專利名稱：無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器及其構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器及該解耦控制器的構(gòu) 造方法，適用于無軸承同步磁阻電機(jī)的高性能控制。無軸承同步磁阻電機(jī)在機(jī)床電主軸、渦 輪分子泵、離心機(jī)、壓縮機(jī)、機(jī)電貯能、航空航天等特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景， 屬于電力傳動(dòng)控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無軸承同步磁阻電機(jī)滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高轉(zhuǎn)速、無潤滑、無摩擦、免維修的高性能 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，它是一種既具有磁軸承優(yōu)良性能，又兼?zhèn)渫酱抛桦姍C(jī)特點(diǎn)的新型電機(jī)。 同傳統(tǒng)無軸承電機(jī)相比，無軸承同步磁阻電機(jī)具有諸多優(yōu)勢轉(zhuǎn)子上省略了永磁體，也無勵(lì) 磁繞組，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，成本低，還因其可以實(shí)現(xiàn)很高的凸極比，從而同時(shí)具有高轉(zhuǎn)矩 密度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低損耗、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，更加適合高速及高精度應(yīng)用 領(lǐng)域。無軸承同步磁阻電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)。無軸承同步磁 阻電機(jī)在帶動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)懸浮運(yùn)行時(shí)，因轉(zhuǎn)矩電流分量的存在，致使電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力 之間以及徑向懸浮力自身在兩垂直方向上存在耦合，電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)將導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng) 的失穩(wěn)。因此，若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間以 及水平、垂直懸浮力之間的動(dòng)態(tài)解耦控制。無軸承同步磁阻電機(jī)控制的特殊性決定其無法像無軸承異步電機(jī)和無軸承永磁 同步電機(jī)那樣，基于磁場定向控制進(jìn)行相關(guān)公式變換即可實(shí)現(xiàn)上述變量間的完全解耦。采 用現(xiàn)代控制理論中串接前饋補(bǔ)償器的方法可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的解耦，但其解耦補(bǔ)償器中的 參數(shù)易受磁飽和影響。而通過簡化近似處理，在線查表和實(shí)時(shí)參數(shù)檢測等方法可以減小磁 飽及減小徑向懸浮力和轉(zhuǎn)矩之間耦合，然而以上這些解耦方法只能實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸 浮力之間的靜態(tài)解耦，并沒有實(shí)現(xiàn)完全意義上的動(dòng)態(tài)解耦。為了從本質(zhì)上解決無軸承同步 磁阻電機(jī)多變量解耦控制的難題，同時(shí)又要保證無軸承同步磁阻電機(jī)的各項(xiàng)控制性能指 標(biāo)，如動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，需采用新的控制技術(shù)和新的控制方法。國內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)專利專利申請?zhí)?00610085347. 6，名稱為無軸承同步磁阻電 機(jī)前饋補(bǔ)償控制器的構(gòu)造方法，此發(fā)明通過構(gòu)建解耦補(bǔ)償器，對無軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)行 解耦控制。本發(fā)明采用逆系統(tǒng)方法構(gòu)建復(fù)合控制對象的逆模型來將控制對象解耦成偽線性 系統(tǒng)，在次基礎(chǔ)上采用線性系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)對無軸承同步磁阻電機(jī)的解耦控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既可實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間以及徑向懸浮力 自身在兩垂直方向上的解耦控制，又可獲得良好的各項(xiàng)控制性能指標(biāo)，如轉(zhuǎn)子徑向位置動(dòng)、 靜態(tài)調(diào)節(jié)特性及轉(zhuǎn)矩、速度調(diào)節(jié)性能的無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器及其構(gòu)造 方法。使得無軸承同步磁阻電機(jī)在高速或超高速數(shù)控機(jī)床、密封泵、半導(dǎo)體工業(yè)、航空航天、
4化工工業(yè)、生命科學(xué)及生物工程等眾多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，特別是無接觸、無需潤滑及無磨 損等特點(diǎn)，用于真空技術(shù)、純凈潔室及無菌車間以及腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(zhì)的傳輸?shù)?特殊場合電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的的技術(shù)方案是無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制 器，包括線性閉環(huán)控制器、α階逆系統(tǒng)、第一和第二兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器，所述 第一和第二兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器的輸出信號(hào)輸入到無軸承同步磁阻電機(jī)，無軸 承同步磁阻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速量ω和徑向位移量x、y，無軸承同步磁阻電機(jī)和兩個(gè)擴(kuò)展的電流 滯環(huán)PWM逆變器組成復(fù)合被控對象；所述閉環(huán)控制器以給定轉(zhuǎn)速量ω*與輸出轉(zhuǎn)速量ω的 差值，以及給定徑向位移量X*、/與輸出徑向位移量x、y的差值為輸入信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)速控制 量灼和徑向位移控制量例、灼至α階逆系統(tǒng)，α階逆系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩繞組在q軸上電流
分量參考值 <、徑向懸浮力繞組在χ和y軸上電流分量的參考值/和/；,與給定的轉(zhuǎn)矩繞組
在d軸上電流分量參考值ζ—起輸入到兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器。所述線性閉環(huán)控制器由一個(gè)轉(zhuǎn)速控制器和第一、第二兩個(gè)位置控制器組成，轉(zhuǎn)速 控制器的輸入信號(hào)為無軸承同步磁阻電機(jī)給定轉(zhuǎn)速量ω*和輸出轉(zhuǎn)速量ω的差值，輸出轉(zhuǎn) 速控制量灼至α階逆系統(tǒng)，第一位置控制器的輸入信號(hào)為無軸承同步磁阻電機(jī)給定徑向 位移量與輸出徑向位移量χ的差值，輸出徑向位移控制量例至α階逆系統(tǒng)，第二位置控 制器的輸入信號(hào)為無軸承同步磁阻電機(jī)給定徑向位移量f與輸出徑向位移量y的差值，輸 出徑向位移控制量灼至α階逆系統(tǒng)。所述復(fù)合被控對象中，所述無軸承同步磁阻電機(jī)由轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)和懸浮力子系統(tǒng)組 成，所述第一、第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器分別由Park逆變換、Clark逆變換和電流滯 環(huán)PWM逆變器依次連接組成，第一擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)組成第一復(fù)合 被控對象，第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器和懸浮力子系統(tǒng)組成第二復(fù)合被控對象；所述 α階逆系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩繞組在q軸上電流分量參考值(和給定的轉(zhuǎn)矩繞組在d軸上電流分 量參考值 至第一擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器，α階逆系統(tǒng)輸出徑向懸浮力繞組在軸x、y 上電流分量的參考值ζ、ζ至第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器，第一擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM 逆變器(2)以轉(zhuǎn)矩繞組在q軸上電流分量參考值 <和勵(lì)磁電流分量為/丨為輸入量，輸出電 流信號(hào)至轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩繞組，第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器輸出電流信號(hào)至懸浮力 子系統(tǒng)的懸浮繞組。所述α階逆系統(tǒng)中，復(fù)合被控對象的期望輸出y = [yiy2y3]T = [xyw] 1勺α階導(dǎo)數(shù)凡yj = [x y ^l = U1 J2 作為α階逆系統(tǒng)的輸入，α階逆系統(tǒng)
輸出量K=[W| u2 3f=[( ( 控制復(fù)合被控對象，α階逆系統(tǒng)與復(fù)合被控對象組成偽線 性系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一發(fā)明目的技術(shù)方案是無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器的構(gòu)造方法，該方法包括下列步驟1.將無軸承同步磁阻電機(jī)與兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器作為一個(gè)整體組成 復(fù)合被控對象，復(fù)合被控對象的被控量是電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子徑向位移；2.采用逆系統(tǒng)理論來構(gòu)造復(fù)合被控對象的α階逆系統(tǒng)；3.將α階逆系統(tǒng)置于復(fù)合被控對象之前，α階逆系統(tǒng)與復(fù)合被控對象組成偽線
性系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)徑向懸浮力與電磁轉(zhuǎn)矩之間的解耦控制以及徑向懸浮力在兩垂直方向上
5的解耦控制；偽線性系統(tǒng)等效為三個(gè)解耦的積分線性子系統(tǒng)，分別為一個(gè)速度一階積分型 的偽線性子系統(tǒng)和兩個(gè)位置二階積分型的偽線性子系統(tǒng)；4.采用線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法針對偽線性系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速控制器和兩個(gè)轉(zhuǎn) 子位置控制器，并由上述轉(zhuǎn)速控制器和兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；5.將線性閉環(huán)控制器、α階逆系統(tǒng)和兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器共同構(gòu)成非 線性逆解耦控制器來對無軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的多變量解耦控制， 以獲得良好的控制性能指標(biāo)。本發(fā)明通過構(gòu)造α階逆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無軸承同步磁阻電機(jī)解耦控制。所述α階 逆系統(tǒng)的構(gòu)造方法為首先建立無軸承同步磁阻電機(jī)徑向懸浮力及轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，推導(dǎo) 出復(fù)合被控對象的狀態(tài)方程，根據(jù)Interactor算法可以證明系統(tǒng)可逆，其向量相對階為 α = (B1, a2, a3)T= (2，2，1)τ，然后將復(fù)合被控對象的期望輸出y = [yiy2y3]T = [xyw] T(式中，ω是無軸承同步磁阻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速量，x、y分別是徑向位移量)的α階導(dǎo)數(shù) J= [j>, j>2 j3f = [x y論 作為α階逆系統(tǒng)的輸入，則α階逆系統(tǒng)的輸出正是用來控制
復(fù)合被控對象產(chǎn)生期望輸出的控制量 3 3]Τ=['； /； (]Τ(式中，<是轉(zhuǎn)矩繞組在q 軸上電流分量參考值，〈、ζ分別是徑向懸浮力繞組在X、y軸上電流分量的參考值)，最后 計(jì)算得到α階逆系統(tǒng)的解析表達(dá)式"=樹々力。本發(fā)明是一種無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器的構(gòu)造方法，針對無軸承 同步磁阻電機(jī)這一非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，采用α階逆系統(tǒng)方法，將各個(gè)被 控量轉(zhuǎn)換成相互獨(dú)立的線性積分子系統(tǒng)，進(jìn)而使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以簡化并容易達(dá)到系統(tǒng)所 要求的性能指標(biāo)。不僅實(shí)現(xiàn)了無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，而且使得電磁轉(zhuǎn)矩和 徑向懸浮力之間以及徑向懸浮力自身在兩垂直方向上的位移三者之間可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制， 并有效的提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。采用非線性逆解耦控制器的構(gòu)造方法得到的控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.無軸承同步磁阻電機(jī)與磁軸承支承的同步磁阻電機(jī)相比具有更加合理，更加實(shí) 用的結(jié)構(gòu)。①無軸承同步磁阻電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子軸向長度減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率可以 進(jìn)一步得到提高，并可以實(shí)現(xiàn)高速超高速運(yùn)行；②徑向懸浮力控制系統(tǒng)中功率放大電路采 用三相功率逆變電路，使得無軸承同步磁阻電機(jī)的控制方法簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低，成本 下降，擺脫了傳統(tǒng)磁軸承支承的同步磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臨界轉(zhuǎn)速低，控制系統(tǒng)復(fù)雜，功率 放大器造價(jià)高，體積大等缺陷。2.采用逆系統(tǒng)理論構(gòu)造出無軸承同步磁阻電機(jī)復(fù)合被控對象的α階逆系統(tǒng)，將 無軸承同步磁阻電機(jī)這一非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)線性化和解耦成為三個(gè)相互 獨(dú)立的單輸入單輸出線性積分子系統(tǒng)。從而復(fù)雜的非線性耦合控制問題就變?yōu)楹唵蔚木€性 控制問題。針對兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個(gè)速度一階積分線性子系統(tǒng)，可進(jìn) 一步采用PID、極點(diǎn)配置、線性最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)器或魯棒伺服調(diào)節(jié)器等方法分別設(shè)計(jì)一個(gè)速 控制器和兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器，組成線性閉環(huán)控制器，使無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)穩(wěn) 定懸浮，并且系統(tǒng)獲得高性能的轉(zhuǎn)速、位置控制以及抗負(fù)載擾動(dòng)的運(yùn)行性能。3.采用非線性逆解耦控制器實(shí)現(xiàn)了無軸承同步磁阻電機(jī)的多變量之間的獨(dú)立控制，有效克服了無軸承同步磁阻電機(jī)基于磁場定向僅僅進(jìn)行公式變換無法實(shí)現(xiàn)解耦控制這 一難題，同時(shí)克服了采用前饋補(bǔ)償控制器，近似處理，在線查表和實(shí)時(shí)參數(shù)檢測等解耦方法 只能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靜態(tài)解耦，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦的缺陷，采用非線性逆解耦控制器的無軸 承同步磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形象直觀，實(shí)現(xiàn)方便，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。本發(fā)明可用于構(gòu)造無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器，對無軸承同步磁阻 電機(jī)負(fù)載懸浮運(yùn)行進(jìn)行有效解耦控制，可獲得良好的控制性能，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。并且 為其它無軸承電機(jī)控制系統(tǒng)，以及適合磁軸承支承的各種類型的電機(jī)控制的非線性系統(tǒng)線 性化和解耦控制提供了一條有效途徑。


圖1是擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是由無軸承同步磁阻電機(jī)與擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器組成的復(fù)合被控對象 結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是由α階逆系統(tǒng)與復(fù)合被控對象組成的偽線性系統(tǒng)的示意圖及其等效圖。圖4基于α階逆系統(tǒng)理論的無軸承同步磁阻電機(jī)解耦控制系統(tǒng)原理框圖。圖5是基于α階逆系統(tǒng)理論的無軸承同步磁阻電機(jī)解耦控制系統(tǒng)原理框圖。圖6是以DSP為核心的無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器控制裝置組成示 意圖。圖7是以DSP為控制器的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)軟件框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明。由Park逆變換、Clark逆變換和電流滯環(huán)PWM逆變 器依次連接組成，如圖1所示，由Park逆變換21、31、Clark逆變換22、32和電流滯環(huán)PWM 逆變器23、33依次連接形成第一、第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2、3，第一和第二擴(kuò)展的 電流滯環(huán)PWM逆變器2、3作為復(fù)合被控對象5的一個(gè)組成部分。如圖2所示，兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2、3與無軸承同步磁阻電機(jī)1構(gòu)成 一個(gè)復(fù)合被控對象5，其中無軸承同步磁阻電機(jī)繞組由轉(zhuǎn)矩繞組和徑向懸浮力繞組組成。如 圖3所示，將α階逆系統(tǒng)4串接在復(fù)合被控對象5之前，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦控制。如圖4所 示，采用線性系統(tǒng)理論分別設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速控制器71和兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器72、73組成的線 性閉環(huán)控制器70。如圖5所示，由線性閉環(huán)控制器70、α階逆系統(tǒng)4和兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯 環(huán)PWM逆變器2、3共三個(gè)部分組成的非線性逆解耦控制器80，實(shí)現(xiàn)對無軸承同步磁阻電機(jī) 1的解耦控制。無軸承同步磁阻電機(jī)1輸出轉(zhuǎn)速量ω和徑向位移量X、y，無軸承同步磁阻 電機(jī)1和兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2、3組成復(fù)合被控對象5。線性閉環(huán)控制器70以 復(fù)合被控對象5給定轉(zhuǎn)速量ω*和輸出轉(zhuǎn)速量ω的差值，以及復(fù)合被控對象5給定徑向位 移量χ*、/和輸出徑向位移量x、y的差值為輸入信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)速控制量灼和徑向位移控制 量0、&至α階逆系統(tǒng)4，α階逆系統(tǒng)4輸出的轉(zhuǎn)矩繞組在q軸上電流分量參考值、徑 向懸浮力繞組在χ和y軸上電流分量的參考值/和 <，與給定的轉(zhuǎn)矩繞組在d軸上電流分 量參考值ζ—起輸入到兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器2、3。根據(jù)不同的控制要求，可選 擇不同的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)。
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無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器構(gòu)造方法具體實(shí)施分以下5步1、構(gòu)造擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器。首先由Park逆變換21、31和Clark逆變換 22、32組成坐標(biāo)變換，之后將該坐標(biāo)變換與電流滯環(huán)PWM逆變器共同組成擴(kuò)展的電流滯環(huán) PWM逆變器，此擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器以α階逆系統(tǒng)輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組定子電流d 軸分量參考值和恒定勵(lì)磁電流為其輸入，或以α階逆系統(tǒng)輸出的電機(jī)懸浮力繞組兩個(gè)定 子電流分量參考值為其輸入(如圖1所示)。此擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器將作為復(fù)合被 控對象的一個(gè)組成部分。2.形成復(fù)合被控對象。將構(gòu)造好的兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器與無軸承同步 磁阻電機(jī)組成復(fù)合被控對象，以α階逆系統(tǒng)輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組電流d軸分量參考值和電 機(jī)懸浮力繞組兩個(gè)定子電壓分量參考值及恒定勵(lì)磁電流四個(gè)電流信號(hào)為其輸入，電機(jī)轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)子兩個(gè)徑向位移為其輸出(如圖2、圖3、圖4和圖5所示)。3.構(gòu)造α階逆系統(tǒng)。首先建立復(fù)合被控對象的數(shù)學(xué)模型從無軸承同步磁阻電 機(jī)工作原理出發(fā)，建立無軸承同步磁阻電機(jī)徑向懸浮力及轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，經(jīng)過坐標(biāo)變換和 線性放大，得到復(fù)合被控對象的數(shù)學(xué)模型，即同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下5階微分方程。其向量相對 階為{2，2，1}。經(jīng)推導(dǎo)可以證明該5階微分方程可逆，S卩α階逆系統(tǒng)存在，將復(fù)合被控對象 (5)的期望輸出 y = [yiy2y3]T = [xyw]T 的 α 階導(dǎo)數(shù) j)=[>,丸 jj = \x y ,J = [,·, J2 j 3f 作為α階逆系統(tǒng)(4)的輸入，則α階逆系統(tǒng)(4)的輸出正是用來控制復(fù)合被控對象(5) 產(chǎn)生期望輸出的控制量u2 3]τ=[( /； (]Τ，從而可以計(jì)算得到α階逆系統(tǒng)的解析表 達(dá)式《=識(shí)0，夕)。4.構(gòu)造線性閉環(huán)控制器。對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和位置子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速控制器和 兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器，構(gòu)成線性閉環(huán)控制器(如圖4左圖虛線框內(nèi)所示)。線性閉環(huán)控制 器采用線性系統(tǒng)理論中的比例積分微分控制器PID、極點(diǎn)配置或二次型指標(biāo)最優(yōu)等方法來 設(shè)計(jì)。在本發(fā)明給出的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)速控制器采用PI控制器，兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置控制器均選用 PID控制器，控制器的參數(shù)根據(jù)實(shí)際控制對象需進(jìn)行調(diào)整。5.形成非線性逆解耦控制。將線性閉環(huán)控制器、α階逆系統(tǒng)、兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯 環(huán)PWM逆變器共同形成非線性逆解耦控制(如圖5中大虛框所示)?？筛鶕?jù)不同的控制要 求采用不同的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)。圖6給出了本發(fā)明的一種具體實(shí)施例的示意圖，其中α階逆系統(tǒng)、閉環(huán)控制器、坐 標(biāo)變換等由數(shù)字信號(hào)處理器即DSP控制器通過軟件來實(shí)現(xiàn)。圖7給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件流程框圖，數(shù)字控制系統(tǒng)軟件主要由主程序模塊和中 斷服務(wù)子程序模塊組成。圖7中左圖為主程序模塊，主要完成初始化、顯示初值、循環(huán)等待 等功能，圖7中右圖為無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置控制中斷服務(wù)子程序模塊，是系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)的核心程序模塊，主要完成無軸承同步磁阻電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的解耦控制。
根據(jù)以上所述，便可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
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權(quán)利要求
無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器，其特征是，該控制器包括線性閉環(huán)控制器(70)、α階逆系統(tǒng)(4)、第一和第二兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2、3)，所述第一和第二兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2、3)的輸出信號(hào)輸入到無軸承同步磁阻電機(jī)(1)，無軸承同步磁阻電機(jī)(1)輸出轉(zhuǎn)速量ω和徑向位移量x、y，無軸承同步磁阻電機(jī)(1)和兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2、3)組成復(fù)合被控對象(5)；所述閉環(huán)控制器(70)以無軸承同步磁阻電機(jī)(1)給定轉(zhuǎn)速量ω*與輸出的轉(zhuǎn)速量ω的差值，以及給定徑向位移量x*、y*與輸出的徑向位移量x、y的差值為輸入信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)速控制量 和徑向位移控制量 至α階逆系統(tǒng)(4)，α階逆系統(tǒng)(4)輸出的轉(zhuǎn)矩繞組q軸上電流分量參考值 徑向懸浮力繞組x和y軸上電流分量的參考值 和 與給定的轉(zhuǎn)矩繞組d軸上電流分量參考值 一起輸入到兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器，其特征在于，所 述線性閉環(huán)控制器(70)由一個(gè)轉(zhuǎn)速控制器(71)和兩個(gè)位置控制器(72、73)組成，轉(zhuǎn)速控 制器(71)的輸入信號(hào)為無軸承同步磁阻電機(jī)(1)給定轉(zhuǎn)速量ω*和輸出的轉(zhuǎn)速量ω的差 值，輸出轉(zhuǎn)速控制量豹至α階逆系統(tǒng)(4)，位置控制器(72)的輸入信號(hào)為無軸承同步磁阻 電機(jī)(1)給定徑向位移量X*與輸出徑向位移量Χ的差值，輸出徑向位移控制量φ至α階 逆系統(tǒng)(4)，位置控制器(73)的輸入信號(hào)為無軸承同步磁阻電機(jī)(1)給定徑向位移量/與 輸出徑向位移量y的差值，輸出徑向位移控制量Ψ2至α階逆系統(tǒng)(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器，其特征在于，所 述復(fù)合被控對象(5)中，所述無軸承同步磁阻電機(jī)(1)由轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)和懸浮力子系統(tǒng)組成， 所述第一、第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2、3)分別由Park逆變換、Clark逆變換和電流 滯環(huán)PWM逆變器依次連接組成，第一擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)組成第 一復(fù)合被控對象，第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(3)和懸浮力子系統(tǒng)組成第二復(fù)合被控 對象；所述α階逆系統(tǒng)(4)輸出轉(zhuǎn)矩繞組在q軸上電流分量參考值(和給定的轉(zhuǎn)矩繞組d 軸上電流分量參考值ζ至第一擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2)，α階逆系統(tǒng)(4)輸出徑向 懸浮力繞組在x、y軸上電流分量的參考值<、 至第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(3)，第 一擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2)以轉(zhuǎn)矩繞組在q軸上電流分量參考值 <和勵(lì)磁電流分量 ζ為輸入量，輸出電流信號(hào)至轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩繞組，第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器輸出 電流信號(hào)至懸浮力子系統(tǒng)的懸浮力繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器，其特征在于， 所述α階逆系統(tǒng)⑷中，復(fù)合被控對象(5)的期望輸出y = [yiy2y3]T = [xyw]T的α階 導(dǎo)數(shù)斧臥)>2 ^J = P ^ ^ = J 2 ^HtS α階逆系統(tǒng)的輸入，α階逆系統(tǒng)輸出量 =[ , 2 "3]T=[( C 控制復(fù)合被控對象(5)，α階逆系統(tǒng)(4)與復(fù)合被控對象(5)串聯(lián) 組成偽線性系統(tǒng)(6)。
5.一種無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征在于，該方法包 括下列步驟步驟1將無軸承同步磁阻電機(jī)(1)與兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2、3)作為一個(gè) 整體組成復(fù)合被控對象(5)，復(fù)合被控對象(5)的被控量是電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子徑向位移；步驟2采用逆系統(tǒng)理論來構(gòu)造復(fù)合被控對象(5)的α階逆系統(tǒng)(4)； 步驟3將α階逆系統(tǒng)(4)置于復(fù)合被控對象(5)之前，α階逆系統(tǒng)(4)與復(fù)合被控 對象(5)組成偽線性系統(tǒng)(6)；偽線性系統(tǒng)(6)等效為三個(gè)解耦的積分線性子系統(tǒng)，分別為 一個(gè)速度一階積分型的偽線性子系統(tǒng)和兩個(gè)位置二階積分型的偽線性子系統(tǒng)；步驟4采用線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對三個(gè)解耦的積分線性子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速控 制器(71)和兩個(gè)位置控制器(72、73)，并由上述一個(gè)轉(zhuǎn)速控制器(71)和兩個(gè)位置控制器 (72,73)來構(gòu)成線性閉環(huán)控制器(70)；步驟5將線性閉環(huán)控制器(70)、α階逆系統(tǒng)(4)以及擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2、 3)共同構(gòu)成非線性逆解耦控制器(80)來對無軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)行控制。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征在 于，所述無軸承同步磁阻電機(jī)(1)的繞組由轉(zhuǎn)矩繞組和徑向懸浮力繞組組成；第一、第二兩 個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2、3)分別由Park逆變換、Clark逆變換和電流滯環(huán)PWM逆 變器依次連接組成，第一擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(2)的輸出電流ial、ibl和‘驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 繞組，第二擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器(3)的輸出電流ia2、ib2和1。2驅(qū)動(dòng)徑向懸浮力繞組。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承同步磁阻電機(jī)非線性逆解耦控制器的構(gòu)造方法， 其特征在于，所述α階逆系統(tǒng)(4)的構(gòu)造方法為首先建立無軸承同步磁阻電機(jī)數(shù) 學(xué)模型，推導(dǎo)出復(fù)合被控對象(5)的狀態(tài)方程，其向量相對階為α = (ai; a2, a3)T = (2，2，1)T，然后將復(fù)合被控對象(5)的期望輸出y= [yiy2y3]T = [xyw]T的α階導(dǎo)數(shù) y=D>, i>2 yj = ^ y 4 = 1;·, J2 作為α階逆系統(tǒng)(4)的輸入，則α階逆系統(tǒng)(4)的輸出正是用來控制復(fù)合被控對象(5)產(chǎn)生期望輸出的控制量《=h ^sf=K ( (]T，最后計(jì)算得到α階逆系統(tǒng)的解析表達(dá)式為《=樹々夕)。
全文摘要
本發(fā)明是一種無軸承同步磁阻電機(jī)的非線性逆解耦控制器及其構(gòu)造方法，適用于無軸承同步磁阻電機(jī)的高性能解耦控制。將兩個(gè)Park逆變換、兩個(gè)Clark逆變器和兩個(gè)電流滯環(huán)PWM逆變器共同組成兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器；再將兩個(gè)擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器、被控的無軸承同步磁阻電機(jī)作為一個(gè)整體組成復(fù)合被控對象；將α階逆系統(tǒng)串接在復(fù)合被控子對象之前，復(fù)合成由一個(gè)速度子系統(tǒng)和兩個(gè)位置子系統(tǒng)組成的偽線性系統(tǒng)；再依據(jù)線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對偽線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)線性閉環(huán)控制器，最后將線性閉環(huán)控制器、α階逆系統(tǒng)、擴(kuò)展的電流滯環(huán)PWM逆變器一起形成非線性逆解耦控制器，對無軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)解耦控制。
文檔編號(hào)H02P21/14GK101958685SQ20101011761
公開日2011年1月26日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者刁小燕, 張婷婷, 朱熀秋, 楊澤斌, 諸德宏 申請人:江蘇大學(xué)