无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交流电机驱动与控制技术领域，尤其涉及无轴承异步电机定子磁链定 向控制（SF0C)的高性能动态解耦控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 无轴承电机是近年来发展起来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。无轴承异步电机是一个多变量、非线性、 强耦合的复杂控制系统，其中存在复杂的非线性电磁耦合关系，要实现其高性能悬浮运行 控制，必须实现电机转速、磁链和两个转子径向位移分量之间的动态解耦控制；而逆系统方 法是针对多变量、非线性系统进行线性化解耦的有效手段，因而可被应用于无轴承电机的 解奉禹控制。
[0003] 现有技术对无轴承异步电机的逆系统解耦控制虽有一些研究，但都是以转子磁链 定向控制（RF0C)为基础，电机运行过程中，转子磁链的估算精度难免会受到转子参数的影 响。和转子磁链定向控制相比，定子磁链定向控制（SF0C)可免受转子参数的影响。若能在 转矩系统定子磁链定向控制的基础上，对无轴承电机进行整体系统的逆动态解耦，不但能 保证控制系统性能，而且可有效避免转子参数对电机磁链估算精度的影响。目前，基于转矩 系统定子磁链定向的无轴承电机整体逆解耦控制方法，一直未见适用的设计被发展完成， 是当前业界急需改进的目标。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于提供一种无轴承异步电机的定子磁链定向控制逆解耦控 制系统，采用定子磁链定向控制取代传统的转矩系统转子磁链定向控制，解决的技术问题 是有效避免现有技术无轴承异步电机运行过程中转子参数对电机控制性能的影响，把无轴 承电机系统动态解耦为四个(伪）线性子系统，对各线性子系统配置合适的调节器，提高无 轴承异步电机的运行控制性能。
[0005] 本发明具体是采用以下技术方案及技术措施来实现的。
[0006] 本发明提出一种无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，包括无轴承异 步电机定子磁链定向原系统、无轴承异步电机定子磁链定向逆系统以及四个调节器；所述 四个调节器是一个转速调节器、一个磁链调节器及两个位移调节器，所述无轴承异步电机 定子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机定子磁链定向原系统之前，并解耦为四个线性 子系统：一个一阶转速子系统、一个一阶定子磁链子系统及a和0两个径向位移二阶子系 统，该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无轴承 异步电机定子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统；其中， 所述无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型为：
【主权项】
1. 一种无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，其特征在于，所述的定子磁 链定向逆解耦控制系统包括无轴承异步电机定子磁链定向原系统、无轴承异步电机定子磁 链定向逆系统以及四个调节器；所述四个调节器是一个转速调节器、一个磁链调节器及两 个位移调节器，所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机定子磁链 定向原系统之前，并解耦为四个线性子系统：一个一阶转速子系统、一个一阶定子磁链子系 统及α和β两个径向位移二阶子系统，该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无轴承异步电机定子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统；其 中， 所述无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型为：
式中，定义原系统的输入控制量为 ，系统状态变量为1 = =(α,爲夂處,系统输出变量为 >' ==《爲是转子的质量，[w是由电机结构决定的磁悬浮力系 数，Ks是由电机结构和电机磁场强度决定的径向位移刚度系数，是转矩系统在??坐 标系中的转子漏感，定义??坐标系为转矩系统定子磁链定向坐标系，表示转矩绕组电 压的分量，Λ 5为定子电阻，P:为转矩绕组的磁极对数，/为转动惯量，&为负载转矩； 所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：
式中，定义逆系统的输入量为F = = Ov+WgF。
2.根据权利要求1所述无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，其特征在 于，其中所述无轴承异步电机定子磁链定向原系统的构造方法是： (1) 定义α β为静止两相对称坐标系、而为转矩系统定子磁链定向同步旋转两相对称 坐标系； (2) 根据二极悬浮控制四极无轴承异步电机的工作原理，得到基于定子磁链定向的转 矩系统磁链方程是= 十，转矩方程是：7； = , y/sl为定子 磁链幅值，α β坐标系下的定子磁链估计模型是
，其 中，为定子磁链的邊由分量，为定子磁链幅值，f?为定子磁链相位角，分别 为转矩绕组电流的么4!|分量，^:^、4^〗|:1分别为定子磁链的〇、3轴分量，/^,.、匕卩分别 为定子磁链电流的α、β轴分量，分别为定子磁链电压的α、β轴分量； (3) 根据无轴承异步电机的工作原理，得到二极磁悬浮系统的可控径向电磁力模型：
分别为静止α、β坐标轴向的可控径向悬浮力分量， 4^、4^分别为悬浮控制电流的分量，Ad、Aq分别为四极转矩系统气隙磁链的A 由分量，表达式戈
(4) 根据机械动力学原理，构造无轴承异步电机的转子旋转运动方程、径向磁悬浮运动
方程 式中，ff分别为转子发生径向偏心时在电机内部产生的 Ja Ιβ α、β向单边电磁拉力，（?α, -Λ/?, Jfs是由电机结构和电机磁场强度决定的径 向位移刚度系数，《为转子旋转角频率； (5) 定义原系统的输入控制量为w.= ty = ^ 统状态变量为λ'=-A4武,系统输出变量为 Jf = Ov Λ. Ui f = (?.. A圾lTrl f ,结合步骤⑵至（4 )的公式可得出无轴承异步电机定 子磁链定向原系统的数学模型：
3.根据权利要求1所述无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，其特征在 于，所述无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的构造方法是： 采用Interactor算法，判定无轴承异步电机定子磁链定向原系统具有可逆性，定义逆 系统的输入量为I' = 夕4 = OW2,吟,V., ,根据隐函数定理，得出无轴承异 步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：
【专利摘要】本发明提出一种无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统,包括定子磁链定向原系统、定子磁链定向逆系统以及四个调节器；所述四个调节器是转速调节器、磁链调节器及两个位移调节器，将所述定子磁链定向逆系统串接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。本发明在转矩系统定子磁链定向控制的基础上，对无轴承异步电机系统进行整体逆系统解耦控制，有效避免转子参数对电机控制性能的影响，提高了电机运行控制性能。
【IPC分类】H02P21-14, H02P25-02
【公开号】CN104660141
【申请号】CN201510104159
【发明人】卜文绍, 肖隽亚, 王晓红, 何方舟, 程相辉, 李自愿, 张海涛, 乔岩茹, 李晓强, 牛新闻, 吴贵芳, 徐兴元
【申请人】河南科技大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年3月11日