专利名称：无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器及其构造方法
技术领域：
本发明涉及一种无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器及该解耦控制器的构 造方法，适用于无轴承同步磁阻电机的高性能控制。无轴承同步磁阻电机在机床电主轴、涡 轮分子泵、离心机、压缩机、机电贮能、航空航天等特殊电气传动领域具有广泛的应用前景， 属于电力传动控制设备的技术领域。
背景技术：
无轴承同步磁阻电机满足了现代工业对高转速、无润滑、无摩擦、免维修的高性能 驱动电机的要求，它是一种既具有磁轴承优良性能，又兼备同步磁阻电机特点的新型电机。 同传统无轴承电机相比，无轴承同步磁阻电机具有诸多优势转子上省略了永磁体，也无励 磁绕组，结构简单，运行可靠，成本低，还因其可以实现很高的凸极比，从而同时具有高转矩 密度、快速动态响应、低转矩脉动、低损耗、高功率因数等优点，更加适合高速及高精度应用 领域。无轴承同步磁阻电机是一个非线性、强耦合的多输入多输出系统。无轴承同步磁 阻电机在带动负载实现悬浮运行时，因转矩电流分量的存在，致使电磁转矩和径向悬浮力 之间以及径向悬浮力自身在两垂直方向上存在耦合，电磁转矩的波动将导致整个控制系统 的失稳。因此，若要实现电机转子稳定悬浮和运行，必须实现电磁转矩和径向悬浮力之间以 及水平、垂直悬浮力之间的动态解耦控制。无轴承同步磁阻电机控制的特殊性决定其无法像无轴承异步电机和无轴承永磁 同步电机那样，基于磁场定向控制进行相关公式变换即可实现上述变量间的完全解耦。采 用现代控制理论中串接前馈补偿器的方法可以实现控制系统的解耦，但其解耦补偿器中的 参数易受磁饱和影响。而通过简化近似处理，在线查表和实时参数检测等方法可以减小磁 饱及减小径向悬浮力和转矩之间耦合，然而以上这些解耦方法只能实现电磁转矩和径向悬 浮力之间的静态解耦，并没有实现完全意义上的动态解耦。为了从本质上解决无轴承同步 磁阻电机多变量解耦控制的难题，同时又要保证无轴承同步磁阻电机的各项控制性能指 标，如动态响应速度和稳态跟踪精度，需采用新的控制技术和新的控制方法。国内现有的相关专利专利申请号200610085347. 6，名称为无轴承同步磁阻电 机前馈补偿控制器的构造方法，此发明通过构建解耦补偿器，对无轴承同步磁阻电机进行 解耦控制。本发明采用逆系统方法构建复合控制对象的逆模型来将控制对象解耦成伪线性 系统，在次基础上采用线性系统理论设计控制器，实现对无轴承同步磁阻电机的解耦控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种既可实现电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力 自身在两垂直方向上的解耦控制，又可获得良好的各项控制性能指标，如转子径向位置动、 静态调节特性及转矩、速度调节性能的无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器及其构造 方法。使得无轴承同步磁阻电机在高速或超高速数控机床、密封泵、半导体工业、航空航天、
4化工工业、生命科学及生物工程等众多特殊电气传动领域，特别是无接触、无需润滑及无磨 损等特点，用于真空技术、纯净洁室及无菌车间以及腐蚀性介质或非常纯净介质的传输等 特殊场合电气传动系统中得到广泛应用。实现本发明的发明目的的技术方案是无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制 器，包括线性闭环控制器、α阶逆系统、第一和第二两个扩展的电流滞环PWM逆变器，所述 第一和第二两个扩展的电流滞环PWM逆变器的输出信号输入到无轴承同步磁阻电机，无轴 承同步磁阻电机输出转速量ω和径向位移量x、y，无轴承同步磁阻电机和两个扩展的电流 滞环PWM逆变器组成复合被控对象；所述闭环控制器以给定转速量ω*与输出转速量ω的 差值，以及给定径向位移量X*、/与输出径向位移量x、y的差值为输入信号，输出转速控制 量灼和径向位移控制量例、灼至α阶逆系统，α阶逆系统输出的转矩绕组在q轴上电流
分量参考值 <、径向悬浮力绕组在χ和y轴上电流分量的参考值/和/；,与给定的转矩绕组
在d轴上电流分量参考值ζ—起输入到两个扩展的电流滞环PWM逆变器。所述线性闭环控制器由一个转速控制器和第一、第二两个位置控制器组成，转速 控制器的输入信号为无轴承同步磁阻电机给定转速量ω*和输出转速量ω的差值，输出转 速控制量灼至α阶逆系统，第一位置控制器的输入信号为无轴承同步磁阻电机给定径向 位移量与输出径向位移量χ的差值，输出径向位移控制量例至α阶逆系统，第二位置控 制器的输入信号为无轴承同步磁阻电机给定径向位移量f与输出径向位移量y的差值，输 出径向位移控制量灼至α阶逆系统。所述复合被控对象中，所述无轴承同步磁阻电机由转矩子系统和悬浮力子系统组 成，所述第一、第二扩展的电流滞环PWM逆变器分别由Park逆变换、Clark逆变换和电流滞 环PWM逆变器依次连接组成，第一扩展的电流滞环PWM逆变器和转矩子系统组成第一复合 被控对象，第二扩展的电流滞环PWM逆变器和悬浮力子系统组成第二复合被控对象；所述 α阶逆系统输出转矩绕组在q轴上电流分量参考值(和给定的转矩绕组在d轴上电流分 量参考值 至第一扩展的电流滞环PWM逆变器，α阶逆系统输出径向悬浮力绕组在轴x、y 上电流分量的参考值ζ、ζ至第二扩展的电流滞环PWM逆变器，第一扩展的电流滞环PWM 逆变器(2)以转矩绕组在q轴上电流分量参考值 <和励磁电流分量为/丨为输入量，输出电 流信号至转矩子系统的转矩绕组，第二扩展的电流滞环PWM逆变器输出电流信号至悬浮力 子系统的悬浮绕组。所述α阶逆系统中，复合被控对象的期望输出y = [yiy2y3]T = [xyw] 1勺α阶导数凡yj = [x y ^l = U1 J2 作为α阶逆系统的输入，α阶逆系统
输出量K=[W| u2 3f=[( ( 控制复合被控对象，α阶逆系统与复合被控对象组成伪线 性系统。实现本发明的另一发明目的技术方案是无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器的构造方法，该方法包括下列步骤1.将无轴承同步磁阻电机与两个扩展的电流滞环PWM逆变器作为一个整体组成 复合被控对象，复合被控对象的被控量是电机转速和转子径向位移；2.采用逆系统理论来构造复合被控对象的α阶逆系统；3.将α阶逆系统置于复合被控对象之前，α阶逆系统与复合被控对象组成伪线
性系统，从而实现径向悬浮力与电磁转矩之间的解耦控制以及径向悬浮力在两垂直方向上
5的解耦控制；伪线性系统等效为三个解耦的积分线性子系统，分别为一个速度一阶积分型 的伪线性子系统和两个位置二阶积分型的伪线性子系统；4.采用线性系统的设计方法针对伪线性系统分别设计一个转速控制器和两个转 子位置控制器，并由上述转速控制器和两个转子位置控制器构成线性闭环控制器；5.将线性闭环控制器、α阶逆系统和两个扩展的电流滞环PWM逆变器共同构成非 线性逆解耦控制器来对无轴承同步磁阻电机进行控制，从而实现电机的多变量解耦控制， 以获得良好的控制性能指标。本发明通过构造α阶逆系统实现无轴承同步磁阻电机解耦控制。所述α阶 逆系统的构造方法为首先建立无轴承同步磁阻电机径向悬浮力及转矩数学模型，推导 出复合被控对象的状态方程，根据Interactor算法可以证明系统可逆，其向量相对阶为 α = (B1, a2, a3)T= (2，2，1)τ，然后将复合被控对象的期望输出y = [yiy2y3]T = [xyw] T(式中，ω是无轴承同步磁阻电机输出转速量，x、y分别是径向位移量)的α阶导数 J= [j>, j>2 j3f = [x y论 作为α阶逆系统的输入，则α阶逆系统的输出正是用来控制
复合被控对象产生期望输出的控制量 3 3]Τ=['； /； (]Τ(式中，<是转矩绕组在q 轴上电流分量参考值，〈、ζ分别是径向悬浮力绕组在X、y轴上电流分量的参考值)，最后 计算得到α阶逆系统的解析表达式"=树々力。本发明是一种无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器的构造方法，针对无轴承 同步磁阻电机这一非线性、强耦合的多输入多输出系统，采用α阶逆系统方法，将各个被 控量转换成相互独立的线性积分子系统，进而使控制系统设计得以简化并容易达到系统所 要求的性能指标。不仅实现了无轴承同步磁阻电机转子的稳定悬浮，而且使得电磁转矩和 径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在两垂直方向上的位移三者之间可以实现独立控制， 并有效的提高了整个系统的控制性能。采用非线性逆解耦控制器的构造方法得到的控制系 统结构简单，易于工程实现。本发明的优点在于1.无轴承同步磁阻电机与磁轴承支承的同步磁阻电机相比具有更加合理，更加实 用的结构。①无轴承同步磁阻电机机械结构紧凑，转子轴向长度减小，电机转速、功率可以 进一步得到提高，并可以实现高速超高速运行；②径向悬浮力控制系统中功率放大电路采 用三相功率逆变电路，使得无轴承同步磁阻电机的控制方法简单，结构紧凑，功耗低，成本 下降，摆脱了传统磁轴承支承的同步磁阻电机结构复杂，临界转速低，控制系统复杂，功率 放大器造价高，体积大等缺陷。2.采用逆系统理论构造出无轴承同步磁阻电机复合被控对象的α阶逆系统，将 无轴承同步磁阻电机这一非线性、强耦合的多输入多输出系统线性化和解耦成为三个相互 独立的单输入单输出线性积分子系统。从而复杂的非线性耦合控制问题就变为简单的线性 控制问题。针对两个转子位置二阶积分线性子系统和一个速度一阶积分线性子系统，可进 一步采用PID、极点配置、线性最优二次型调节器或鲁棒伺服调节器等方法分别设计一个速 控制器和两个转子位置控制器，组成线性闭环控制器，使无轴承同步磁阻电机转子实现稳 定悬浮，并且系统获得高性能的转速、位置控制以及抗负载扰动的运行性能。3.采用非线性逆解耦控制器实现了无轴承同步磁阻电机的多变量之间的独立控制，有效克服了无轴承同步磁阻电机基于磁场定向仅仅进行公式变换无法实现解耦控制这 一难题，同时克服了采用前馈补偿控制器，近似处理，在线查表和实时参数检测等解耦方法 只能实现系统静态解耦，不能实现系统动态解耦的缺陷，采用非线性逆解耦控制器的无轴 承同步磁阻电机控制系统结构形象直观，实现方便，系统具有良好的动静态性能。本发明可用于构造无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器，对无轴承同步磁阻 电机负载悬浮运行进行有效解耦控制，可获得良好的控制性能，具有很高的应用价值。并且 为其它无轴承电机控制系统，以及适合磁轴承支承的各种类型的电机控制的非线性系统线 性化和解耦控制提供了一条有效途径。
图1是扩展的电流滞环PWM逆变器结构示意图。图2是由无轴承同步磁阻电机与扩展的电流滞环PWM逆变器组成的复合被控对象 结构示意图。图3是由α阶逆系统与复合被控对象组成的伪线性系统的示意图及其等效图。图4基于α阶逆系统理论的无轴承同步磁阻电机解耦控制系统原理框图。图5是基于α阶逆系统理论的无轴承同步磁阻电机解耦控制系统原理框图。图6是以DSP为核心的无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器控制装置组成示 意图。图7是以DSP为控制器的实现本发明的系统软件框图。
具体实施例方式下面结合附图作进一步说明。由Park逆变换、Clark逆变换和电流滞环PWM逆变 器依次连接组成，如图1所示，由Park逆变换21、31、Clark逆变换22、32和电流滞环PWM 逆变器23、33依次连接形成第一、第二扩展的电流滞环PWM逆变器2、3，第一和第二扩展的 电流滞环PWM逆变器2、3作为复合被控对象5的一个组成部分。如图2所示，两个扩展的电流滞环PWM逆变器2、3与无轴承同步磁阻电机1构成 一个复合被控对象5，其中无轴承同步磁阻电机绕组由转矩绕组和径向悬浮力绕组组成。如 图3所示，将α阶逆系统4串接在复合被控对象5之前，实现系统的解耦控制。如图4所 示，采用线性系统理论分别设计一个转速控制器71和两个转子位置控制器72、73组成的线 性闭环控制器70。如图5所示，由线性闭环控制器70、α阶逆系统4和两个扩展的电流滞 环PWM逆变器2、3共三个部分组成的非线性逆解耦控制器80，实现对无轴承同步磁阻电机 1的解耦控制。无轴承同步磁阻电机1输出转速量ω和径向位移量X、y，无轴承同步磁阻 电机1和两个扩展的电流滞环PWM逆变器2、3组成复合被控对象5。线性闭环控制器70以 复合被控对象5给定转速量ω*和输出转速量ω的差值，以及复合被控对象5给定径向位 移量χ*、/和输出径向位移量x、y的差值为输入信号，输出转速控制量灼和径向位移控制 量0、&至α阶逆系统4，α阶逆系统4输出的转矩绕组在q轴上电流分量参考值、径 向悬浮力绕组在χ和y轴上电流分量的参考值/和 <，与给定的转矩绕组在d轴上电流分 量参考值ζ—起输入到两个扩展的电流滞环PWM逆变器2、3。根据不同的控制要求，可选 择不同的硬件和软件来实现。
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无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器构造方法具体实施分以下5步1、构造扩展的电流滞环PWM逆变器。首先由Park逆变换21、31和Clark逆变换 22、32组成坐标变换，之后将该坐标变换与电流滞环PWM逆变器共同组成扩展的电流滞环 PWM逆变器，此扩展的电流滞环PWM逆变器以α阶逆系统输出的电机转矩绕组定子电流d 轴分量参考值和恒定励磁电流为其输入，或以α阶逆系统输出的电机悬浮力绕组两个定 子电流分量参考值为其输入(如图1所示)。此扩展的电流滞环PWM逆变器将作为复合被 控对象的一个组成部分。2.形成复合被控对象。将构造好的两个扩展的电流滞环PWM逆变器与无轴承同步 磁阻电机组成复合被控对象，以α阶逆系统输出的电机转矩绕组电流d轴分量参考值和电 机悬浮力绕组两个定子电压分量参考值及恒定励磁电流四个电流信号为其输入，电机转速 和转子两个径向位移为其输出(如图2、图3、图4和图5所示)。3.构造α阶逆系统。首先建立复合被控对象的数学模型从无轴承同步磁阻电 机工作原理出发，建立无轴承同步磁阻电机径向悬浮力及转矩数学模型，经过坐标变换和 线性放大，得到复合被控对象的数学模型，即同步旋转坐标系下5阶微分方程。其向量相对 阶为{2，2，1}。经推导可以证明该5阶微分方程可逆，S卩α阶逆系统存在，将复合被控对象 (5)的期望输出 y = [yiy2y3]T = [xyw]T 的 α 阶导数 j)=[>,丸 jj = \x y ,J = [,·, J2 j 3f 作为α阶逆系统(4)的输入，则α阶逆系统(4)的输出正是用来控制复合被控对象(5) 产生期望输出的控制量u2 3]τ=[( /； (]Τ，从而可以计算得到α阶逆系统的解析表 达式《=识0，夕)。4.构造线性闭环控制器。对转速子系统和位置子系统分别设计一个转速控制器和 两个转子位置控制器，构成线性闭环控制器(如图4左图虚线框内所示)。线性闭环控制 器采用线性系统理论中的比例积分微分控制器PID、极点配置或二次型指标最优等方法来 设计。在本发明给出的实施例中，转速控制器采用PI控制器，两个转子位置控制器均选用 PID控制器，控制器的参数根据实际控制对象需进行调整。5.形成非线性逆解耦控制。将线性闭环控制器、α阶逆系统、两个扩展的电流滞 环PWM逆变器共同形成非线性逆解耦控制(如图5中大虚框所示)。可根据不同的控制要 求采用不同的硬件和软件来实现。图6给出了本发明的一种具体实施例的示意图，其中α阶逆系统、闭环控制器、坐 标变换等由数字信号处理器即DSP控制器通过软件来实现。图7给出了系统实现的软件流程框图，数字控制系统软件主要由主程序模块和中 断服务子程序模块组成。图7中左图为主程序模块，主要完成初始化、显示初值、循环等待 等功能，图7中右图为无轴承同步磁阻电机转速、位置控制中断服务子程序模块，是系统实 现的核心程序模块，主要完成无轴承同步磁阻电机电磁转矩和径向悬浮力的解耦控制。
根据以上所述，便可实现本发明。
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权利要求
无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器，其特征是，该控制器包括线性闭环控制器(70)、α阶逆系统(4)、第一和第二两个扩展的电流滞环PWM逆变器(2、3)，所述第一和第二两个扩展的电流滞环PWM逆变器(2、3)的输出信号输入到无轴承同步磁阻电机(1)，无轴承同步磁阻电机(1)输出转速量ω和径向位移量x、y，无轴承同步磁阻电机(1)和两个扩展的电流滞环PWM逆变器(2、3)组成复合被控对象(5)；所述闭环控制器(70)以无轴承同步磁阻电机(1)给定转速量ω*与输出的转速量ω的差值，以及给定径向位移量x*、y*与输出的径向位移量x、y的差值为输入信号，输出转速控制量 和径向位移控制量 至α阶逆系统(4)，α阶逆系统(4)输出的转矩绕组q轴上电流分量参考值 径向悬浮力绕组x和y轴上电流分量的参考值 和 与给定的转矩绕组d轴上电流分量参考值 一起输入到两个扩展的电流滞环PWM逆变器(2、3)。dest_path_FSB00000336371400011.tif,dest_path_FSB00000336371400012.tif,dest_path_FSB00000336371400013.tif,dest_path_FSB00000336371400014.tif,dest_path_FSB00000336371400015.tif,dest_path_FSB00000336371400016.tif
2.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器，其特征在于，所 述线性闭环控制器(70)由一个转速控制器(71)和两个位置控制器(72、73)组成，转速控 制器(71)的输入信号为无轴承同步磁阻电机(1)给定转速量ω*和输出的转速量ω的差 值，输出转速控制量豹至α阶逆系统(4)，位置控制器(72)的输入信号为无轴承同步磁阻 电机(1)给定径向位移量X*与输出径向位移量Χ的差值，输出径向位移控制量φ至α阶 逆系统(4)，位置控制器(73)的输入信号为无轴承同步磁阻电机(1)给定径向位移量/与 输出径向位移量y的差值，输出径向位移控制量Ψ2至α阶逆系统(4)。
3.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器，其特征在于，所 述复合被控对象(5)中，所述无轴承同步磁阻电机(1)由转矩子系统和悬浮力子系统组成， 所述第一、第二扩展的电流滞环PWM逆变器(2、3)分别由Park逆变换、Clark逆变换和电流 滞环PWM逆变器依次连接组成，第一扩展的电流滞环PWM逆变器(2)和转矩子系统组成第 一复合被控对象，第二扩展的电流滞环PWM逆变器(3)和悬浮力子系统组成第二复合被控 对象；所述α阶逆系统(4)输出转矩绕组在q轴上电流分量参考值(和给定的转矩绕组d 轴上电流分量参考值ζ至第一扩展的电流滞环PWM逆变器(2)，α阶逆系统(4)输出径向 悬浮力绕组在x、y轴上电流分量的参考值<、 至第二扩展的电流滞环PWM逆变器(3)，第 一扩展的电流滞环PWM逆变器(2)以转矩绕组在q轴上电流分量参考值 <和励磁电流分量 ζ为输入量，输出电流信号至转矩子系统的转矩绕组，第二扩展的电流滞环PWM逆变器输出 电流信号至悬浮力子系统的悬浮力绕组。
4.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器，其特征在于， 所述α阶逆系统⑷中，复合被控对象(5)的期望输出y = [yiy2y3]T = [xyw]T的α阶 导数斧臥)>2 ^J = P ^ ^ = J 2 ^HtS α阶逆系统的输入，α阶逆系统输出量 =[ , 2 "3]T=[( C 控制复合被控对象(5)，α阶逆系统(4)与复合被控对象(5)串联 组成伪线性系统(6)。
5.一种无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器的构造方法，其特征在于，该方法包 括下列步骤步骤1将无轴承同步磁阻电机(1)与两个扩展的电流滞环PWM逆变器(2、3)作为一个 整体组成复合被控对象(5)，复合被控对象(5)的被控量是电机转速和转子径向位移；步骤2采用逆系统理论来构造复合被控对象(5)的α阶逆系统(4)； 步骤3将α阶逆系统(4)置于复合被控对象(5)之前，α阶逆系统(4)与复合被控 对象(5)组成伪线性系统(6)；伪线性系统(6)等效为三个解耦的积分线性子系统，分别为 一个速度一阶积分型的伪线性子系统和两个位置二阶积分型的伪线性子系统；步骤4采用线性系统的设计方法对三个解耦的积分线性子系统分别设计一个转速控 制器(71)和两个位置控制器(72、73)，并由上述一个转速控制器(71)和两个位置控制器 (72,73)来构成线性闭环控制器(70)；步骤5将线性闭环控制器(70)、α阶逆系统(4)以及扩展的电流滞环PWM逆变器(2、 3)共同构成非线性逆解耦控制器(80)来对无轴承同步磁阻电机进行控制。
6.根据权利1所述的无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器的构造方法，其特征在 于，所述无轴承同步磁阻电机(1)的绕组由转矩绕组和径向悬浮力绕组组成；第一、第二两 个扩展的电流滞环PWM逆变器(2、3)分别由Park逆变换、Clark逆变换和电流滞环PWM逆 变器依次连接组成，第一扩展的电流滞环PWM逆变器(2)的输出电流ial、ibl和‘驱动转矩 绕组，第二扩展的电流滞环PWM逆变器(3)的输出电流ia2、ib2和1。2驱动径向悬浮力绕组。
7.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器的构造方法， 其特征在于，所述α阶逆系统(4)的构造方法为首先建立无轴承同步磁阻电机数 学模型，推导出复合被控对象(5)的状态方程，其向量相对阶为α = (ai; a2, a3)T = (2，2，1)T，然后将复合被控对象(5)的期望输出y= [yiy2y3]T = [xyw]T的α阶导数 y=D>, i>2 yj = ^ y 4 = 1;·, J2 作为α阶逆系统(4)的输入，则α阶逆系统(4)的输出正是用来控制复合被控对象(5)产生期望输出的控制量《=h ^sf=K ( (]T，最后计算得到α阶逆系统的解析表达式为《=树々夕)。
全文摘要
本发明是一种无轴承同步磁阻电机的非线性逆解耦控制器及其构造方法，适用于无轴承同步磁阻电机的高性能解耦控制。将两个Park逆变换、两个Clark逆变器和两个电流滞环PWM逆变器共同组成两个扩展的电流滞环PWM逆变器；再将两个扩展的电流滞环PWM逆变器、被控的无轴承同步磁阻电机作为一个整体组成复合被控对象；将α阶逆系统串接在复合被控子对象之前，复合成由一个速度子系统和两个位置子系统组成的伪线性系统；再依据线性系统的设计方法对伪线性系统设计线性闭环控制器，最后将线性闭环控制器、α阶逆系统、扩展的电流滞环PWM逆变器一起形成非线性逆解耦控制器，对无轴承同步磁阻电机进行非线性动态解耦控制。
文档编号H02P21/14GK101958685SQ20101011761
公开日2011年1月26日 申请日期2010年3月4日 优先权日2010年3月4日
发明者刁小燕, 张婷婷, 朱熀秋, 杨泽斌, 诸德宏 申请人:江苏大学