基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统技术方案

基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统，包括无轴承异步电机原系统、无轴承异步电机逆系统、转子电阻辨识器、转子磁链观测器和四个闭环调节器，在静止坐标系下推导出转矩系统无功功率的参考模型和观测模型，且参考模型不包含定子电阻参数、纯积分环节，通过构建基于Popov超稳定理论的转子电阻模糊PI自适应律，以便有效提高转子电阻辨识的实时快速性和准确性，并对无轴承异步电机的逆系统模型、转子磁链观测模型中转子电阻参数进行实时修正，以便有效提高其动态解耦控制性能，属于新型特种电机的参数在线检测与驱动控制技术领域，尤其适用于无轴承异步电机的高性能动态解耦控制应用场合。

Inverse Decoupling Control System of Bearingless Induction Motor Based on Rotor Resistance Online Identification

【技术实现步骤摘要】
基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统
本专利技术涉及特种交流电机的参数在线检测及控制
，尤其涉及基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统。
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，于近年来发展起来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。在无轴承异步电机运行过程中，电机参数会随运行环境的变化而变化，特别是转子电阻受温度变化的影响较大，会导致转子磁链的观测误差，从而间接影响气隙磁链的准确性、系统的动态解耦控制性能。对现有文献和专利检索结果发现：无轴承异步电机内部存在复杂的电磁耦合关系，要实现其高性能控制，必须实现其相关变量之间的解耦控制；关于无轴承异步电机的逆系统动态解耦控制，国内外已有初步研究，但转子电阻参数对其逆系统动态解耦控制性能有着重要影响。目前，针对无轴承异步电机转子电阻辨识的研究报道还很少；针对无轴承异步电机，已有文献根据转子电阻变化对转矩系统气隙磁链的影响原理，利用磁悬浮力指令进行无轴承异步电机转子电阻的辨识研究，但其只能适用于已知外部径向力负载的特殊情况。
技术实现思路
为了克服转子电阻对无轴承异步电机控制性能的影响，本专利技术提供了一种基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统，可有效避免定子电阻变化、纯积分环节对转子电阻辨识精度的影响，通过对无轴承异步电机的逆系统模型、转子磁链观测模型中转子电阻参数的实时修正，有效提高其动态解耦控制性能。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统，该系统中设定α-β为静止两相正交坐标系，其α坐标轴与三相无轴承异步电机A相转矩绕组的轴线方向一致，β坐标轴在α坐标轴的逆时针垂直方向，设定d-q为转矩系统转子磁链定向同步旋转坐标系，所述的逆解耦控制系统包括无轴承异步电机原系统、无轴承异步电机逆系统、转子电阻辨识器、转子磁链观测器和四个闭环调节器；无轴承异步电机逆系统的输出与无轴承异步电机原系统的输入串接，四个闭环调节器分别与无轴承异步电机逆系统的输入串接，转子电阻辨识器和转子磁链观测器均与无轴承异步电机原系统的输出串接，且转子电阻辨识器和转子磁链观测器相互串接，通过转子电阻辨识器和转子磁链观测器配合得到无轴承异步电机的转子电阻观测值以及转子磁链观测值；将转子电阻观测值送入无轴承异步电机逆系统，并将无轴承异步电机原系统输出的转速、α径向位移分量和β径向位移分量的数值以及所得的转子磁链观测值分别与其各自的一个给定值进行比较运算，再把四个比较运算差值分别送入各自的一个闭环调节器以作为无轴承异步电机逆系统的输入量，即构成基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统；无轴承异步电机原系统模型为：式（2）中，，，，，，，，，；Rs1、Rr1分别为转矩系统的定子电阻、转子电阻，Lm1为d-q坐标系中等效两相转矩系统的互感，Ls1为d-q坐标系中的等效两相转矩绕组的自感，Ls1=Lm1+Ls1l，Lr1为d-q坐标系中的等效两相转子绕组自感，Lr1=Lm1+Lr1l，Ls1l和Lr1l分别为转矩系统在d-q坐标系中的定、转子漏感；us1d、us1q为转矩绕组定子电流的d、q轴分量；is2d、is2q为悬浮绕组定子电流的d、q轴分量；、分别为α-β坐标系中的转子径向位移分量；ψr1为转矩系统的转子磁链；ωr为转子旋转角频率；Km为磁悬浮力系数，，μ0为气隙磁导率，l为电机定子铁心长度，r为定子内径，Lm2为悬浮绕组单相激磁电感，N1、N2分别为转矩绕组、悬浮绕组的有效串联匝数；m为转子质量；fα、fβ分别为α-β坐标系中的不平衡单边磁拉力分量，，ks为径向位移刚度系数；TL为负载转矩；p1为转矩绕组的磁极对数；无轴承异步电机逆系统模型为：式（4）中，，为转子径向位移分量α的二阶导数；，为转子径向位移分量β的二阶导数；，为转矩系统转子磁链ψr1的二阶导数；，为转子旋转角速度ωr的二阶导数；其余变量和参数的定义见式（2）；转子磁链观测器模型为：式（6）中：分别为α-β坐标系中转子磁链分量的观测值；为转子电阻观测值；其余变量和参数的定义见式（2）；转子电阻辨识器中，通过转子电阻辨识的PI自适应律和模糊控制器配合构成基于无功功率的无轴承异步电机转子电阻辨识的模糊PI自适应律；转子电阻辨识的PI自适应律为：式（19）中，为转子电阻观测值，ki为积分系数，kp为比例系数，为无轴承异步电机无功功率的观测误差：Q为无功功率的理论参考值，α-β静止两相正交坐标系下的无功功率参考模型为：为无功功率的辨识估计值，α-β静止两相正交坐标系下的无功功率可调模型为：式（17）中：为漏感系数；p为微分算子；其余变量和参数的定义与式（2）相同；模糊控制器的输入量：偏差e为无功功率的观测误差，模糊控制器的输入量：偏差变化率ec为无功功率观测误差的变化率，通过模糊控制器对偏差e和偏差变化率ec分别进行模糊化处理，得到模糊语言变量E和EC，根据模糊控制规则对模糊语言变量E和EC进行模糊推理，得到模糊语言变量ΔKI和ΔKP，通过加权平均法对模糊语言变量ΔKI和ΔKP进行去模糊化处理，得到模糊控制器的输出量Δki和Δkp；将Δki和Δkp带入转子电阻辨识的PI自适应律中，通过Δki和Δkp对式（19）中的积分系数ki和比例系数kp进行实时修正，即构成转子电阻辨识的模糊PI自适应律，从而使转子电阻辨识器能够输出转子电阻观测值；通过转子电阻辨识器输出的转子电阻观测值不断替换转子磁链观测器模型中使用的转子电阻观测值，从而对转子磁链观测值持续进行实时修正；通过转子电阻辨识器输出的转子电阻观测值不断替换无功功率可调模型中使用的转子电阻观测值，并通过实时修正后的转子磁链观测值不断替换无功功率可调模型中使用的转子磁链观测值，对无功功率的辨识估计值持续进行实时修正，从而对转子电阻观测值持续进行实时修正。优选的，建立所述的无轴承异步电机原系统模型时，选取无轴承异步电机的输入变量u、状态变量x、输出变量y分别为：建立所述的无轴承异步电机逆系统模型时，选取逆系统的输入量：。优选的，转子磁链观测器模型的建立方法为，在静止α-β坐标系下，建立无轴承异步电机转矩系统的转子磁链电流模型为：式（5）中：分别为转子磁链的α、β轴分量；Tr1=Lr1/Rr1为转子时常；is1α、is1β分别为转矩绕组电流的α、β轴分量；Rr1、Lr1、Lm1、ωr的定义与式（2）相同；p为微分算子；用转子电阻观测值替换转子磁链电流模型中的转子电阻Rr1，即可得到转子磁链的观测模型。优选的，无功功率可调模型的建立方法为，在α-β静止两相正交坐标系下，分别建立转矩系统的定子磁链、转子磁链、定子电压方程：其中：ψs1α、ψs1β分别为定子磁链的α、β轴分量；ir1α、ir1β分别为转子电流的α、β轴分量；Lm1为转矩系统的定转子互电感；根据式(7)，得到转子电流的表达式：将式(10)代入式(8)得到：将式(11)代入式(9)得到：定义瞬时无功功率为：将式(12)代入式(13)得到：将式(5)代入式(14)得到：即得到α-β静止两相正交坐标系下的无功功率可调模型。优选的，模糊控制器中，模糊语言变量E、EC、ΔKP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统，该系统中设定α‑β为静止两相正交坐标系，其α坐标轴与三相无轴承异步电机A相转矩绕组的轴线方向一致，β坐标轴在α坐标轴的逆时针垂直方向，设定d‑q为转矩系统转子磁链定向同步旋转坐标系，其特征在于：所述的逆解耦控制系统包括无轴承异步电机原系统、无轴承异步电机逆系统、转子电阻辨识器、转子磁链观测器和四个闭环调节器；无轴承异步电机逆系统的输出与无轴承异步电机原系统的输入串接，四个闭环调节器分别与无轴承异步电机逆系统的输入串接，转子电阻辨识器和转子磁链观测器均与无轴承异步电机原系统的输出串接，且转子电阻辨识器和转子磁链观测器相互串接，通过转子电阻辨识器和转子磁链观测器配合得到无轴承异步电机的转子电阻观测值以及转子磁链观测值；将转子电阻观测值送入无轴承异步电机逆系统，并将无轴承异步电机原系统输出的转速、α径向位移分量和β径向位移分量的数值以及所得的转子磁链观测值分别与其各自的一个给定值进行比较运算，再把四个比较运算差值分别送入各自的一个闭环调节器以作为无轴承异步电机逆系统的输入量，即构成基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统；无轴承异步电机原系统模型为：...

【技术特征摘要】
1.基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统，该系统中设定α-β为静止两相正交坐标系，其α坐标轴与三相无轴承异步电机A相转矩绕组的轴线方向一致，β坐标轴在α坐标轴的逆时针垂直方向，设定d-q为转矩系统转子磁链定向同步旋转坐标系，其特征在于：所述的逆解耦控制系统包括无轴承异步电机原系统、无轴承异步电机逆系统、转子电阻辨识器、转子磁链观测器和四个闭环调节器；无轴承异步电机逆系统的输出与无轴承异步电机原系统的输入串接，四个闭环调节器分别与无轴承异步电机逆系统的输入串接，转子电阻辨识器和转子磁链观测器均与无轴承异步电机原系统的输出串接，且转子电阻辨识器和转子磁链观测器相互串接，通过转子电阻辨识器和转子磁链观测器配合得到无轴承异步电机的转子电阻观测值以及转子磁链观测值；将转子电阻观测值送入无轴承异步电机逆系统，并将无轴承异步电机原系统输出的转速、α径向位移分量和β径向位移分量的数值以及所得的转子磁链观测值分别与其各自的一个给定值进行比较运算，再把四个比较运算差值分别送入各自的一个闭环调节器以作为无轴承异步电机逆系统的输入量，即构成基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统；无轴承异步电机原系统模型为：式（2）中，，，，，，，，，；Rs1、Rr1分别为转矩系统的定子电阻、转子电阻，为d-q坐标系中等效两相转矩系统的互感，Ls1为d-q坐标系中的等效两相转矩绕组的自感，Ls1=Lm1+Ls1l，Lr1为d-q坐标系中的等效两相转子绕组自感，Lr1=Lm1+Lr1l，Ls1l和Lr1l分别为转矩系统在d-q坐标系中的定、转子漏感；us1d、us1q为转矩绕组定子电流的d、q轴分量；is2d、is2q为悬浮绕组定子电流的d、q轴分量；、分别为α-β坐标系中的转子径向位移分量；ψr1为转矩系统的转子磁链；ωr为转子旋转角频率；Km为磁悬浮力系数，，μ0为气隙磁导率，l为电机定子铁心长度，r为定子内径，Lm2为悬浮绕组单相激磁电感，N1、N2分别为转矩绕组、悬浮绕组的有效串联匝数；m为转子质量；fα、fβ分别为α-β坐标系中的不平衡单边磁拉力分量，，ks为径向位移刚度系数；TL为负载转矩；p1为转矩绕组的磁极对数；无轴承异步电机逆系统模型为：式（4）中，，为转子径向位移分量α的二阶导数；，为转子径向位移分量β的二阶导数；，为转矩系统转子磁链ψr1的二阶导数；，为转子旋转角速度ωr的二阶导数；其余变量和参数的定义见式（2）；转子磁链观测器模型为：式（6）中：分别为α-β坐标系中转子磁链分量的观测值；为转子电阻观测值；其余变量和参数的定义见式（2）；转子电阻辨识器中，通过转子电阻辨识的PI自适应律和模糊控制器配合构成基于无功功率的无轴承异步电机转子电阻辨识的模糊PI自适应律；转子电阻辨识的PI自适应律为：式（19）中，为转子电阻观测值，ki为积分系数，kp为比例系数，为无轴承异步电机无功功率的观测误差：Q为无功功率的理论参考值，α-β静止两相正交坐标系下的无功功率参考模型为：式（17）中：为漏感系数；p为微分算子；其余变量和参数的定义与式（2）...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜文绍，孙立功，陈有鹏，屠晓婉，卢盼超，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41