一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法技术

本发明专利技术公开了一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法，包括三相绕组等效电感参数计算方法、电压方程和磁链方程的构建方法、基于磁场定向的电机电磁转矩和悬浮力的独立控制策略；首先建立了绕线式无轴承异步电机的电感矩阵并采用等效原则进行化简；接着推导了电机的电压方程和磁链方程；最后分别采用转矩磁场定向和气隙磁场定向的矢量控制策略，将原系统分解为可独立控制电机转速和磁链的两个子系统。本发明专利技术在建立了绕线式无轴承异步电机精确数学模型的基础上采用坐标变换和磁场定向的矢量控制原理达到转速和磁链完全解耦目的，最终实现绕线式无轴承异步电机电磁转矩和悬浮力的独立控制。独立控制。独立控制。

【技术实现步骤摘要】
一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法


[0001]本专利技术属于电气传动控制设备的
，尤其是一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法。

技术介绍

[0002]随着现代工业的发展，电机的应用越来越广，其要求也越来越高。无轴承电机利用磁轴承和电机定子结构的相似性，在普通电机上巧妙地嵌入一套悬浮力绕组，分别控制悬浮力绕组和转矩绕组中的电流就可以同时实现稳定悬浮和无摩擦旋转。与普通电机相比，无轴承电机具有无机械摩擦、磨损、无需润滑等优点，在航空航天、高速硬盘、飞轮储能、生物医学以及无菌无污染操作的特种电气领域具有广阔的应用前景。
[0003]无轴承异步电机兼顾了无轴承电机和异步电机的优点，随着研究的深入，其控制理论与方法也不断发展和完善。由于定子侧两套绕组的存在，无轴承异步电机是典型强耦合系统。因此，如何对输入量和被控对象进行精确的解耦，是无轴承异步电机研究与发展的最基础问题。
[0004]目前，无轴承异步电机已研究出多种解耦方法。中国专利申请号为CN201210201675.3，名称为：基于支持向量机逆的无轴承异步电机控制系统，将支持向量机逆与复合被控对象串联构成由线性化伪线性系统并采用多内模切换控制进行闭环复合控制。中国专利申请号为CN201210276033.X，名称为：无轴承异步电机径向模糊神经网络广义逆控制器构造方法，将模糊神经网络广义逆串接在复合被控对象之前，实现无轴承异步电机径向位置非线性系统的开环线性化控制。上述两种解耦方法都依赖于电机精确的数学模型，而电机在实际运行中参数会不断变化，直接影响上述解耦方法的控制精度。同时，电机的精确数学模型应考虑悬浮力绕组感应电流和两套绕组之间的互感问题，而这些因素在大多数无轴承异步电机的研究中都被忽略。常用的鼠笼转子由于短路环结构，整个转子能感应任意极磁场。因此，悬浮力绕组磁场在鼠笼转子里的感应电流不仅会造成励磁磁场削弱，而且会对电机的电磁转矩产生干扰。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术针对特殊结构的绕线式无轴承异步电机提出了一种解耦方法。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法，包括如下步骤：
[0008]S1、建立绕线式无轴承异步电机转矩绕组和悬浮力绕组的a、b、c三相磁链方程；
[0009]S2、基于S1中的三相磁链方程，采用转子磁场定向方法对无轴承异步电机进行解耦，具体过程为：
[0010]S2.1、对无轴承异步电机的转子磁链进行解耦；
[0011]S2.2、对无轴承异步电机悬浮力进行解耦；
[0012]S2.3、构建无轴承异步电机的电磁转矩方程；
[0013]S3、基于S1中的三相磁链方程，采用气隙磁场定向方法对无轴承异步电机进行解耦，具体过程为:
[0014]S3.1、对无轴承异步电机的气隙磁链进行解耦；
[0015]S3.2、对无轴承异步电机悬浮力进行解耦；
[0016]S3.3、构建无轴承异步电机的电磁转矩方程；
[0017]S4、基于S2中的电机转子磁链方程、悬浮力方程和电磁转矩方程对绕线式无轴承异步电机进行转子磁场定向的解耦方法为：将Te
*
、ψ
1r*
、F
x*
、F
y*
作为输入，根据S2.3构建的电磁转矩方程计算出i
1sq
，用于控制电机的电磁转矩；基于S2.2中的无轴承异步电机的悬浮力方程计算出i
1sd
、i
2sd
和i
2sq
，分别控制电机的转子磁链、x轴上悬浮力和y轴上悬浮力； Te
*
、ψ
1r*
、F
x*
、F
y*
分别是电机电磁转矩、转子磁链、x轴上悬浮力以及y轴上悬浮力的给定值。基于S3中的电机气隙磁链方程、悬浮力方程和电磁转矩方程对绕线式无轴承异步电机进行气隙磁场定向的解耦方法为：将Te
*
、(ψ1+ψ2)
*
、F
x*
、F
y*
作为输入，根据S3.3构建的无轴承异步电机电磁转矩方程计算出i
1sq
，用于控制电机的电磁转矩；根据S3.2所构造的无轴承异步电机的悬浮力方程式计算出i
2sd
和i
2sq
，用于控制x轴上悬浮力和y轴上悬浮力；计算出i
1sd
，用于控制电机的气隙磁链，(ψ1+ψ2)
*
为气隙磁链给定值。
[0018]进一步，S2.1对无轴承异步电机的转子磁链进行解耦的过程为:
[0019]S2.1.1、对定子绕组、转子绕组进行3/2变换，构建两相磁链矩阵：
[0020][0021]其中，ψ
1sα
和ψ
1sβ
分别是α、β轴上的转矩绕组定子磁链；ψ
1rα
和ψ
1rβ
分别是α、β轴上的转子磁链；ψ
2sα
和ψ
2sβ
分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子磁链；L
1sα
和L
1sβ
分别是α、β轴上的转矩绕组定子自感；L
1rα
和L
1rα
分别是α、β轴上的转子自感，L
2sα
和L
2sβ
分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子自感；i
1sα
和i
1sβ
分别是α、β轴上的转矩绕组定子电流；i
1rα
和i
1rβ
分别是α、β轴上的转矩绕组转子电流；i
2sα
和i
2sβ
分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子电流；M
1sα1rα
和M
1rα1sα
、M
1sα2sα
和M
2sα1sα
、M
2sα1rα
和M
1rα2sα
分别是转矩绕组定子和转子在α轴上的互感、转矩绕组定子和悬浮力绕组定子在α轴上的互感、悬浮力绕组定子和转子在α轴上的互感； M
1sβ1rβ
和M
1rβ1sβ
、M
1sβ2sβ
和M
2sβ1sβ
、M
2sβ1rβ
和M
1rβ2sβ
分别是转矩绕组定子和转子在β轴上的互感、转矩绕组定子和悬浮力绕组定子在β轴上的互感、悬浮力绕组定子和转子在β轴上的互感；根据三相绕组的对称性。
[0022]S2.1.2、由两相磁链矩阵构建αβ坐标系下的磁链方程：
[0023][0024]令L
1sα
＝L
1sβ
＝L
1s
，L
1rα
＝L
1rβ
＝L
1r
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立绕线式无轴承异步电机转矩绕组和悬浮力绕组的a、b、c三相磁链方程；S2、基于S1中的三相磁链方程，采用转子磁场定向方法对无轴承异步电机进行解耦，具体过程为：S2.1、对无轴承异步电机的转子磁链进行解耦；S2.2、对无轴承异步电机悬浮力进行解耦；S2.3、构建无轴承异步电机的电磁转矩方程；S3、基于S1中的三相磁链方程，采用气隙磁场定向方法对无轴承异步电机进行解耦，具体过程为:S3.1、对无轴承异步电机的气隙磁链进行解耦；S3.2、对无轴承异步电机悬浮力进行解耦；S3.3、构建无轴承异步电机的电磁转矩方程；S4、基于S2中的电机转子磁链方程、悬浮力方程和电磁转矩方程对绕线式无轴承异步电机进行转子磁场定向的解耦方法为：将Te
*
、ψ
1r*
、F
x*
、F
y*
作为输入，根据S2.3构建的电磁转矩方程计算出i
1sq
，用于控制电机的电磁转矩；基于S2.2中的无轴承异步电机的悬浮力方程计算出i
1sd
、i
2sd
和i
2sq
，分别控制电机的转子磁链、x轴上悬浮力和y轴上悬浮力；Te
*
、ψ
1r*
、F
x*
、F
y*
分别是电机电磁转矩、转子磁链、x轴上悬浮力以及y轴上悬浮力的给定值。基于S3中的电机气隙磁链方程、悬浮力方程和电磁转矩方程对绕线式无轴承异步电机进行气隙磁场定向的解耦方法为：将Te
*
、(ψ1+ψ2)
*
、F
x*
、F
y*
作为输入，根据S3.3构建的无轴承异步电机电磁转矩方程计算出i
1sq
，用于控制电机的电磁转矩；根据S3.2所构造的无轴承异步电机的悬浮力方程式计算出i
2sd
和i
2sq
，用于控制x轴上悬浮力和y轴上悬浮力；计算出i
1sd
，用于控制电机的气隙磁链，(ψ1+ψ2)
*
为气隙磁链给定值。2.根据权利要求1所述的一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法，其特征在于，S2.1对无轴承异步电机的转子磁链进行解耦的过程为:S2.1.1、对定子绕组、转子绕组进行3/2变换，构建两相磁链矩阵：其中，ψ
1sα
和ψ
1sβ
分别是α、β轴上的转矩绕组定子磁链；ψ
1rα
和ψ
1rβ
分别是α、β轴上的转子磁链；ψ
2sα
和ψ
2sβ
分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子磁链；L
1sα
和L
1sβ
分别是α、β轴上的转矩绕组定子自感；L
1rα
和L
1rα
分别是α、β轴上的转子自感，L
2sα
和L
2sβ
分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子自感；i
1sα
和i
1sβ
分别是α、β轴上的转矩绕组定子电流；i
1rα
和i
1rβ
分别是α、β轴上的转矩绕组转子电流；i
2sα
和i
2sβ
分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子电流；M
1sα1rα
和M
1rα1sα
、M
1sα2sα
和M
2sα1sα
、M
2sα1rα
和M
1rα2sα
分别是转矩绕组定子和转子在α轴上的互感、转矩绕组定子和悬浮力绕组定子在α轴上的互感、悬浮力绕组定子和转子在α轴上的互感；M
1sβ1rβ
和M
1rβ1sβ
、M
1sβ2sβ
和M
2sβ1sβ
、M
2sβ1rβ
和M
1rβ2sβ
分别是转矩绕组定子和转子在β轴上的互感、转矩绕组定子和悬浮力
绕组定子在β轴上的互感、悬浮力绕组定子和转子在β轴上的互感；根据三相绕组的对称性；S2.1.2、由两相磁链矩阵构建αβ坐标系下的磁链方程：令L
1sα
＝L
1sβ
＝L
1s
，L
1rα
＝L
1rβ
＝L
1r
，L
2sα
＝L
2sβ
＝L
2s
，M
1sα1rα
＝M
1sβ1rβ
＝M
1s1r
，M
1sα2sα
＝M
1sβ2sβ
＝M
1s2s
，M
2sα1rα
＝M
2sβ1rβ
＝M
2s1r
，L
1s
为转矩绕组定子自感等效值，L
1r
为转子自感等效值，L
2s
为悬浮力绕组定子自感等效值，M
1s1r
为转矩绕组定子与电机转子互感等效值，M
1s2s
为转矩绕组定子与悬浮力绕组定子互感等效值，M
2s1r
为悬浮力绕组定子与电机转子互感等效值，解得转子电流在α、β轴上的分量：S2.1.3、将转子电流在α、β轴上的分量i
1rα
、i
1rβ
代入S2.1.2的磁链方程求解转矩绕组和悬浮力绕组...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泽斌，丁琪峰，孙晓东，卢承领，贾培杰，贾晶晶，孙超，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：