一种单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法。对于单绕组磁悬浮电机，利用电流量建立的系统空间状态方程存在着变量耦合，一方面这会导致系统非线性问题，另一方面变量之间耦合会导致转矩电流量以及悬浮电流量提取困难，给控制器设计带来困难。为了解决这种由于耦合关系造成的控制系统设计困难问题，首先通过控制变量的重构，将原磁悬浮开关磁阻电机复杂的非线性耦合系统分解成相互独立的转矩以及二自由度悬浮的线性系统。对于分解后的线性子系统，分别设计基于滑模算法的转速与悬浮位移滑模控制器，以提升控制系统的鲁棒性和动、静态性能。静态性能。静态性能。

【技术实现步骤摘要】
一种单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法


[0001]本专利技术属于高性能电气传动领域，尤其涉及单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法的


技术介绍

[0002]大部分普通电机采用机械轴承，由于存在机械磨损，增加了转子的摩擦阻力，使运动部件受损，产生了机械振动与噪声，严重的会造成气息不均匀，绕组发热，温升增大，降低电机的效率，缩短电机寿命。磁悬浮电机集成了旋转与悬浮功能，利用电磁力将转子悬浮于空间，定、转子无机械接触，解决了上述问题。
[0003]然而由于磁悬浮电机转矩系统与悬浮系统存在着强耦合关系，电机运行时受到实时的耦合扰动影响，且当收到较强的外部扰动时，传统的PID控制已经无法满足电机高性能控制需求。对此，国内外科研人员进行了深入研究，一些先进的控制理论被应用于磁悬浮开关磁阻电机系统，如模糊PID控制、滑模控制、自适应控制、极限学习机逆解耦控制、支持向量机逆解耦控制、神经网络逆解耦控制等。滑模控制在解决复杂扰动下的控制系统鲁棒性问题具有独特的优势，对系统参数变化不敏感，且对外部有界扰动有也有良好的抑制作用。然而，滑模控制器的设计需要对其控制量进行提取，并结合相对应的滑模算法才能设计出滑模控制器。因此针对单绕组磁悬浮电机，需要结合其他的线性化处理方法对系统进行滑模控制系统设计。

技术实现思路

[0004]为了解决单绕组磁悬浮电机转矩系统与悬浮系统强耦合及单绕组结构双重约束下的控制系统设计困难问题并提升系统鲁棒性，建立基于单绕组磁悬浮电机转矩系统与悬浮系统强耦合和单绕组结构双重约束下的滑模控制系统设计方法，适用于单绕组磁悬浮电机复杂多源扰动下的鲁棒控制，为其稳定运行提供了条件。
[0005]本专利技术的技术方案为：一种单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法，包括如下步骤：对构成单绕组磁悬浮电机滑模系统的单绕组磁悬浮电机转矩系统与悬浮力独立控系统进行反馈线性化分解，得到分解后的一阶的转矩子系统以及二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统；结合分解后的一阶的转矩子系统以及二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统，建立滑模控制器；确定单绕组结构约束下转矩与悬浮力同时进行跟踪给定的并行导通逻辑。
[0006]本专利技术涉及单绕组磁悬浮电机滑模系统的反馈线性化分解，包括了空间状态方程的建立和控制变量的重构；反馈线性化通过将控制变量重构为
，将滑模系统分解为相互独立的一阶的转矩子系统以及二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统，并以新的控制变量作为滑模控制器的变量。
[0007]本专利技术空间状态方程建立和控制变量重构的具体过程如下：（1）其中为选取的状态变量，分别对应单绕组电机的转矩和二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统；为的导数；为以电机电流量选取的控制变量，分别对应转矩子系统与二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统上的控制量；为选取的输出变量；为单绕组磁悬浮电机滑模系统方程的系数矩阵；为单绕组磁悬浮电机滑模系统所受的外界扰动；控制变量重构形式如下：对控制变量进行重构，令，则新的状态空间方程改写为：（2）其中, 为以转矩与悬浮力选取的新的控制变量，分别对应转矩子系统二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统上新的控制量；新的单绕组磁悬浮电机滑模系
统方程系数矩阵，为电机转子转动惯量、为电机转子质量；为新的输出变量；，为新的单绕组磁悬浮电机滑模系统方程的系数矩阵；为新的单绕组磁悬浮电机滑模系统所受的外界扰动；由(2)可知，经变量重构之后的磁悬浮开关磁阻电机系统能够解耦为一个切向旋转的转矩子系统以及径向二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统；切向旋转的转矩子系统的表达式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）径向二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统的表达式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中为电机转子转动惯量；为电机转子质量；为电磁转矩，为负载转矩；分别为方向上的电磁力；分别为方向上的扰动力，t为时间, 为转矩的时间微分。
[0008]本专利技术对于分解后的一阶的转矩子系统以及二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统，分别建立滑模控制器，构造转速环与位移环滑模面，结合电机机械运动方程和滑模算法，建立出滑模控制器输出参考转矩与参考悬浮力。
[0009]本专利技术针对反馈线性化分解后的一阶的转矩子系统建立滑模转速控制器；针对反馈线性化分解后的二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统建立滑模位移控制器，具体的构造
过程如下：线性化分解后的一阶的转矩子系统以及二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统，数学模型为：（6）其中，为电机转子转动惯量；为电机转子质量；为电磁转矩，为负载转矩；分别为方向上的电磁力；分别为方向上的扰动力；步骤 1）选取滑模面为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）其中，为转速控制器的滑模面，为转速误差；为方向上位移控制器的滑模面，为方向上位移误差，为的一阶导数；为方向上位移控制器的滑模面，为方向上位移误差，为的一阶导数；为选取的常系数；步骤 2）根据式（3），可以将单绕组磁悬浮电机的转速环简化为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）其中，取，，，；选取滑模算法为：
（9）其中，为设计的控制器变量，为选取的滑模面函数；为关于滑模面的符号函数；为滑模增益参数，为取0
‑
0.5之间的常系数，其一般取值为1/2；结合简化转速环节与滑模算法，得到滑模转速控制器为：（10）步骤 3）根据式（4）和（5），将单绕组磁悬浮电机的位移环简化为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）此时，取，，表示转子方向上扰动力与干扰项的总和；，，表示转子方向上扰动力与干扰项的总和；选取滑模算法为：（12）其中，为关于滑模面的符号函数，为滑模增益参数，为取0
‑
0.5之间的常系数，其一般取值为1/2；结合简化位移环节与滑模算法，得到滑模位移控制器输出为：（13）
（14）。
[0010]本专利技术确定并行导通逻辑的具体实施步骤为：基于直接控制的原理，对滑模控制器的输出转矩给定以及输出悬浮力给定分别建立滞环比较器，并针对单绕组结构制约下的电机转矩子系统与悬浮力系统导通逻辑相互制约，确定一种并行导通策略，同时满足转矩与悬浮力的实时跟踪要求。
[0011]本专利技术的优点在于：1、对控制变量进行重构并通过非线性反馈的方法，将复杂的非线性耦合系统问题转化成简单的伪线性系统的控制问题，进一步合理设计闭环控制器，可获得精准度较高的解耦控制性能以及抗负载扰动的运动性能。
[0012]2、用极限学习机实现单绕组磁悬浮电机转矩与悬浮力的实时反馈，摆脱了传统磁悬浮电机控制方法对于转矩与悬浮力模型的依赖性，有效减小了参数变化与负载扰动对电机的影响。极限学习机算法无需迭代，学习时间明显优于BP神经网络算法和支持向量机，并可离线建模，在线更新模型，提高了工程效率，且精度较高。因此本专利技术优于已经提出的传统神经网络逆解耦、支持向量机逆解耦方法。
[0013]3、基于直接控制原理所设计的逆变器并行开关导通逻辑，突破了单绕组结构下的电机转矩系统与悬本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法，其特征在于包括如下步骤：对构成单绕组磁悬浮电机滑模系统的单绕组磁悬浮电机转矩系统与悬浮力独立控系统进行反馈线性化分解，得到分解后的一阶的转矩子系统以及二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统；结合分解后的一阶的转矩子系统以及二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统，建立滑模控制器；确定单绕组结构约束下转矩与悬浮力同时进行跟踪给定的并行导通逻辑。2.根据权利要求1所述的单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法，其特征在于上述单绕组磁悬浮电机滑模系统反馈线性化分解，包括了空间状态方程的建立和控制变量的重构；反馈线性化通过将控制变量重构为，将滑模系统分解为相互独立的一阶的转矩子系统以及二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统，并以新的控制变量作为滑模控制器的变量。3.根据权利要求2所述的单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法，其特征在于上述空间状态方程建立和控制变量重构的具体过程如下：（1）其中为选取的状态变量，分别对应单绕组电机的转矩和二自由度位移；为的导数；为以电机电流量选取的控制变量，分别对应转矩子系统与二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统上的控制量；为选取的输出变量；为单绕组磁悬浮电机滑模系统方程的系数矩阵；为单绕组磁悬浮电机滑模系统所受的外界扰动；控制变量重构形式如下：对控制变量进行重构，令，则新的状态空间方程改写为：（2）
其中, 为以转矩与悬浮力选取的新的控制变量，分别对应转矩子系统与二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统上新的控制量；新的单绕组磁悬浮电机滑模系统方程系数矩阵，为电机转子转动惯量、为电机转子质量；为新的输出变量；，为新的单绕组磁悬浮电机滑模系统方程的系数矩阵；为新的单绕组磁悬浮电机滑模系统所受的外界扰动；由(2)可知，经变量重构之后的磁悬浮开关磁阻电机系统能够解耦为一个切向旋转的转矩子系统以及径向二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统；切向旋转的转矩子系统的表达式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）径向二自由度悬浮的二阶悬浮线性子系统的表达式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中为电机转子转动惯量；为电机转子质量；为电磁转矩，为负载转矩；分别为方向上的电磁力；分别为方向上的扰动力，t为时间, 为转矩的时间微分。4.根据权利要求3所述的单绕组磁悬浮电机滑模系统控制方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉坤，孟凡斌，袁野，陈上吉，南钰，王新迪，谢凯，王子羲，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司国网河南省电力公司开封供电公司江苏大学，
类型：发明
国别省市：