无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统技术方案

无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，包括无轴承异步电机原系统、设置在无轴承异步电机原系统之前的无轴承异步电机逆系统，以及设置在无轴承异步电机逆系统之前的四个调节控制器，所述的独立逆解耦控制系统还包括气隙磁链独立观测器和转子磁链辨识器；α位移调节控制器、β位移调节控制器、磁链调节控制器和转速调节控制器均由极点配置法构造而成；无轴承异步电机原系统由独立磁悬浮原系统和独立转矩原系统组成该控制系统是一种实时性较强的高性能磁悬浮解耦控制系统，可实现无轴承异步电机的动态解耦控制、简化系统模型的复杂性、避免磁悬浮系统逆模型对转矩系统磁场定向方式的依赖，尤其适用于对动态控制性能要求较高的高速电机驱动应用场合。

Independent inverse decoupling control system for Bearingless Induction Motor

The independent inverse decoupling control system of bearingless asynchronous motor includes the original system of bearingless asynchronous motor, the inverse system of bearingless asynchronous motor set before the original system of bearingless asynchronous motor, and four adjusting controllers set before the inverse system of bearingless asynchronous motor. The independent inverse decoupling control system also includes an air gap flux independent observer and a rotor flux identifier. The original system of bearingless asynchronous motor consists of an independent magnetic suspension system and an independent torque system. The control system is a real-time and high-performance magnetic suspension decoupling control system, which can realize the dynamic decoupling of bearingless asynchronous motor. Control, simplify the complexity of the system model, avoid the dependence of the inverse model of the magnetic levitation system on the magnetic field orientation mode of the torque system, especially for high-speed motor drive applications requiring high dynamic control performance.

【技术实现步骤摘要】
无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统
本专利技术涉及新型特种交流电机驱动与控制
，具体说的是无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统。
技术介绍
无轴承电机是基于磁轴承与交流电机定子结构的相似性而提出的适合于高速运转的新型电机，在航空航天、物料密封传输、先进制造等领域具有广泛的应用前景。对现有文献和专利检索发现，无轴承电机内部存在复杂的电磁耦合关系，为此国内外已对其进行过逆解耦控制研究，但整体逆系统模型复杂，不便于工程应用；在逆系统建模时，现有研究大多忽略了定子电流动态方程，导致逆模型中包含有难以预测的负载转矩变量；在原系统中需通过定子电流闭环来抑制电流分量之间的非线性交叉耦合。为实现无轴承异步电机的高性能解耦控制、简化系统模型的复杂性、避免磁悬浮系统逆模型对转矩系统磁场定向方式的依赖，需提出新的无轴承异步电机的控制系统结构。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，该控制系统是一种实时性较强的高性能磁悬浮解耦控制系统，可实现无轴承异步电机的动态解耦控制、简化系统模型的复杂性、避免磁悬浮系统逆模型对转矩系统磁场定向方式的依赖，尤其适用于对动态控制性能要求较高的高速电机驱动应用场合。为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，包括无轴承异步电机原系统、设置在无轴承异步电机原系统之前的无轴承异步电机逆系统，以及设置在无轴承异步电机逆系统之前的四个调节控制器，四个调节控制器为α位移调节控制器、β位移调节控制器、磁链调节控制器和转速调节控制器；所述的独立逆解耦控制系统还包括气隙磁链独立观测器和转子磁链辨识器；所述的α位移调节控制器、β位移调节控制器、磁链调节控制器和转速调节控制器均由极点配置法构造而成；所述的无轴承异步电机原系统由独立磁悬浮原系统和独立转矩原系统组成；所述的无轴承异步电机逆系统由并联排列的独立磁悬浮逆系统和独立转矩逆系统组成；独立磁悬浮逆系统的输入端与α位移调节控制器、β位移调节控制器的输出端连接，独立转矩逆系统的输入端与磁链调节控制器、转速调节控制器的输出端连接；所述的独立磁悬浮逆系统的输入端与气隙磁链独立观测器的气隙磁链α、β轴分量输出端连接，独立磁悬浮逆系统与独立磁悬浮原系统串联，将独立磁悬浮系统解耦为α径向位移分量伪线性二阶积分子系统和β径向位移分量伪线性二阶积分子系统，α径向位移分量伪线性二阶积分子系统的α向径向位移的给定信号和检测反馈信号连接到α位移调节控制器的输入端，β径向位移分量伪线性二阶积分子系统的β向径向位移的给定信号和检测反馈信号连接到β位移调节控制器的输入端，实现α径向位移分量伪线性二阶积分子系统和β径向位移分量伪线性二阶积分子系统控制闭环；所述的独立转矩逆系统与独立转矩原系统串联，将独立转矩系统解耦为电机转速伪线性二阶积分子系统和转子磁链伪线性二阶积分子系统，电机转速伪线性二阶积分子系统的电机转速的给定信号和反馈信号连接到转速调节控制器的输入端，转子磁链伪线性二阶积分子系统的转子磁链给定信号和经转子磁链辨识器得到的转子磁链反馈信号连接到磁链调节控制器的输入端，实现电机转速伪线性二阶积分子系统和转子磁链伪线性二阶积分子系统控制闭环。本专利技术所述的独立转矩逆系统的模型为设定xt＝(x1t,x2t,x3t,x4t)T＝(is1d,is1q,ψr1,ωr)T，yt＝(y1t,y2t)T＝(ψr1,ωr)T，is1d、is1q为d-q坐标系下转矩绕组的d、q轴定子电流分量，ψr1为d-q坐标系下独立转矩原系统转子磁链的幅值；ωr为转子机械旋转角速度，ut＝(u1t,u2t)T＝(us1d,us1q)T，us1d、us1q为d-q坐标系下转矩绕组的d、q轴定子电压分量，式(10)中，δ＝Rr1/Lr1，ξ＝1/σLs1，η＝Lm1/Lr1，μ＝pnLm1/JLr1，pn是磁极对数；Rs1和Rr1分别为独立转矩系统的定子绕组电阻和转子绕组电阻；Ls1为等效两相定子绕组自电感；Lr1为等效两相转子绕组自电感；Lm1为定转子绕组之间的互感；为电机漏磁系数；J为转动惯量；pn为转矩绕组的磁极对数。本专利技术所述的独立磁悬浮逆系统的模型为设定us＝(u1s,u2s)T＝(is2α,is2β)T，ys＝(y1s,y2s)T＝(α,β)T，变量α和β分别为沿水平和垂直方向的转子径向位移分量，和分别为沿水平和垂直方向转子径向位移分量的时间导数项，is2α、is2β分别为α-β坐标系中的磁悬浮控制电流分量，式(22)中：m为转子质量；ψ1α、ψ1β为α-β坐标系中独立转矩系统气隙磁链的α、β轴分量；Ks是径向位移刚度系数；Km是由电机结构决定的磁悬浮力系数。本专利技术所述的独立磁悬浮系统解耦运算所需要的独立转矩原系统气隙磁链的α、β轴分量ψ1α和ψ1β，通过气隙磁链观测器独立观测计算得到，所述的气隙磁链观测器表达式为其中：Lr1l为独立转矩原系统等效两相转子绕组的漏电感；us1α、us1β为α-β坐标系中转矩绕组定子电压的α、β轴分量；is1α、is1β为α-β坐标系中转矩绕组定子电流的α、β轴分量，Rs1为独立转矩原系统的定子绕组电阻。本专利技术所述的四个调节控制器的构建方法为：首先，根据解耦后的各个子系统近似传递函数G(s)＝1/s2，以及前馈和反馈调节控制器的传递函数，构造出子系统的闭环传递函数为：其中，a0、a1为前馈和反馈调节控制器的参数，然后，将个子系统转化为“标准二阶系统”，此时各个子系统的闭环传递函数可表示为：式(24)中的ζ为系统阻尼比，ωn为系统响应角频率。最后，确定前馈加反馈调节控制器的参数。对比式(23)和(24)的对应项，按对应项系数相对的原则，可确定出前馈和反馈调节控制器的参数a0、a1表达式：根据前述选定的阻尼比参数ζ和响应角频率参数ωn，即可求出前馈和反馈调节控制器的参数。本专利技术有益效果是：采用本专利技术给出的无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，把无轴承异步电机系统中的转矩系统和磁悬浮系统分离为两个独立系统，所得到的独立转矩系统和独立磁悬浮系统的原系统模型和逆系统模型都比较简单，使得无轴承异步电机整体系统模型得到有效简化，便于工程技术实现。同时，因为转矩绕组定子电流动态变化过程中的交叉耦合项已通过逆系统方法实现解耦，可省去独立转矩原系统中的电流闭环；因为系统建模时已考虑了转矩绕组电流动态特性，所建立的独立转矩系统逆模型中不再包含难以预测的负载转矩变量，在独立转矩逆系统实现时可省掉对转矩变量的在线辨识环节；采用极点配置法配置各闭环子系统的调节控制器，可在保证各子系统稳定性的基础上保障其阻尼比和响应速度的需求。总之，本专利技术给出的无轴承异步电机独立逆解耦控制系统，具有整体系统结构简单、模型和算法简单、易于工程技术实现等优点。附图说明图1为无轴承异步电机独立逆系统解耦原理示意图；图2为闭环子系统调节控制器结构示意图；图3为无轴承异步电机独立逆解耦控制系统原理结构图；具体实施方式无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，包括无轴承异步电机原系统、设置在无轴承异步电机原系统之前的无轴承异步电机逆系统，以及设置在无轴承异步电机逆系统之前的四个调节控制器，四个调节控制器为α位移调节控制器、β位移调节控制器、磁链调节控制器和转速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，包括无轴承异步电机原系统、设置在无轴承异步电机原系统之前的无轴承异步电机逆系统，以及设置在无轴承异步电机逆系统之前的四个调节控制器，四个调节控制器为α位移调节控制器、β位移调节控制器、磁链调节控制器和转速调节控制器，其特征在于：所述的独立逆解耦控制系统还包括气隙磁链独立观测器和转子磁链辨识器；所述的α位移调节控制器、β位移调节控制器、磁链调节控制器和转速调节控制器均由极点配置法构造而成；所述的无轴承异步电机原系统由独立磁悬浮原系统和独立转矩原系统组成；所述的无轴承异步电机逆系统由并联排列的独立磁悬浮逆系统和独立转矩逆系统组成；独立磁悬浮逆系统的输入端与α位移调节控制器、β位移调节控制器的输出端连接，独立转矩逆系统的输入端与磁链调节控制器、转速调节控制器的输出端连接；所述的独立磁悬浮逆系统的输入端与气隙磁链独立观测器的气隙磁链α、β轴分量输出端连接，独立磁悬浮逆系统与独立磁悬浮原系统串联，将独立磁悬浮系统解耦为α径向位移分量伪线性二阶积分子系统和β径向位移分量伪线性二阶积分子系统，α径向位移分量伪线性二阶积分子系统的α向径向位移的给定信号与检测反馈信号连接到α位移调节控制器的输入端，β径向位移分量伪线性二阶积分子系统的β向径向位移的给定信号与检测反馈信号连接到β位移调节控制器的输入端，实现α径向位移分量伪线性二阶积分子系统和β径向位移分量伪线性二阶积分子系统控制闭环；所述的独立转矩逆系统与独立转矩原系统串联，将独立转矩系统解耦为电机转速伪线性二阶积分子系统和转子磁链伪线性二阶积分子系统，电机转速伪线性二阶积分子系统的电机转速的给定信号和反馈信号连接到转速调节控制器的输入端，转子磁链伪线性二阶积分子系统的转子磁链给定信号和经转子磁链辨识器得到的转子磁链反馈信号连接到磁链调节控制器和转速调节控制器的输入端，实现电机转速伪线性二阶积分子系统和转子磁链伪线性二阶积分子系统控制闭环。...

【技术特征摘要】
1.无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，包括无轴承异步电机原系统、设置在无轴承异步电机原系统之前的无轴承异步电机逆系统，以及设置在无轴承异步电机逆系统之前的四个调节控制器，四个调节控制器为α位移调节控制器、β位移调节控制器、磁链调节控制器和转速调节控制器，其特征在于：所述的独立逆解耦控制系统还包括气隙磁链独立观测器和转子磁链辨识器；所述的α位移调节控制器、β位移调节控制器、磁链调节控制器和转速调节控制器均由极点配置法构造而成；所述的无轴承异步电机原系统由独立磁悬浮原系统和独立转矩原系统组成；所述的无轴承异步电机逆系统由并联排列的独立磁悬浮逆系统和独立转矩逆系统组成；独立磁悬浮逆系统的输入端与α位移调节控制器、β位移调节控制器的输出端连接，独立转矩逆系统的输入端与磁链调节控制器、转速调节控制器的输出端连接；所述的独立磁悬浮逆系统的输入端与气隙磁链独立观测器的气隙磁链α、β轴分量输出端连接，独立磁悬浮逆系统与独立磁悬浮原系统串联，将独立磁悬浮系统解耦为α径向位移分量伪线性二阶积分子系统和β径向位移分量伪线性二阶积分子系统，α径向位移分量伪线性二阶积分子系统的α向径向位移的给定信号与检测反馈信号连接到α位移调节控制器的输入端，β径向位移分量伪线性二阶积分子系统的β向径向位移的给定信号与检测反馈信号连接到β位移调节控制器的输入端，实现α径向位移分量伪线性二阶积分子系统和β径向位移分量伪线性二阶积分子系统控制闭环；所述的独立转矩逆系统与独立转矩原系统串联，将独立转矩系统解耦为电机转速伪线性二阶积分子系统和转子磁链伪线性二阶积分子系统，电机转速伪线性二阶积分子系统的电机转速的给定信号和反馈信号连接到转速调节控制器的输入端，转子磁链伪线性二阶积分子系统的转子磁链给定信号和经转子磁链辨识器得到的转子磁链反馈信号连接到磁链调节控制器和转速调节控制器的输入端，实现电机转速伪线性二阶积分子系统和转子磁链伪线性二阶积分子系统控制闭环。2.如权利要求1所述的无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，其特征在于：所述的独立转矩逆系统的模型为设定xt＝(x1t,x2t,x3t,x4t)T＝(is1d,is1q,ψr1,ωr)T，yt＝(y1t,y2t)T＝(ψr1,ωr)T，is1d、is1q为d-q坐标系下转矩绕组的d、q轴定子电流分量，ψr1为d-q坐标系下独立转矩系统转子磁链的幅值；ωr为转子机械旋转角速度，ut＝(u1t,u2t)T...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜文绍，路春晓，陈有鹏，李彪，牛新闻，乔岩茹，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41