無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及交流電機驅(qū)動與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其適用于無軸承異步電機高性能動 態(tài)解耦控制，是一種具有較強振動抑制效果的無軸承異步電機不平衡振動控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無軸承電機是近年來發(fā)展起來的適合于高速運轉(zhuǎn)的新型電機，在航空航天、物料 密封傳輸、先進制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無軸承電機作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機，由于材質(zhì) 不均、加工精度、裝配誤差等原因，不可避免會存在一定程度的轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，在旋轉(zhuǎn)時將 產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速同頻的離心激振力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡振動或徑向位移波動，影響轉(zhuǎn)子的懸浮控 制精度。
[0003] 懸浮轉(zhuǎn)子的徑向位移，可分為隨機位移和不平衡振動位移兩部分。關(guān)于無軸承電 機的轉(zhuǎn)子不平衡振動控制技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)大多是同步型無軸承電機的不平衡振動位移的補 償控制，選用的步長函數(shù)較復(fù)雜且未給出快速調(diào)節(jié)與慢速調(diào)節(jié)步長因子之間臨界跟蹤誤差 的調(diào)節(jié)方法。目前，關(guān)于異步型無軸承電機的不平衡振動控制，"振動位移的補償控制"，還 是"不平衡激振力的補償控制"，一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成，是當前業(yè)界急需改進的 目標。為提高無軸承異步電機的運行控制性能，需要在解耦控制基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用科 學合理的"不平衡激振力的補償控制"措施和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的主要目的在于，提供一種二極懸浮控制四極無軸承異步電機的不平衡振 動控制系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有無軸承異步電機不平衡振動控制技術(shù)存在的問題，提高無軸承異 步電機的運行控制性能。
[0005] 本發(fā)明具體是采用以下技術(shù)方案及技術(shù)措施來實現(xiàn)的。
[0006] 本發(fā)明提出一種無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，所述的不平衡振動控 制系統(tǒng)由無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)和不平衡激振力前饋補償系統(tǒng)構(gòu) 成； 所述無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)包括無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定 向原系統(tǒng)、無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)及四個調(diào)節(jié)器，其中，所述無軸承異步電機 轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)串接在無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向原系統(tǒng)之前，使無軸承異步電機 系統(tǒng)動態(tài)解耦為四個線性積分二階子系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)及a和0徑向位 移子系統(tǒng)，該四個線性積分二階子系統(tǒng)的輸出分別通過四個調(diào)節(jié)器又連接到無軸承異步電 機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)； 所述不平衡激振力前饋補償系統(tǒng)包括LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補償器和力/流變 換模塊，其中，該LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補償器的輸入為所述a和0徑向位移子系 統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)子徑向位移信號負幻和及轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機械角速度咚決） ,輸出為不平衡振動補償控制力信號和f//幻;該力/流變換模塊是將(身)和 進行力/流變換，得到不平衡振動前饋補償控制電流信號; 將所述不平衡激振力前饋補償系統(tǒng)輸出的不平衡振動前饋補償控制電流^2<#(幻、 匕9(幻分別與所述無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的逆系統(tǒng)輸出的兩個穩(wěn) 態(tài)隨機位移控制電流4^0：)、^#)進行疊加，并連接到原系統(tǒng)，即可在所述無軸承異步 電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)成所述無軸承異步電機的不平衡振動控制 系統(tǒng)。
[0007] 較佳的，前述無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其中所述無軸承異步電機 轉(zhuǎn)子磁鏈定向原系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型是：
【主權(quán)項】
1. 一種無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的不平衡振動控 制系統(tǒng)由無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)和不平衡激振力前饋補償系統(tǒng)構(gòu) 成； 所述無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)包括無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定 向原系統(tǒng)、無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)及四個調(diào)節(jié)器，其中，所述無軸承異步電機 轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)串接在無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向原系統(tǒng)之前，使無軸承異步電機 系統(tǒng)動態(tài)解耦為四個線性積分二階子系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)及α和β徑向位 移子系統(tǒng)，該四個線性積分二階子系統(tǒng)的輸出分別通過四個調(diào)節(jié)器又連接到無軸承異步電 機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)； 所述不平衡激振力前饋補償系統(tǒng)包括LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補償器和力/流變 換模塊，其中，該LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補償器的輸入為所述α和β徑向位移子系 統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)子徑向位移信號和及轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機械角速度呌(幻 ,輸出為不平衡振動補償控制力信號/C認)和/;該力/流變換模塊是將Ρ/β(森)和 (幻進行力/流變換，得到不平衡振動前饋補償控制電流信號; 將所述不平衡激振力前饋補償系統(tǒng)輸出的不平衡振動前饋補償控制電流伏)、 4??)分別與所述無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的逆系統(tǒng)輸出的兩個穩(wěn) 態(tài)隨機位移控制電流ι?ω(?ι、ζ2#+)進行疊加，并連接到原系統(tǒng)，即可在所述無軸承異步 電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)成所述無軸承異步電機的不平衡振動控制 系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于，其中所 述無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向原系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型是：
其中，無軸承異步電機的輸入變量《、狀態(tài)變量A輸出變量_7分別為：
uSIfl分別為轉(zhuǎn)矩繞組定子電壓的i/、dil分量，is+w Jsiq分別為轉(zhuǎn)矩繞組定子 電流的A遺I分量，Pd為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈，?<.為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率，A:是由電機結(jié)構(gòu) 決定的磁懸浮力系數(shù)，為??坐標系中等效兩相轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的互感，if為??坐標系中 的等效兩相轉(zhuǎn)矩繞組的自感,i si = iw- Z^為而坐標系中的等效兩相轉(zhuǎn)子繞組的自 感，￡;、*=￡·^ι~?ι,?，分別為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)在t/i?坐標系中的定、轉(zhuǎn)子漏感，Ji為負載轉(zhuǎn) 矩，A為轉(zhuǎn)矩繞組的磁極對數(shù)，/為轉(zhuǎn)動慣量，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，&、/β是轉(zhuǎn)子單邊電磁拉力分 量，?是定子電阻，忍i 是轉(zhuǎn)卞電阻。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于，其中所 述無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆系統(tǒng)的數(shù)學模型為：
該逆系統(tǒng)的數(shù)學模型是結(jié)合所述原系統(tǒng)的動態(tài)模型，并考慮轉(zhuǎn)矩繞組電流動態(tài)得出 的，逆系統(tǒng)的輸入量為
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于，其中所 述四個調(diào)節(jié)器為一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、一個磁鏈調(diào)節(jié)器及兩個位移調(diào)節(jié)器，所述轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)連 接轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，所述轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)連接磁鏈調(diào)節(jié)器，所述α和β徑向位移子系統(tǒng)分別連 接兩個徑向位移調(diào)節(jié)器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于，由所述 LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補償器輸出不平衡振動補償控制力信號(Ir)和/^7{太)的 方法步驟如下： ?γ ("A") = ) (1) 將所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機械角速度呌決)代入公式，得出LMS濾波器 的雙參考輸入信號Λ"!.(/<)和X2(&); (2) 將所述轉(zhuǎn)子徑向位移信號及雙參考輸入信號Xjfr)和；T2(Zf)送入LMS濾波器， 提取出α方向的轉(zhuǎn)子不平衡振動位移信號的最佳估計值 將所述轉(zhuǎn)子徑向位移信號/?(幻及雙參考輸入信號和；T2CAO送入LMS濾波器,提 取出β方向的轉(zhuǎn)子不平衡振動位移信號的最佳估計值 (3)分別對幻進行轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)變換、零值給定值閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)及反轉(zhuǎn)子 同步旋轉(zhuǎn)變換，得到所述不平衡振動補償控制力信號(A)和太)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于，其中由 所述LMS濾波器得到4Η(^)、/Ια·)的方法是： (1)將雙參考信號Xdfr)和心(幻代入不平衡振動位移信號的估值表達 式：4#)=W〗(A·片決)+w2(々)x2(A·), Ws (+Ii)和w2(/i)為權(quán)值，得到水平方向的不平衡振動 位移信號或垂直方向的不平衡振動位移信號瓦丨幻； ⑵對-4#〉與0#)疊加，或-/i,#.)與/P)疊加,可得到當前誤差< a.),將X1 (/〇 ,，、 if. (A' +1) = Mt1 (k) + 2μ(k )e(k )x. (^) j 、巧伙)及當前誤差ΚΑ·)代入如下權(quán)值調(diào)整算式：i" ,、 %ψ2( A- +1) = m>211：)+2/i( k )ii k )x2{A*) J ,對Wi(Ii)和iv2(fe)進行權(quán)值調(diào)整，式中，p(lc〕是步長因子，當達到穩(wěn)態(tài)時，得到i w(Al或 ji§m,(幻的最佳估計值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于，其 中所述步長因子的調(diào)整函數(shù)為exp(-kx<Kl+)| 3)],當前誤差￡#) 為-4伙)與α(Α-)的疊加，或-兔(幻與/峨+)的疊加，a和c是調(diào)節(jié)步長因子隨誤差變化的 參數(shù)，a > 〇,控制步長因子調(diào)整函數(shù)的取值范圍，保證不平衡振動位移的跟蹤快速性和收 斂穩(wěn)定性，〇 < C < 1，控制步長因子調(diào)整函數(shù)的形狀，并以+作為誤差絕對值的臨界點 ii C 將步長因子調(diào)整階段分為自適應(yīng)快調(diào)步長階段與自適應(yīng)慢調(diào)步長階段。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，其特征在于，其中 所述力/流變換模塊的力/流變換公式為
,其中，穿…Α?分別為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)氣隙磁鏈的A 4由分量，計算公式是：
【專利摘要】本發(fā)明提出一種無軸承異步電機的不平衡振動控制系統(tǒng)，由無軸承異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)和不平衡激振力前饋補償系統(tǒng)構(gòu)成，所述轉(zhuǎn)子磁鏈定向逆解耦控制系統(tǒng)包括原系統(tǒng)、逆系統(tǒng)及四個調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子磁鏈、隨機位移分量的動態(tài)解耦控制；所述不平衡激振力前饋補償系統(tǒng)包括LMS自適應(yīng)濾波不平衡激振力補償器和力/流變換模塊，利用簡便步長因子調(diào)整函數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)不平衡位移提取速度與精度；將前饋補償系統(tǒng)的輸出與逆系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)隨機位移電流疊加，構(gòu)成磁懸浮動態(tài)解耦控制系統(tǒng)。本發(fā)明省掉了逆系統(tǒng)中不可預(yù)測的負載轉(zhuǎn)矩在線辨識和原系統(tǒng)的定子電流閉環(huán)環(huán)節(jié)，可有效抑制不平衡激振力的影響，提高控制精度及性能。
【IPC分類】H02P21-05
【公開號】CN104660136
【申請?zhí)枴緾N201510104160
【發(fā)明人】卜文紹, 劉躍敏, 張前進, 葉宇程, 路春曉, 程相輝, 李自愿, 張海濤, 王曉紅, 喬巖茹, 袁瀾, 肖雋亞
【申請人】河南科技大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年3月11日