專利名稱：檢測(cè)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)速度傳感器構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力傳動(dòng)控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，是一種快速準(zhǔn)確檢測(cè)無(wú)軸承異步電機(jī) 轉(zhuǎn)速的無(wú)速度傳感器構(gòu)造方法，為無(wú)軸承異步電機(jī)的無(wú)速度運(yùn)行提供了一種新控制方法， 適用于無(wú)軸承異步電機(jī)的高性能控制。
背景技術(shù)：
無(wú)軸承異步電機(jī)是一個(gè)非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)，為達(dá)到轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制一般 采用磁場(chǎng)定向控制。這種控制方法需檢測(cè)轉(zhuǎn)子的速度，獲得磁場(chǎng)定向所需磁通的精確空間 位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力之間的解耦控制，確保轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量 裝置多采用光電碼盤(pán)等機(jī)械式的速度傳感器，它增加了控制系統(tǒng)成本，存在安裝與維護(hù)上 的困難，并使系統(tǒng)易受干擾，降低了系統(tǒng)可靠性，且不適用于惡劣環(huán)境。而且當(dāng)無(wú)軸承異步 電機(jī)運(yùn)行在高速、超高速狀態(tài)下，普通速度傳感器已不能滿足系統(tǒng)性能要求，轉(zhuǎn)速信息的獲 得限制了無(wú)軸承異步電機(jī)的高速化發(fā)展。因此，無(wú)速度傳感器技術(shù)成為解決這一問(wèn)題的有 效手段。在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，無(wú)速度傳感器控制就是利用電機(jī)繞組中容易測(cè)量的非轉(zhuǎn)速信 息，配合以適當(dāng)?shù)乃惴ㄒ垣@得轉(zhuǎn)速信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械速度傳感器的高性能控制。目前對(duì)于普 通異步電機(jī)，已有很多文獻(xiàn)提出了速度辨識(shí)方法即直接估算法、卡爾曼濾波法、高頻諧波 信注入法、模型參考自適應(yīng)法(MARS)等。其中，直接估算法受噪聲干擾和電機(jī)參數(shù)誤差影 響很大；卡爾曼濾波法運(yùn)用最小方差最優(yōu)預(yù)測(cè)估計(jì)法削弱隨機(jī)干擾和測(cè)量噪聲，但算法復(fù) 雜，參數(shù)配置缺乏一定的標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)算量很大；高頻諧波信號(hào)注入法估計(jì)速度，可提高其低速 性能，但受電機(jī)負(fù)載影響較大；基于電壓電流的MARS方法因存在純積分環(huán)節(jié)，辨識(shí)準(zhǔn)確性 差，且受定子電阻影響，低速時(shí)不穩(wěn)定；基于反電勢(shì)的MARS方法可解決純積分問(wèn)題，但速度 過(guò)零點(diǎn)時(shí)辨識(shí)誤差大；基于瞬時(shí)無(wú)功模型的MARS方法不受定子電阻影響，但速度給定為負(fù) 階躍時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了能在全速范圍內(nèi)快速準(zhǔn)確檢測(cè)無(wú)軸承異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn) 無(wú)軸承異步電機(jī)的無(wú)速度傳感器的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行，提高無(wú)軸承異步電機(jī)的工作性能，擴(kuò)大 無(wú)軸承異步電機(jī)的應(yīng)用而提供一種檢測(cè)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)速度傳感器構(gòu)造方法，使 得無(wú)軸承異步電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在全速范圍內(nèi)有效地觀測(cè)出轉(zhuǎn)速，并且能在負(fù)載擾動(dòng)條件下實(shí) 現(xiàn)無(wú)軸承異步電機(jī)無(wú)速度傳感器方式的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是依次具有如下步驟1)對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)原 系統(tǒng)構(gòu)造內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)的輸入變量是轉(zhuǎn)矩 繞組的定子電壓&w、Uslq和同步轉(zhuǎn)速W1、輸出變量是轉(zhuǎn)矩繞組的定子電流和
；內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的輸入變量是待測(cè)轉(zhuǎn)速《,、輸出變量是轉(zhuǎn)矩繞組的定子電 壓usU、uslq,定子電流i瀏、isU、同步轉(zhuǎn)度 以及定子電流isU、islq的一階導(dǎo)數(shù)這7個(gè)輸出變量；2)建立內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)，無(wú)軸
承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)的輸入為內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的所述7個(gè)輸出變量、輸出為待測(cè)轉(zhuǎn)速 Qr ；3)采用7個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加2個(gè)微分器S構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的輸入分別為定子電壓，定子電流isW、i_和同步轉(zhuǎn)速W1、輸出為待測(cè) 轉(zhuǎn)速OJr ；4)對(duì)靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)整并確定靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)權(quán)系數(shù)以實(shí)現(xiàn)無(wú)軸 承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)；5)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆串接于無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)之后構(gòu)造成無(wú)速 度傳感器。本發(fā)明的有益效果是
1.使得無(wú)軸承異步電機(jī)比磁軸承支承的異步電機(jī)具有更加合理，更加實(shí)用的結(jié)構(gòu)。系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度大大縮短，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。也使得無(wú)軸承異步電機(jī)無(wú)速度傳感器運(yùn)行的控制方法簡(jiǎn)單，功耗低，成本下 降，克服了傳統(tǒng)磁懸浮軸承支承的異步電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、臨界轉(zhuǎn)速低、控制系統(tǒng)復(fù)雜、功放造 價(jià)高和體積大等缺陷。能降低控制系統(tǒng)的成本，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行高精度控制。2.本發(fā)明給出了左逆系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，利用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性 函數(shù)的強(qiáng)大逼近能力，突破逆系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)或應(yīng)用中的瓶頸。采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在工業(yè)工程 中建立非線性模型的一個(gè)強(qiáng)有力的工具，一是可以以任意精度逼近任意復(fù)雜的靜態(tài)非線性 映射(函數(shù))。二是具有較強(qiáng)的泛化能力和自適應(yīng)能力，所有信息都等勢(shì)地分布存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)的各神經(jīng)元，故有很強(qiáng)的自適應(yīng)性、魯棒性和容錯(cuò)性。三是可采用并行分布處理方法，使 得快速進(jìn)行大量運(yùn)算成為可能。四是可以自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)未知或不確定的系統(tǒng)。
3.無(wú)速度傳感器構(gòu)造方法中所需的輸入信號(hào)均為實(shí)際工程中容易獲得的本地直接可 測(cè)量的變量，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆本身可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。采用本發(fā)明無(wú)速度傳感器，省略了原系 統(tǒng)的光電編碼器及其接口電路，不需要對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行其它任何改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)費(fèi) 用低，安全可靠，易于工程實(shí)現(xiàn)。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明


圖1是由無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)11構(gòu)造無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)11的內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng) 12的示意圖2是由內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)12與無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)2組成的檢測(cè)轉(zhuǎn)速的原 理圖3是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆32的構(gòu)成圖4是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆32與無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)11串接關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1-4，本發(fā)明首先基于無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)11的數(shù)學(xué)模型建立內(nèi)含轉(zhuǎn)速 子系統(tǒng)12的數(shù)學(xué)模型，該內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)12的輸入量與輸出量之間滿足無(wú)軸承異步電機(jī) 原系統(tǒng)11數(shù)學(xué)模型所確定的變量約束關(guān)系；接著建立內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)12的逆模型，即無(wú)軸 承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)2 ；再采用7個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)31和2個(gè) 微分器S構(gòu)成具有5個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)12的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆32 ；并通過(guò)調(diào)整靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)31的各個(gè)權(quán)值使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆32實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng) 2的功能；最后將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆32串接于無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)11之后構(gòu)造成無(wú)速度傳感 器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。具體實(shí)施依次分為以下5步 1、建立內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)12的數(shù)學(xué)模型
參見(jiàn)圖1，無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)11的3個(gè)輸入變量是可測(cè)轉(zhuǎn)矩繞組的定子電壓&w、 th和同步轉(zhuǎn)速W1，該定子電壓和同步轉(zhuǎn)速W1為直接可測(cè)變量；2個(gè)輸出變量是 可測(cè)的轉(zhuǎn)矩繞組的定子電流內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)12的1個(gè)輸入變量是轉(zhuǎn)速ωΓ,轉(zhuǎn) 速Ojr是無(wú)軸承異步電機(jī)的待測(cè)轉(zhuǎn)速；7個(gè)輸出變量是可測(cè)轉(zhuǎn)矩繞組的定子電壓usld、uslq,
定子電流isW、i_、同步轉(zhuǎn)度 以及可測(cè)變量定子電流isW、i_的一階導(dǎo)數(shù)(^口^這了個(gè)輸出。對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)11構(gòu)造內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)12的數(shù)學(xué)模型，對(duì)采用電壓控 制PWM逆變器供電的無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)11，在轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo) 系下轉(zhuǎn)矩繞組的數(shù)學(xué)模型為
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)速度傳感器構(gòu)造方法，其特征是依次具有如下步驟1)對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)(11)構(gòu)造內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)(12)的數(shù)學(xué)模型，無(wú)軸承異步 電機(jī)原系統(tǒng)(11)的輸入變量是轉(zhuǎn)矩繞組的定子電壓和同步轉(zhuǎn)速《 i、輸出變量是轉(zhuǎn) 矩繞組的定子電流和；內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)(12)的輸入變量是待測(cè)轉(zhuǎn)速《,、輸出變量 是轉(zhuǎn)矩繞組的定子電壓、定子電流isW、i_、同步轉(zhuǎn)度 以及定子電流isW、i_的一階導(dǎo)數(shù)U詢這7個(gè)輸出變量；2)建立內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)(12)的無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)(2)，無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn) 速左逆系統(tǒng)(2)的輸入為內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)(12)的所述7個(gè)輸出變量、輸出為待測(cè)轉(zhuǎn)速Ojr ；3)采用7個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)加2個(gè)微分器S構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)逆(32)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(32)的輸入分別為所述定子電壓，定子電流isW、i_和同步 轉(zhuǎn)速W1、輸出為待測(cè)轉(zhuǎn)速OJr;4)對(duì)靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)整并確定靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的各個(gè)權(quán)系數(shù)以實(shí) 現(xiàn)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)(2)；5)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(32)串接于無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)(11)之后構(gòu)造成無(wú)速度傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)速度傳感器構(gòu)造方法，其特征 是步驟4)中靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的各個(gè)權(quán)系數(shù)確定方法是先將定子電壓、定子電 流厶w、之h和同步轉(zhuǎn)速W1信號(hào)加在無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)(11)的輸入端，采集待測(cè)轉(zhuǎn)速 Qr ；再將定子電流isW、i_離線分別求其一階導(dǎo)數(shù)，組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本集；最后采用 帶動(dòng)量項(xiàng)和變學(xué)習(xí)率的誤差反傳BP算法對(duì)靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)進(jìn)行訓(xùn)練，輸出均方誤差小 于 0. 001。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)速度傳感器構(gòu)造方法，其特征 是步驟3)中靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的第一、第二、第三個(gè)輸入分別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(32)的第一、 第二、第三個(gè)輸入；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的第三個(gè)輸入經(jīng)一微分器S的輸出為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (31)的第四個(gè)輸入，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的第五個(gè)輸入是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(32)的第四個(gè)輸入，靜 態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的第五個(gè)輸入經(jīng)另一微分器S的輸出為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的第六個(gè)輸入， 靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的第七個(gè)輸入是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(32)的第五個(gè)輸入；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(31)的 輸出是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(32)的輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種檢測(cè)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)速度傳感器構(gòu)造方法，先對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)構(gòu)造內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，再建立內(nèi)含轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)，然后采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加2個(gè)微分器S構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆，對(duì)靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)整并確定靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)權(quán)系數(shù)以實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速左逆系統(tǒng)；最后將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆串接于無(wú)軸承異步電機(jī)原系統(tǒng)之后構(gòu)造成無(wú)速度傳感器；省略原系統(tǒng)的光電編碼器及其接口電路，降低控制系統(tǒng)的成本，能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行高精度控制，有很強(qiáng)的自適應(yīng)性、魯棒性和容錯(cuò)性，具有較強(qiáng)的泛化能力和自適應(yīng)能力。
文檔編號(hào)H02P21/14GK102130647SQ20111000356
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者孫曉東, 張婷婷, 朱熀秋, 楊澤斌 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)