偿控制器的一个组成部分。

2.形成复合被控对象。将构造好的两个扩展的电流滞环PWM逆变器与无轴承同步磁阻电机组成复合被控对象，该复合被控对象以电机转矩绕组两个定子电压分量给定值和解耦补偿器输出的径向悬浮力参考值为其输入，电机转速和转子两个径向位移为其输出(如图2、图3、图4和图5所示)。

3.构造解耦补偿器。从径向悬浮力的解析计算公式出发，经过一些相应的公式推导和等效变换，得出解耦补偿器的等效数学模型(如图6所示)。解耦补偿器的输出作为无轴承同步磁阻电机悬浮绕组对应的一个扩展的电流滞环PWM逆变器的输入。

4.构造线性闭环控制器。对转速子系统和位置子系统分别设计出线性闭环控制器(如图7左图虚线框内所示)。线性闭环控制器采用线性系统理论中的比例积分微分控制器PID等方法来设计，在本发明给出的实施例中，转速控制器采用PI控制器，两个转子位置控制器均选用PID控制器，其参数整定为转速控制器为 $\mathrm{PI}=110+20\frac{1}{S},$ 两个转子位置控制器为 $\mathrm{PID}=1200+100\frac{1}{S}+2S,$ 控制器的参数根据实际控制对象需进行调整。

5.形成前馈补偿控制器。将解耦补偿器、线性闭环控制器、两个扩展的电流滞环PWM逆变器共同形成前馈补偿控制器(如图8中大虚框所示)。可根据不同的控制要求采用不同的硬件和软件来实现。

图9给出了本发明的一种具体实施例的示意图，其中解耦补偿器、闭环控制器、坐标变换等由数字信号处理器即DSP控制器通过软件来实现。

图10给出了系统实现的软件流程框图，数字控制系统软件主要由主程序模块和中断服务子程序模块组成。图10中左图为主程序模块，主要完成初始化、显示初值、循环等待等功能，图10中右图为无轴承同步磁阻电机转速、位置控制中断服务子程序模块，是系统实现的核心程序模块，主要完成无轴承同步磁阻电机电磁转矩和径向悬浮力的解耦独立控制。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (3)

1.一种无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法，其特征在于首先将两个电流滞环PWM逆变器、两个Park逆变换和两个Clark逆变换共同组成两个扩展的电流滞环PWM逆变器作为其后构造的前馈补偿控制器的一部分，把被控的无轴承同步磁阻电机(1)与扩展的电流滞环PWM逆变器(2)作为一个整体组成复合被控对象(4)；进而将解耦补偿器(3)串接在复合被控子对象(42)之前，以实现电机电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在两垂直方向上的解耦控制；在此基础上，对电机转速和转子径向位置分别设计一个转速控制器(51)和两个转子位置控制器(52、53)来构成线性闭环控制器(5)；最后将线性闭环控制器(5)、解耦补偿器(3)以及扩展的电流滞环PWM逆变器(2)共同构成前馈补偿控制器(6)来对无轴承同步磁阻电机进行控制。

2、根据权利要求l所述的无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法，其特征在于解耦补偿器(3)的构造方法是基于径向悬浮力计算公式的变换推导得出，电机转矩绕组的定子两相电压分量给定值和转子位置控制器(52、53)输出的径向悬浮力命令值作为解耦补偿器(3)的输入，解耦补偿器(3)的输出作为径向悬浮力的参考值；具体构成为：先假定电机转矩绕组的励磁电流分量为id，转矩电流分量为iq，转子位置控制器(52、53)输出的径向悬浮力命令值分别为F_x ^*、F_y ^*，则解耦补偿器(3)输出的x、y轴上径向悬浮力的参考值F_x0 ^*、F_y0 ^*分别由公式

$F_{x0}^{*}=(K_{m1}{i}_d{F}_x^{*}+K_{m2}{i}_q{F}_y^{*})\×\frac{1}{K_{m1}^2{i}_d^2+K_{m2}^2{i}_q^2}$ 和

$F_{y0}^{*}=(K_{m2}{i}_q{F}_x^{*}-K_{m1}{i}_d{F}_y^{*})\×\frac{1}{K_{m1}^2{i}_d^2+K_{m2}^2{i}_q^2}$ 确定。

3、根据权利1所述的无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法，其特征在于解耦补偿器(3)中径向悬浮力常数K_m1、K_m2的值是在径向悬浮力的计算公式推导过程中得到，不同参数尺寸的无轴承同步磁阻电机对应不同的径向悬浮力常数K_m1、K_m2，式中 $K_{m1}=\frac{\mathrm{lr}{\mathrm{\μ}}_0{N}_1{N}_2}{{48\mathrm{\δ}}_0^2}{m}_1,$ $K_{m2}=\frac{\mathrm{lr}{\mathrm{\μ}}_0{N}_1{N}_2}{{48\mathrm{\δ}}_0^2}{m}_2,$ 其中l为电机有效铁心长度，r为凸极处转子半径，μ₀为真空磁导率，N₁、N₂分别为转矩绕组和悬浮绕组每相串联有效匝数，δ₀为转子凸极处气隙平均长度，m₁、m₂为比例系数，不同的转子极弧角度积分求解径向悬浮力时会产生不同的值。

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