无轴承异步电机的独立逆系统解耦方法技术方案

无轴承异步电机独立逆系统解耦方法，根据无轴承异步电机的工作原理构建的独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型，分别建立无负载转矩变量TL的独立转矩系统逆模型以及包括气隙磁链独立观测器观测得到的独立转矩系统气隙磁链α、β轴分量ψ1

Independent Inverse System Decoupling Method for Bearingless Asynchronous Motor

The decoupling method of independent inverse system for bearingless induction motor is presented. According to the working principle of bearingless induction motor, the original model of independent torque system and the original model of independent magnetic levitation system are constructed. The inverse model of independent torque system without load torque variable TL and the air gap flux component_1 of independent torque system including air gap flux observer observation are established respectively.

【技术实现步骤摘要】
无轴承异步电机的独立逆系统解耦方法
本专利技术涉及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系统解耦方法。
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，但整体逆系统模型及其推导过程都比较复杂，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。
技术实现思路
为解决上述技术问题，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，提出了无轴承异步电机的独立逆系统解耦方法。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系统解耦方法，根据无轴承异步电机的工作原理构建的独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型，分别建立无负载转矩变量TL的独立转矩系统逆模型以及包括气隙磁链独立观测器观测得到的独立转矩系统气隙磁链α、β轴分量ψ1α和ψ1β的独立磁悬浮系统逆模型，再将独立转矩系统逆模型和独立磁悬浮系统逆模型并联后，串联在独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型之前，通过逆系统方法分别对独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型进行逆系统解耦，独立转矩系统被解耦为两个二阶线性积分子系统的转速子系统和转子磁链子系统，独立磁悬浮系统被解耦为两个二阶线性积分子系统的水平方向径向位移分量子系统和垂直方向径向位移分量子系统。本专利技术所述的独立转矩系统逆模型为设定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＝(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系统逆模型为设定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，s2α、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系统气隙磁链的α、β轴分量ψ1α和ψ1β，通过气隙磁链独立观测器独立观测计算得到，所述的气隙磁链独立观测器表达式为其中：Lr1l为独立转矩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为独立转矩系统的定子绕组电阻。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独立逆系统解耦方法，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，因而独立转矩原系统中的电流闭环可以省掉，逆系统模型中不含难以预测的负载转矩变量，在系统实现时可省掉转矩在线辨识环节，因此可有效简化无轴承异步电机整体控制系统结构的复杂度；另外，采用本文的独立逆系统解耦方法，独立转矩系统逆模型和独立磁悬浮系统逆模型及其推导过程都比较简单，便于工程技术实现。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。具体实施方式本专利以二极浮控四极无轴承异步电机为被控对象，以转矩系统转子磁场定向方式为例，提出了无轴承异步电机的独立逆系统解耦方法，简化无轴承异步电机系统模型的复杂性、避免磁悬浮系统逆模型对转矩系统磁场定向方式的依赖。具体方法为，根据无轴承异步电机的工作原理构建的独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型，分别建立无负载转矩变量TL的独立转矩系统逆模型以及包括独立转矩系统气隙磁链α、β轴分量ψ1α和ψ1β的独立磁悬浮系统逆模型，再将独立转矩系统逆模型和独立磁悬浮系统逆模型并联后，串联在独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型之前，通过逆系统方法分别对独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型进行逆系统解耦，独立转矩系统被解耦为两个二阶线性积分子系统的转速子系统和转子磁链子系统，独立磁悬浮系统被解耦为两个二阶线性积分子系统的水平方向径向位移分量子系统和垂直方向径向位移分量子系统；独立磁悬浮系统解耦运算所需要的独立转矩系统气隙磁链信息，通过“气隙磁链独立观测器”独立观测计算得到。该专利技术属于新型特种电机驱动与控制领域，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。专利专利技术原理依据：1)无轴承异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂对象，其中存在复杂的非线性电磁耦合关系；逆系统法是适于多变量、复杂非线性系统的动态解耦控制方法，能实现无轴承异步电机内部各耦合变量之间的交叉耦合关系。2)因磁悬浮控制磁场相对比较微弱，无轴承异步电机的转矩系统控制基本不受磁悬浮系统的影响，可以进行独立逆系统解耦控制；在无轴承异步电机磁悬浮系统中，需要根据转矩系统的气隙磁链信息进行控制，而转矩系统的气隙磁链可根据其定子电压、定子电流和定子电阻参数等独立计算得到，不但不受易变转子电阻参数的影响，而且不受转矩系统的当前磁场定向方式限制，因此对磁悬浮系统进行独立逆系统解耦控制也是可行的。无轴承异步电机的独立逆系统解耦方法，包括以下步骤：1)独立转矩系统建模定义：d-q坐标系为转矩系统转子磁链定向坐标系。首先，建立独立转矩系统原模型。考虑转矩系统定子电流动态特性，兼顾考虑约束条件“ψr1＝ψr1d、”，其中ψr1d和ψr1q分别是独立转矩系统转子磁链的d、q轴分量，分别选取独立转矩系统的输入变量ut、状态变量xt、输出变量yt为：ut＝(u1t,u2t)T＝(us1d,us1q)T(1)xt＝(x1t,x2t,x3t,x4t)T＝(is1d,is1q,ψr1,ωr)T(2)yt＝(y1t,y2t)T＝(ψr1,ωr)T(3)其中：us1d、us1q为d-q坐标系下转矩绕组的d、q轴定子电压分量；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。则根据无轴承异步电机的工作原理，可推导求出d-q坐标系中的独立转矩系统的状态方程，也即原模型为：其中：δ＝Rr1/Lr1，ξ＝1/σLs1，η＝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系统解耦方法，其特征在于：根据无轴承异步电机的工作原理构建的独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型，分别建立无负载转矩变量TL的独立转矩系统逆模型以及包括气隙磁链独立观测器观测得到的独立转矩系统气隙磁链α、β轴分量ψ1α和ψ1β的独立磁悬浮系统逆模型，再将独立转矩系统逆模型和独立磁悬浮系统逆模型并联后，串联在独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型之前，通过逆系统方法分别对独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型进行逆系统解耦，独立转矩系统被解耦为两个二阶线性积分子系统的转速子系统和转子磁链子系统，独立磁悬浮系统被解耦为两个二阶线性积分子系统的水平方向径向位移分量子系统和垂直方向径向位移分量子系统。

【技术特征摘要】
1.无轴承异步电机的独立逆系统解耦方法，其特征在于：根据无轴承异步电机的工作原理构建的独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型，分别建立无负载转矩变量TL的独立转矩系统逆模型以及包括气隙磁链独立观测器观测得到的独立转矩系统气隙磁链α、β轴分量ψ1α和ψ1β的独立磁悬浮系统逆模型，再将独立转矩系统逆模型和独立磁悬浮系统逆模型并联后，串联在独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型之前，通过逆系统方法分别对独立转矩系统原模型和独立磁悬浮系统原模型进行逆系统解耦，独立转矩系统被解耦为两个二阶线性积分子系统的转速子系统和转子磁链子系统，独立磁悬浮系统被解耦为两个二阶线性积分子系统的水平方向径向位移分量子系统和垂直方向径向位移分量子系统。2.如权利要求1所述的无轴承异步电机的独立逆系统解耦方法，其特征在于：所述的独立转矩系统逆模型为设定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＝(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＝pnL...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜文绍，路春晓，曹磊，李劲伟，卢盼超，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