基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法技术方案

本发明专利技术公开电气传动控制领域中的一种基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，采用转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数构建径向力方程，建立改进动态数学模型并解耦，获得到电流控制方程式和磁链观测方程式，将转子磁场定向控制模块、常规旋转部分以及电机依次串联，将径向力控制模块、初相角控制模块、常规悬浮部分以及电机依次串联；采用初相角控制模块增加给定悬浮电流初相角的调控自由度，由x和y二维坐标系扩展为x、y和给定电流初相角的三维坐标系，丰富对径向力的控制方式，通过引入转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数作为桥梁，有效地链接转矩和径向力模型，改进的动态数学模型更加精确。改进的动态数学模型更加精确。改进的动态数学模型更加精确。

【技术实现步骤摘要】
基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法


[0001]本专利技术属于电气传动控制
，特别涉及固定极无轴承异步电机的矢量控制系统的构造方法。

技术介绍

[0002]无轴承异步电机是一种将磁悬浮轴承与异步电机相结合的新型电机，它既具有磁悬浮轴承无摩擦磨损、耐腐蚀、无需润滑、可实现高速超高速运行的优势，又具有异步电机结构简单、运行可靠、价格便宜、维护方便的优点。因此，无轴承异步电机能满足洁净、腐蚀环境、高速超高速等特殊环境的无轴承支撑运行。固定极无轴承异步电机则是无轴承异步电机的改进电机，它将原有的端部全短路的鼠笼转子修改为端部固定极短路的固定极转子。该固定极无轴承异步电机可以屏蔽感应悬浮绕组的悬浮磁场，只感应转矩绕组的感应磁场，从而输出更加优良的转矩和径向力，代表了无轴承异步电机未来发展的方向。
[0003]矢量控制系统是一种基于动态数学模型而构造的系统，因其可以精确地、快速地对电机性能进行控制，从而广泛地应用在电机控制领域。目前常用的动态数学模型是通过转矩绕组和悬浮绕组的耦合获得径向力的数学模型，通过转矩绕组和转子绕组的耦合获得转矩的数学模型，由此构造的控制系统虽然可以控制电机输出转矩和径向力，但是动态数学模型在无意间被割裂为转矩和径向力模型，造成了基于此动态数学模型构造的矢量控制系统的割裂，所以电机会出现转子振动、转子偏心、径向位移无法控制等现象。
[0004]目前，在电机矢量控制系统中，通过诸如模糊控制算法、神经网络算法、ADRC算法等先进算法来进行参数调节，以获取更加优异的控制性能。然而这些调节是有限的。因为矢量控制系统是一种基于动态数学模型而构造的系统，动态数学模型建立的不精确会直接影响矢量控制系统，又由于固定极无轴承异步电机特殊的本体拓扑结构，因此，需要更加精确的动态数学模型。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有固定极无轴承异步电机的矢量控制系统存在的上述问题，提出一种基于改进模型固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，先对现有的动态数学模型作改进，再基于改进的动态数学模型来构造固定极无轴承异步电机的矢量控制系统，获取更加优异控制性能的矢量控制系统。
[0006]本专利技术基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法采用的技术方案是按以下步骤：
[0007]步骤1)：采用转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数C
SMd
构建径向力方程，关联转矩和径向力，从而建立改进动态数学模型，并对改进动态数学模型进行解耦，获得到电流控制方程式和磁链观测方程式；
[0008]步骤2)：将传感器模块输入端连接固定极无轴承异步电机输出端，磁链计算模块以所述的传感器模块输出的转矩绕组三相电流i
Ma
、i
Mb
、i
Mc
、转速ω
r
作为输入，以转子观测
磁链和转矩磁场转角θ
M
作为输出；
[0009]步骤3)：磁链计算模块的输出端分别连接转子磁场定向控制模块、径向力控制模块和初相角控制模块，将转速ω
r
与给定转速作差的差值输入第一个PID调节器后获得给定转矩将径向位移x和y与给定径向位移x
*
和y
*
分别对应地作差的差值再对应地输入第二个和第三个PID调节器获得给定径向力和基于所述的电流控制方程式和磁链观测方程式，转子磁场定向控制模块以给定转子参考磁链转子观测磁链和给定转矩作为输入，以给定转矩绕组d
‑
q轴电流和作为输出，径向力控制模块(2)以给定径向力和转子观测磁链和转速ω
r
作为输入，以初相角相位差η
*
和悬浮绕组d轴电流作为输出，初相角控制模块以给定初相角相位差η
*
、给定转矩电流初相角μ和转矩磁场转角θ
M
作为输入，以给定悬浮电流初相角λ
*
和悬浮磁场转角θ
S
作为输出；
[0010]步骤4)：将转子磁场定向控制模块、常规旋转部分以及固定极无轴承异步电机依次串联，将径向力控制模块、初相角控制模块、常规悬浮部分以及固定极无轴承异步电机依次串联，共同构成固定极无轴承异步电机控制系统。
[0011]本专利技术采用上述技术方案后的有益效果：
[0012]1、本专利技术通过引入转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数作为桥梁，来连接被割裂为转矩和径向力模型，成功的关联了原本被无意间割裂的转矩和径向力模型。互感系数是依据转矩绕组与悬浮绕组之间的互感会随径向位移变化呈现正比例函数变化的现象而提出的一种参数，因为该参数是从电气学角度获得系数，所以可以有效地链接转矩和径向力模型，构建的改进的动态数学模型更加精确。
[0013]2、在构造固定极无轴承异步电机矢量控制系统中，本专利技术采用初相角控制模块增加给定悬浮电流初相角的调控自由度，拓宽了径向力坐标的调节自由度，由x和y二维坐标系扩展为x、y和给定电流初相角的三维坐标系，丰富了对径向力的控制方式，最终实现固定极无轴承异步电机实现良好的悬浮控制。
附图说明
[0014]图1由电流传感器101、光电编码器102和径向位移检测器103构成的传感器模块10的结构框图；
[0015]图2由Park变换模块111、转子磁链计算模块112和θ
M
计算模块113构成的磁链计算模块11的结构框图；
[0016]图3是由力电流变换模块21和坐标变换模块22构成的径向力控制模块2的结构框图；
[0017]图4是构成基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统的结构框图。
[0018]图中：1.转子磁场定向控制模块；2.径向力控制模块；3.初相角控制模块；4.第一Park逆变换模块；5.第二Park逆变换模块；6.电流滞环调节模块；7.正弦脉宽调制调制模块；8.第一逆变器模块；9.第二逆变器模块；10.传感器模块；11.磁链计算模块；12.固定极无轴承异步电机；21.力电流变换模块；22.坐标变换模块；101.电流传感器；102.光电编码器；103.径向位移检测器；111.Park变换模块；112.转子磁链计算模块；113.θ
M
计算模块。
具体实施方式
[0019]本专利技术先建立固定极无轴承异步电机的改进动态数学模型，再对改进动态数学模型进行解耦，获得电流控制方程式和磁链观测方程式，最后构造固定极无轴承异步电机的矢量控制系统。具体实施步骤如下：
[0020]步骤1：建立固定极无轴承异步电机的改进动态数学模型。
[0021]设定d
‑
q坐标系为转子磁链定向同步旋转坐标系，现有的动态数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程和径向力方程，分别如下：
[0022][0023][0024]T
e
＝p
M
M
MRd
(i
Rd
i
Mq
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征是按以下步骤：步骤1)：采用转矩绕组与悬浮绕组之间的互感系数C
SMd
构建径向力方程，关联转矩和径向力，从而建立改进动态数学模型，并对改进动态数学模型进行解耦，获得到电流控制方程式和磁链观测方程式；步骤2)：将传感器模块(10)输入端连接固定极无轴承异步电机输出端，磁链计算模块(11)以所述的传感器模块(10)输出的转矩绕组三相电流i
Ma
、i
Mb
、i
Mc
、转速ω
r
作为输入，以转子观测磁链和转矩磁场转角θ
M
作为输出；步骤3)：磁链计算模块(11)的输出端分别连接转子磁场定向控制模块(1)、径向力控制模块(2)和初相角控制模块(3)，将转速ω
r
与给定转速作差的差值输入第一个PID调节器后获得给定转矩将径向位移x和y与给定径向位移x
*
和y
*
分别对应地作差的差值再对应地输入第二个和第三个PID调节器获得给定径向力和基于所述的电流控制方程式和磁链观测方程式，转子磁场定向控制模块(1)以给定转子参考磁链转子观测磁链和给定转矩作为输入，以给定转矩绕组d
‑
q轴电流和作为输出，径向力控制模块(2)以给定径向力和转子观测磁链和转速ω
r
作为输入，以初相角相位差η
*
和悬浮绕组d轴电流作为输出，初相角控制模块(3)以给定初相角相位差η
*
、给定转矩电流初相角μ和转矩磁场转角θ
M
作为输入，以给定悬浮电流初相角λ
*
和悬浮磁场转角θ
S
作为输出；步骤4)：将转子磁场定向控制模块(1)、常规旋转部分以及固定极无轴承异步电机依次串联，将径向力控制模块(2)、初相角控制模块(3)、常规悬浮部分以及固定极无轴承异步电机依次串联，共同构成固定极无轴承异步电机控制系统。2.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤1)中，所述的改进动态数学模型为，征：步骤1)中，所述的改进动态数学模型为，
T
e
为电机转矩；p
M
为转矩绕组极对数；M
MRd
为转矩绕组与转子绕组之间的互感；i
Md
和i
Mq
为转矩绕组d轴和q轴电流；i
Rd
和i
Rq
为转子绕组d轴和q轴电流；C
SMd
为互感系数；i
Sd
和i
Sq
为悬浮绕组d轴和q轴电流；F
x
和F
y
为x方向与y方向的径向力；u
Md
和u
Mq
为转矩绕组d轴和q轴电压；u
Sd
和u
Sq
为悬浮绕组d轴和q轴电压；R
S
为悬浮绕组电阻；p为微分算子；ψ
Md
和ψ
Mq
为转矩绕组d轴和q轴磁链；ψ
Rd
和ψ
Rq
为转子绕组d轴和q轴磁链；R
M
和R
R
分别为转矩绕组和转子绕组的电阻；ω
s
为同步旋转坐标系的同步角速度；ω
s1
为转差角速度；L
Md
和L
Rd
分别为转矩绕组和转子绕组的自感；ψ
Sd
和ψ
Sq
为悬浮绕组d轴和q轴磁链；和为x方向与y方向的径向速度；L
Sd
为悬浮绕组的自感。3.根据权利要求2所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：所述的互感系数μ0为真空磁导率；l为电机轴向长度；r为转子半径；F
M
为转矩绕组磁动势；F
S
为悬浮绕组磁动势；g0为气隙平均长度。4.根据权利要求1所述的基于改进模型的固定极无轴承异步电机控制系统构造方法，其特征：步骤2)中，所述的传感器模块(10)由电流传感器器(101)、光电编码器(102)和径向位移检测器(103)构成，电流传感器(101)检测并输出转矩绕组三相电流i
M...

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