[发明专利]五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器

说明书

技术领域

    本发明涉及一种电力传动控制设备技术领域中的五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器，适用于高速及超高速电机传动。

背景技术

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应用广泛，与传统无轴承电机相比，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，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。

将无轴承技术及磁轴承技术应用于同步磁阻电机，即采用一个三自由度主动磁轴承和一个二自由度无轴承同步磁阻电机组成五自由度无轴承同步磁阻电机，这种结构同单纯使用磁轴承支承的高速电机相比具有更加明显的优势：电机轴向长度得到减小，结构得到简化，临界转速也得到提高，满足了众多场合需要高速或超高速电力传动的要求，在高速电气传动等特殊应用场所有着独特优势。五自由度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，对其进行动态解耦控制是实现无轴承同步磁阻电机稳定可靠工作的关键。如果采用分散控制方法对系统进行控制，则忽略了系统各个变量之间的耦合作用，无法满足高速高精度运转的要求，必须对系统进行解耦，分别独立控制磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机的径向悬浮力以及电磁转矩。常用的解耦控制方法中，矢量控制只能实现转矩和悬浮力的静态解耦控制,其动态响应性能还不能令人满意；微分几何方法虽然可以实现系统的动态解耦，但是需要将问题变换到几何域中来讨论，并且使用的数学工具相当复杂、抽象；神经网络逆控制方法可以实现系统的动态解耦，但是需要大量的训练样本数据，训练时间长，控制器设计复杂；而逆系统理论的物理概念清晰直观、数学分析简单明了，通过将系统线性化和解耦成为互相独立的线性积分子系统来实现各个被控量之间的动态解耦控制，能够有效提高整个系统的控制性能。

专利申请号是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”，采用现代控制理论中串接前馈补偿器的方法进行控制系统的解耦，但无法解决解耦补偿器中的参数易受磁饱和影响的问题。专利申请号是201010117622.4，名称为“无轴承同步磁阻电机支持向量机逆系统复合控制器”，采用支持向量机逆系统复合控制器对二自由度无轴承同步磁阻电机进行解耦控制，但支持向量机算法太复杂，无法对大规模样本进行训练。 

发明内容

本发明的目的是提供一种五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制器，可简单、可靠地实现五自由度无轴承同步磁阻电机磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机径向悬浮力和电磁转矩之间的解耦控制，获得良好的转子径向位置动、静态调节特性及转矩、速度调节等各项控制性能指标。

本发明为实现上述发明目的所采用的技术方案是：包括线性闭环控制器、α阶逆系统和复合被控对象依次串接，复合被控对象由三个扩展的电流滞环PWM逆变器、开关功率放大器以及五自由度无轴承同步磁阻电机组成；α阶逆系统和复合被控对象组成伪线性系统；第一扩展的电流滞环PWM逆变器由第一Clark逆变换和第一电流滞环PWM逆变器连接组成；第二、第三扩展的电流滞环PWM逆变器分别由第一、第二Park逆变换、第二、第三Clark逆变换和第二、第三电流滞环PWM逆变器依次连接组成；五自由度无轴承同步磁阻电机由共用一个转子的三自由度主动磁轴承和二自由度无轴承同步磁阻电机组成，转子上设有多个电涡流传感器，三自由度主动磁轴承由三自由度主动磁轴承径向悬浮力子系统和三自由度主动磁轴承轴向悬浮力子系统组成，二自由度无轴承同步磁阻电机由二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力子系统和二自由度无轴承同步磁阻电机转矩子系统组成；线性闭环控制器由一个转速控制器、四个径向位置控制器和一个轴向位置控制器组成；转速控制器的输入信号是二自由度无轴承同步磁阻电机的给定转速量和输出转速量的差值，输出信号是输入至α阶逆系统的输出转速控制量；第一、三径向位置控制器的输入信号是三自由度主动磁轴承的给定径向位移量与输出径向位移量的差值，第二、第四径向位置控制器的输入信号是二自由度无轴承同步磁阻电机的给定径向位移量与输出径向位移量的差值，输出信号都是输入至α阶逆系统的输出径向位移控制量；轴向位置控制器的输入信号是三自由度主动磁轴承的给定轴向位移量与输出轴向位移量的差值，输出信号是输入至α阶逆系统的输出轴向位移控制量。

本发明的有益效果是：