一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法，首先建立了双悬浮力无轴承异步电机的数学模型，包括电机的磁链方程、电压方程、主控悬浮力方程以及辅助悬浮力方程；接着推导了双悬浮力无轴承异步电机的等效转子电阻并优化了主控悬浮力方程；最后采用基于气隙磁场定向的矢量控制方法实现双悬浮力无轴承异步电机的主控悬浮力、辅助悬浮力以及转矩的独立控制。矩的独立控制。矩的独立控制。

【技术实现步骤摘要】
一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法


[0001]本专利技术属于电气传动控制设备的
，尤其是一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法。

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。由于无轴承异步电机气隙小，同时舍弃了传统的机械轴承，任何外部干扰都可能导致电机扫膛，严重时会造成事故。因此，如何减小电机转子抖振，提高悬浮控制精度是无轴承异步电机研究与发展的最基础问题。
[0004]目前，关于无轴承异步电机的悬浮力与转矩独立控制已提出多种解实现方法。中国专利申请号为CN201811125660.7，名称为：无轴承异步电机的独立逆解耦控制系统，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。中国专利申请号为CN201510104159.2，名称为：无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，在定子磁链定向原系统之前，使系统解耦为四个线性子系统：一阶转速子系统、一阶定子磁链子系统及α和β两个径向位移二阶子系统,四个线性子系统分别对应连接所述四个调节器,该四个调节器又分别连接到定子磁链定向逆系统,构成闭环控制系统。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，直接影响上述方法的控制精度。同时，上述方法都是基于单悬浮力无轴承异步电机所研究，将电流分解到d、q轴上，仅通过改变d、q轴电流控制电机悬浮力大小与方向，很容易受到电机外部因素干扰。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术针对一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法，包括如下步骤：
[0008]S1、基于双悬浮力无轴承电机，建立其数学模型，包括磁链方程、电压方程以及悬浮力方程；所述悬浮力方程包括主控悬浮力方程和辅助悬浮力方程；
[0009]S2、对主控悬浮力方程进行优化；
[0010]S3、对双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制；
[0011]S4、基于S2和S3中的双悬浮力无轴承异步电机转子磁链方程、优化后的悬浮力方程和电磁转矩方程进行转子磁场定向的解耦方法为：将给定电磁转矩Te
*
、转子磁链ψ
1r*
、主控悬浮力在x、y轴上的分量F
2x*
、F
2y*
、辅助悬浮力在x、y轴上的分量F
3x*
、F
3y*
作为输入，根据式电机电磁转矩方程计算出i
1sq
、根据转子磁链方程计算出i
1sd
、根据主控悬浮力方程计算出i
2sd
和i
2sq
、根据辅助悬浮力公式计算出i
3sd
和i
3sq
。
[0012]进一步，构建双悬浮力无轴承异步电机在α、β坐标系下的两相磁链方程：
[0013][0014]以转子磁链、转矩绕组电流、主控悬浮力绕组电流以及辅助悬浮力绕组电流作为自变量，反解出双悬浮力无轴承异步电机转子电流在α、β轴上的分量：
[0015][0016]根据i
1rα
、i
1rβ
进一步化简双悬浮力无轴承异步电机的定子磁链方程：
[0017][0018][0019][0020]其中，ψ
1sα
、ψ
2sα
、ψ
3sα
、ψ
1rα
分别为转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组磁链在α轴上的分量；ψ
1sβ
、ψ
2sβ
、ψ
3sβ
、ψ
1rβ
分别为转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组磁链在β轴上的分量；L
1s
、L
2s
、L
3s
、L
1r
分别为转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组的自感；M
1s2s
、M
1s3s
、M
1s1r
、M
2s3s
、M
2s1r
、M
3s1r
为转矩绕组和主控悬浮力绕组、转矩绕组和辅助悬浮力绕组、转矩绕组和转子绕组、主控悬浮力绕组和辅助悬浮力绕组、主控悬浮力绕组和转子绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组之间的互感。i
1sα
、i
2sα
、i
3sα
和i
1rα
分别是转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组电流在α轴上的分
量；i
1sβ
、i
2sβ
、i
3sβ
和i
1rβ
分别是转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组电流在β轴上的分量。
[0021]进一步，构建双悬浮力无轴承异步电机在α、β轴上的转子电压方程：
[0022][0023]其中，u
rα
、u
rβ
为转子电压在α、β轴上的分量；R
1r
是转子电阻；ω
r
是转子角频率；t为时间变量；p为微分算子；i
rα
、i
rβ
分别是转子电流在α、β轴上的分量；
[0024]进一步，构建双悬浮力无轴承异步电机在d、q轴上的转子电压方程：
[0025][0026]其中，u
rd
、u
rq
为转子电压在d、q轴上的分量；ψ
1rd
、ψ
1rq
为转子磁链在d、q轴上的分量；i
1sd
、i
2sd
、i
3sd
为转矩绕组、主控悬浮力绕组以及辅助悬浮力绕组电流在d、q轴上的分量；ω为转矩绕组电角频率。
[0027]进一步，构建双悬浮力无轴承异步电机的悬浮力方程：
[0028]代入p1＝2，p2＝1，p3＝3化简得：
[0029]式中，F
2m
和F
3m
分别为主控悬浮力方程和辅助悬浮力方程；ψ1为转矩绕组气隙磁链；和分别为主控悬浮力定子电流和辅助悬浮力定子电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、基于双悬浮力无轴承电机，建立其数学模型，包括磁链方程、电压方程以及悬浮力方程；所述悬浮力方程包括主控悬浮力方程和辅助悬浮力方程；S2、对主控悬浮力方程进行优化；S3、对双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制；S4、基于S2和S3中的双悬浮力无轴承异步电机转子磁链方程、优化后的悬浮力方程和电磁转矩方程进行转子磁场定向的解耦方法为：将给定电磁转矩Te
*
、转子磁链ψ
1r*
、主控悬浮力在x、y轴上的分量F
2x*
、F
2y*
、辅助悬浮力在x、y轴上的分量F
3x*
、F
3y*
作为输入，根据式电机电磁转矩方程计算出i
1sq
、根据转子磁链方程计算出i
1sd
、根据主控悬浮力方程计算出i
2sd
和i
2sq
、根据辅助悬浮力公式计算出i
3sd
和i
3sq
。2.根据权利要求1所述的一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法，其特征在于，构建双悬浮力无轴承异步电机在α、β坐标系下的两相磁链方程：以转子磁链、转矩绕组电流、主控悬浮力绕组电流以及辅助悬浮力绕组电流作为自变量，反解出双悬浮力无轴承异步电机转子电流在α、β轴上的分量：根据i
1rα
、i
1rβ
进一步化简双悬浮力无轴承异步电机的定子磁链方程：进一步化简双悬浮力无轴承异步电机的定子磁链方程：进一步化简双悬浮力无轴承异步电机的定子磁链方程：其中，ψ
1sα
、ψ
2sα
、ψ
3sα
、ψ
1rα
分别为转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕
组磁链在α轴上的分量；ψ
1sβ
、ψ
2sβ
、ψ
3sβ
、ψ
1rβ
分别为转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组磁链在β轴上的分量；L
1s
、L
2s
、L
3s
、L
1r
分别为转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组的自感；M
1s2s
、M
1s3s
、M
1s1r
、M
2s3s
、M
2s1r
、M
3s1r
为转矩绕组和主控悬浮力绕组、转矩绕组和辅助悬浮力绕组、转矩绕组和转子绕组、主控悬浮力绕组和辅助悬浮力绕组、主控悬浮力绕组和转子绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组之间的互感；i
1sα
、i
2sα
、i
3sα
和i
1rα
分别是转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组电流在α轴上的分量；i
1sβ
、i
2sβ
、i
3sβ
和i
1rβ
分别是转矩绕组、主控悬浮力绕组、辅助悬浮力绕组和转子绕组电流在β轴上的分量。3.根据权利要求2所述的一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法，其特征在于，构建双悬浮力无轴承异步电机在α、β轴上的转子电压方程：其中，u
rα
、u
rβ
为转子电压在α、β轴上的分量；R
1r
是转子电阻；ω
r
是转子角频率；t为时间变量；p为微分算子；i
rα
、i
rβ
分别是转子电流在α、β轴上的分量。4.根据权利要求2所述的一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法，其特征在于，构建双悬浮力无轴承异步电机在d、q轴上的转子电压方程：其中，u
rd
、u
rq
为转子电压在d、q轴上的分量；ψ
1rd
、ψ
1rq
为转子磁链在d、q轴上的分量；i
1sd
、i
2sd
、i
3sd
为转矩绕组、主控悬浮力绕组以及辅助悬浮力绕组电流在d、q轴上的分量；ω为转矩绕组电角频率。5.根据权利要求2所述的一种双悬浮力无轴承异步电机的矢量控制方法，其特征在于，构建双悬浮力无轴承异步电机的悬浮力方程：代入p1＝2，p2＝1，p3＝3化简得：式中，F
2m
和F
3m
分别为主控悬浮力方程和辅助悬浮力方程；ψ1为转矩绕组气隙磁链；和分别为主控悬浮力定子电流和辅助悬浮力定子电流；μ0为真空磁导率；l为电机转子有效铁心长度；r为转子半径；W1和W2分别为转矩绕组和悬浮力绕组每相串联的有效匝数；根据向量的点乘和叉乘原理，将无轴承异步电机主控悬浮力分解到d、q轴上：其中，F
2x
、F
2y
为主控悬浮力在x、y轴上的分量；i
2sd

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