[发明专利]一种无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统

说明书

本发明公开一种无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统，包括径向悬浮力模型预测控制器、悬浮力绕组磁链模型预测控制器和转矩绕组合成气隙磁链模型预测控制器，利用初始观测的悬浮力绕组磁链和转矩绕组合成气隙磁链，经过预测算法算出下一个采样周期内的每个开关状态所对应的电机径向悬浮力大小，并将其与悬浮力指令值一起输入价值函数计算模块，利用价值函数选取最优开关状态的电压矢量输入到下一个控制周期中，完成悬浮力直接控制，悬浮力的控制与优化同时进行，不仅仅避免了由于延时带来的悬浮力脉动和磁链纹波等问题，还解决了无轴承电机传统悬浮力矢量控制存在的参数整定复杂以及控制过程中动态性能不足的问题，提高了悬浮力控制的精度。

技术领域

本发明属于无轴承电机控制领域，涉及一种多变量、非线性、强耦合的无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统，用于对无轴承无铁心永磁电机的悬浮力进行预测控制。

背景技术

无轴承无铁心永磁电机是一种集合了无铁心永磁电机和磁轴承特性的新型电机，它不仅具有效率高、过载能力强、无齿槽转矩、转子损耗低等优点，还具有磁轴承无需润滑、无摩擦和免维护等特点，可实现高速或超高速运行，在化学化工、生命科学、能源交通、航空航天及机器人领域具有潜在应用背景。但由于无轴承无铁心永磁电机本身是多变量、非线性、强耦合的被控对象，使得传统悬浮力控制算法难以满足高精、高速场合的需求，限制了其发展。

传统的无轴承电机悬浮力控制采用矢量控制策略，通过控制悬浮力绕组电流来控制悬浮力绕组磁场，从而间接控制所需悬浮力的大小和方向。这种悬浮力的开环控制，大大限制了悬浮力控制的精度，同时存在着鲁棒性低的缺点。中国专利公开号为CN 205509912U的文献公开了单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，通过借鉴永磁电机直接转矩控制的思想和方法，构建了一种基于转子位移和悬浮力双闭环的直接悬浮力控制器，摒弃了矢量控制中系统过多依赖电机参数和存在大量矢量坐标变换的缺陷，采用定子磁链定向和瞬时空间矢量理论，直接对电机定子磁链和悬浮力进行控制。但由于采样及数字计算的延迟，使得目标电压矢量总是滞后一个采样周期，造成了磁链及悬浮力的脉动变大。专中国专利公开号为CN106130429A的文献公开的无轴承永磁同步电机预测控制器及构造方法，提出将模型预测思想运用于无轴承电机的控制之中，通过构建预测控制器，预测电机下一时刻的磁链、转矩和悬浮力，减小由于采样和数字计算的延迟造成的控制误差，但由于其仍采用空间矢量调制(SVPWM)来合成所需要的电压矢量，因此在预测过程中需要对无数多个电压矢量进行预测计算，大大增加了系统预测的计算量，在实际应用中难以实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有无轴承无铁心永磁电机悬浮力控制中存在的精度差的问题，提出了一种新型无轴承无铁心永磁电机悬浮力预测控制系统，减小因系统采样和数字计算延迟造成的控制误差，提高悬浮力控制精度。同时采用价值函数计算和优化代替SVPWM来选取最优电压矢量驱动逆变器，减小系统预测计算量，提高预测控制系统的实用性。