考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及特种交流电机驱动控制技术领域，是一种精确的无轴承异步电机逆系 统解耦方法，尤其适用于构造无轴承异步电机高性能磁悬浮运行控制系统。
【背景技术】
[0002] 无轴承电机是基于磁轴承与交流电机定子结构的相似性，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、强耦合的复杂控制对象，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；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 动态解耦控制。
[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 定向控制为基础，而在电机运行过程中，转子磁链的辨识精度难免会受到转子参数的影响。 尽管通过外部调节器可在一定程度上抑制转子参数的影响，但无法根除。和转子磁链相比， 定子磁链的估计精度只依赖于定子电阻，基本不受转子参数的影响，因而具有更强的鲁棒 性。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，关于无轴承电机定子磁链定向整体逆系统解耦控制系统，无论是否考虑绕组动态特性， 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] 本发明的主要目的是提供一种考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环 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 题是对逆系统动态解耦后的四个线性子系统配置闭环调节器，实现可靠的闭环解耦控制， 提高无轴承异步电机系统的动态控制性能和抗干扰能力。
[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] 本发明提出一种考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，包括 考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统、考虑定子电流动态的无轴承异 步电机定子磁链定向逆系统以及四个调节器；所述四个调节器是两个位移调节器、一个磁 链调节器及一个转速调节器，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以 解耦为四个线性子系统：a和0两个径向位移量的二阶线性子系统、一个定子磁链於sl 的一阶线性子系统、一个转速《的二阶线性子系统，该四个线性子系统对应所述四个调节 器，该四个调节器对应连接到定子磁链定向原系统的输出端和定子磁链定向逆系统的输入 端，构成逆解耦闭环控制系统；其中， 所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型为：
式中，定义原系统的输入量为絲耗課，系统状态变 量为ti\、'y、vu、丨' 从/l人Ak-U/V#，系统输出变量为 =&.遍> :藤愚$ _1_1_§:痛f， 丨^^.、##+#分别为悬浮绕组定子电流的么_分量，％i为转矩系统定子磁链，<y为转子旋 转角频率，齡是由电机结构决定的磁悬浮力系数，m为转子质量，:￡賴、:!;續分别为转矩系统 在dq坐标系中的定、转子漏感，为电机结构决定的径向位移刚度系数，
應|:为转矩绕组定子电阻，Ik为转矩绕组转子电阻，为而坐标系中 的等效两相转矩绕组的自感，为而坐标系中的等效两相转子绕组自电感，为转矩 绕组的磁极对数，/为转动惯量，J}为负载转矩； 所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型为：
式中，取逆系统的输入量为购，:1?.:二鋪
[0007] 较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其中所 述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型是由如下方法得 到的： (1) 定义a0为静止两相对称坐标系、dq为转矩系统定子磁链定向同步旋转两相对称 坐标系； (2) 根据电机内部定子电流动态微分方程和定子磁链定向控制的静态与动态约束条 件，可得考虑定子电流动态的定子磁链定向转矩系统动态数学模型为：
(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a、0坐标轴向的可控径向悬浮力分量，_、_$分别为沿么邊 标轴向的气隙磁链分量，其表达式为：
(4) 根据动力学原理，构造转子径向悬浮运动方程为：
式中，仿为转子的质量，爲、?分别为转子发生径向偏心时在电机内部产生的°"、々向 不平衡转子单边电磁拉力，笔総，|i:是由电机结构和电机磁场强度决定的 径向位移刚度系数； (5) 选取四极转矩绕组电压为输入变量，定义原系统的输入变量u、状态变量X、输出变 量y分别为：
结合步骤（2)至（4)的公式可得出兼顾考虑不平衡转子单边电磁拉力影响和转矩绕组 定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统的数学模型：
较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，所述考虑定 子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学是由如下方法得到的： 通过Interactor算法分析可知，所述考虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链 定向原系统是可逆的，对输出量;f 逐次对时间求导，得到：
取逆系统输入变量为V% % :5KII，则兼顾考虑不平衡转子单边电 磁拉力影响和转矩绕组定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统的数学模型 为：
较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其中所述考 虑定子电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向原系统包括悬浮绕组CRPWM电流跟踪控 制逆变器、转矩绕组SPWM逆变器及无轴承异步电机，所述定子磁链定向逆系统输出的解耦 控制变量、<>经反矢量坐标变换处理后送入CRPWM电流跟踪控制逆变器，输出三相磁 悬浮绕组控制电流量到无轴承异步电机，实现转子的解耦悬浮控制；所述考虑定子电流动 态的无轴承异步电机定子磁链定向逆系统输出的解耦控制变量经反矢量坐标变 换处理后送入电压调制SPWM逆变器，输出三相转矩绕组电压量到无轴承异步电机，实现转 轴旋转驱动与定子磁链之间的动态解耦控制。
[0008] 较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其中所 述位移调节器和转速调节器是超前滞后调节器，其传递函数模型为：
式中的r为放大系数，纖为超前时常，A为滞后时常。
[0009] 较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，其中所 述磁链调节器是比例积分调节器，其传递函数模型为：
式中的_比例放大系数，:1|为积分系数。
[0010] 与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果： 1、 本发明在兼顾考虑不平衡转子单边电磁拉力影响和转矩绕组定子电流动态的基础 上，提出了考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统，以定子磁链定向逆 解耦控制取代传统的转子磁链定向逆解耦控制，可有效避免转子参数对电机磁链控制性能 的影响，提高转子磁悬浮控制性能； 2、 本发明把具有非线性、多变量、强耦合性的无轴承异步电机系统解耦为a和0两 个径向位移子系统、定子磁链子系统及电机转速子系统四个线性子系统，再对各子系统配 置适当的闭环调节器，实现了两个径向位移分量、定子磁链、电机转速之间的可靠闭环解耦 控制，并且可省掉定子磁链定向原系统中的转矩绕组定子电流闭环和逆系统中的负载转矩 ?!辨识环节，系统结构得到简化，提高了系统的动态控制