[发明专利]无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器的构造方法

说明书

技术领域

本发明涉及高速、超高速电气传动领域以及极端特殊环境下的无轴承电机轴向混合磁轴承，具体涉及无轴承电机轴向混合磁轴承的控制器的构造方法，采用该方法构造的控制器可应用于高速电机、人造卫星、高速精密数控机床、飞轮储能等，属于特种电力传动控制技术领域。

背景技术

磁轴承利用定子、转子之间的磁场力相互作用，从而支承转子悬浮于空间，是一种新型的机电装置。由于定子、转子之间不存在任何机械接触，因此磁轴承转子的转速可达到很高的转速。磁轴承具有无机械摩擦磨损、高速高精、无需润滑、噪音小、功耗低、寿命长等一系列优点，特别适用于真空、（超）高速、核电和超洁净等极端特殊的应用场合。混合磁轴承利用永久磁铁产生静态偏置磁场代替主动磁轴承利用电磁铁产生的静态偏置磁场，降低了功率放大器的损耗，缩小了磁轴承的体积，同时混合磁轴承利用气隙处磁场力其它自由度分量，可以提供其它自由度的被动悬浮，进一步地简化了磁轴承结构，因此混合磁轴承是磁轴承未来发展的一个新趋势。

无轴承电机轴向混合磁轴承是用来对转子轴向位置进行准确定位的。轴向位置是否能准确定位以及稳定控制，对转子轴向位置产生直接影响，从而影响到无轴承电机悬浮力与电磁转矩之间的非线性解耦控制问题。所以，无轴承电机轴向混合磁轴承的控制是实现无轴承电机高性能控制不可忽视的问题之一。

无轴承电机轴向混合磁轴承系统一般采用传统的PID控制器，然而传统的PID器具有以下不足之处：（1）线性参数之间缺乏最优组合，容易导致混合磁轴承系统的快速性与超调量之间存在的严重矛盾；（2）系统的给定信号和实际输出信号分别是不光滑信号和光滑信号，如果将不光滑的给定信号直接作为作为光滑的输出信号的参考值，将会使混合磁轴承系统产生振荡；（3）PID控制器中的积分控制作用是用来消除系统的静差，但是积分控制将会导致混合磁轴承系统稳定性变差，甚至导致积分饱和现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有无轴承电机轴向混合磁轴承的传统控制方法的不足，提供一种无轴承电机轴向混合磁轴承的自适应逆控制器的构造方法，采用该方法构造的无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器可以分别控制系统给定信号与扰动信号，并且可以达到二者的最优控制效果，具有很强的抗扰性。

本发明采用的技术方案是依次采用如下步骤： 

1）将开关功率放大器、无轴承电机轴向混合磁轴承、负载以及电涡流位移传感器作为一个整体组成复合被控对象，复合被控对象的输入为开关功率放大器的输入，是给定的轴向控制电流                                               ，复合被控对象的输出为电涡流位移传感器的输出，是轴向位移。

2）根据复合被控对象的输入和输出建立复合被控对象的复合被控对象模型和复合被控对象逆模型，离线确定复合被控对象模型和复合被控对象逆模型的参数。

3）复制复合被控对象逆模型作为前馈控制器串联在复合被控对象之前构成逆控制器，逆控制器的输入为轴向位移，输出为电流。

4）将复合被控对象的轴向位移与复合被控对象模型的输出位移比较，两者之差作为复合被控对象逆模型的输入，将逆控制器的输出电流减去复合被控对象逆模型的输出电流得到作为复合被控对象的实际输入电流。

5）将复合被控对象的轴向位移与逆控制器的输入轴向位移比较，用两者之差在线实时调整逆控制器的权值参数。

6）将逆控制器、复合被控对象模型与复合被控对象逆模型作为一个整体构成自适应逆控制器。

离线确定复合被控对象模型和复合被控对象逆模型参数的方法是：先采集复合被控对象的输入轴向控制电流建模信号及输出的轴向位移，再用输入轴向控制电流建模信号同时驱动复合被控对象与复合被控对象模型，然后将轴向位移与复合被控对象模型的输出比较，两者之差，最后两者之差去驱动复合被控对象逆模型。

本发明的有益效果是：

1、本发明设计的无轴承电机轴向混合磁轴承自适应逆控制器，与传统的闭环控制器不同，该控制器利用反馈作用不是为了控制系统中信号的流动，而是为了用于控制被控对象中的可变参数。由于被控对象参数的变化总是要慢于通过它的信号，因此在该自适应逆控制器中反馈的作用相对较慢，仅仅需要保持与参数变化速率相一致，从而采用该控制器的系统的稳定性要优于传统反馈控制系统的稳定性，而且参数的调节也相对比较容易实现。