[发明专利]考虑电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦方法

说明书

技术领域

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

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。

现有技术对无轴承异步电机的逆系统解耦方法虽有一些研究，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方法，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

本发明的主要目的是公开一种考虑电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦方法，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，解决的技术问题是将无轴承异步电机系统解耦为四个线性子系统，提高转子磁悬浮控制性能和动态抗干扰能力。

本发明具体是采用以下技术方案及技术措施来实现的。

本发明提出一种考虑电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦方法，在考虑转矩绕组电流动态微分方程、不平衡转子单边电磁拉力的基础上，建立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与定子磁链定向逆系统的动态数学模型，将定子磁链定向逆系统串接在定子磁链定向原系统之前，使无轴承异步电机系统动态解耦为四个线性子系统：α和β两个径向位移量的二阶线性子系统、一个定子磁链的一阶线性子系统、一个转速ω的二阶线性子系统，定子磁链定向原系统的输出量包括径向位移量α和β、定子磁链、及转速ω，径向位移量α和β的二阶导数和、定子磁链的一阶导数、及转速的二阶导数作为定子磁链定向逆系统的输入量，定子磁链定向逆系统的输出量作为定子磁链定向原系统的输入量，分别为悬浮绕组的d轴电流分量和q轴电流分量、转矩绕组的d轴电压分量和q轴电压分量，其中，

所述定子磁链定向原系统的动态数学模型为：

，

式中，定义原系统的输入量为，系统状态变量为，系统输出变量为，、分别为转矩绕组定子电流的d、q轴分量，、分别为悬浮绕组定子电流的d、q轴分量，为转矩系统定子磁链，ω为转子旋转角频率，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，m为转子质量，、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，，，，为转矩绕组定子电阻，为转矩绕组转子电阻，为dq坐标系中的等效两相转矩绕组的自感，为dq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,J为转动惯量,为负载转矩；

所述定子磁链定向逆系统的动态数学模型为：

，

式中，取逆系统的输入量为。

较佳的，前述考虑电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦方法，其中所述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αβ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α、β坐标轴向的可控径向悬浮力分量，、分别为沿d、q坐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：

，