基于轉矩逆的無軸承異步電機轉子振動補償控制系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及特種交流電機驅動控制技術領域，尤其適用于無軸承異步電機的高精 度磁懸浮運行控制，是一種實用的基于轉矩逆的轉子不平衡振動控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 無軸承電機是基于磁軸承與交流電機定子結構的相似性，近年來發(fā)展起來的適合 于高速運轉的新型電機，在航空航天、物料密封傳輸、先進制造等領域具有廣泛的應用前 景。作為旋轉驅動電機，由于材質不均、加工精度、裝配誤差等原因，不可避免會存在一定程 度的轉子質量偏心，在旋轉時將產(chǎn)生與轉速同頻的不平衡激振力，導致轉子不平衡振動，影 響轉子的懸浮控制精度。
[0003] 經(jīng)對現(xiàn)有文獻和專利的檢索發(fā)現(xiàn)，關于無軸承電機的轉子不平衡振動控制技術， 國內外的研究成果較少，現(xiàn)有研究主要集中在同步型無軸承電機控制，而且沒有進行轉子 位移的有效分解，基本都是在傳統(tǒng)靜態(tài)磁場定向控制的基礎上對不平衡激振力進行補償。 無軸承異步電機具有健壯的機械結構、適合于高速運行的特點，為在轉矩系統(tǒng)高性能動態(tài) 控制的基礎上提高其轉子徑向位移控制的精度和實時性，急需在其轉矩系統(tǒng)逆動態(tài)解耦控 制的基礎上，對轉子隨機位移和不平衡振動位移進行有效分解和獨立控制，給出適于無軸 承異步電機的轉子振動補償控制系統(tǒng)結構。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的主要目的在于，提供一種基于轉矩逆的無軸承異步電機轉子振動補償控 制系統(tǒng)，所解決的技術問題是在轉矩系統(tǒng)逆動態(tài)解耦控制的基礎上對轉子徑向位移進行分 離和綜合補償控制，實現(xiàn)轉矩系統(tǒng)逆動態(tài)解耦控制與無軸承異步電機轉子位移分離補償控 制的有機結合。
[0005] 本發(fā)明是采用以下技術方案及技術措施來實現(xiàn)的。
[0006] 本發(fā)明提出一種基于轉矩逆的無軸承異步電機轉子振動補償控制系統(tǒng)，包括逆動 態(tài)解耦轉矩控制系統(tǒng)，以及轉子徑向位移分離與不平衡力補償控制系統(tǒng)，其中， 所述逆動態(tài)解親轉矩控制系統(tǒng)包括考慮電流動態(tài)的轉矩逆系統(tǒng)、考慮電流動態(tài)的轉矩 原系統(tǒng)、轉子磁鏈調節(jié)器及電機轉速調節(jié)器，所述轉矩逆系統(tǒng)串接在轉矩原系統(tǒng)之前形成 轉子磁鏈和電機轉速兩個二階線性子系統(tǒng)，所述轉矩原系統(tǒng)包括反電壓型SPffM逆變器、轉 子磁鏈觀測器及無軸承異步電機，轉矩逆系統(tǒng)輸出的解耦控制變量經(jīng)反矢量坐標變換送入 電壓型SPffM逆變器，輸出三相轉矩繞組電流量到無軸承異步電機，由轉子磁鏈觀測器得到 的轉子磁鏈相位角用于反矢量坐標變換，所述轉子磁鏈調節(jié)器及電機轉速調節(jié)器對應連接 到轉矩原系統(tǒng)輸出端和轉矩逆系統(tǒng)輸入端，構成轉子磁鏈與電機轉速的動態(tài)解耦閉環(huán)控制 系統(tǒng)； 所述轉子徑向位移分離與不平衡力補償控制系統(tǒng)包括轉子徑向位移分離補償控制器 及電流跟蹤控制PWM逆變器，結合所述轉矩逆系統(tǒng)的狀態(tài)變量，轉子徑向位移分離補償控 制器首先把轉子徑向位移信號分離為隨機位移與不平衡振動位移分量信號，然后對兩類位 移分量信號分別獨立調節(jié)，與不平衡單邊電磁補償力給定信號比較后，得到綜合磁懸浮控 制力給定信號，最后通過力/流變換得到綜合磁懸浮控制電流給定信號，結合所述逆動態(tài) 解耦轉矩控制系統(tǒng)的轉子磁鏈相位角，對該綜合磁懸浮控制電流給定信號進行反矢量坐標 變換，再送入所述電流跟蹤控制PWM逆變器，得到三相磁懸浮控制電流給無軸承異步電機 的三相懸浮繞組，實現(xiàn)轉矩系統(tǒng)逆動態(tài)解耦控制與無軸承轉子位移分離補償控制的有機結 合。
[0007] 較佳的，前述基于轉矩逆的無軸承異步電機轉子振動補償控制系統(tǒng)，所述考慮電 流動態(tài)的轉矩原系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
式中，定義α β為靜止兩相對稱正交坐標系，dq為轉矩系統(tǒng)轉子磁鏈定向 同步旋轉兩相對稱正交坐標系，選取dq坐標系中的定子電壓分量為輸入變量，即
同時選取轉矩系統(tǒng)的狀態(tài)變量為.X ·二（AHpXsAF 二妒妁*辦f，輸出變量，
嘰同步角速度的 算式為珥=巧+4以$ 0')??，於為轉矩繞組的磁極對數(shù)，Cti為轉子旋轉角速度， 為轉矩繞組的電流分量，為轉矩繞組的電壓分量，J；為轉子時常， 、％:為定、轉子電阻，P為微分算子，料*為轉子磁鏈幅值，燙r為轉子磁鏈相位角，1^為而 坐標系中轉矩繞組等效互感，分別為而坐標系中轉矩繞組定、轉子漏感，:?為而 坐標系中轉矩繞組自感，.?=:?:??,?為成坐標系中轉子繞組自感，為 漏磁系數(shù)，j為負載扭矩，
[0008] 較佳的，前述基于轉矩逆的無軸承異步電機轉子振動補償控制系統(tǒng)，所述考慮電 流動態(tài)的轉矩原系統(tǒng)的是由如下方法得到的： (1) 定義α β為靜止兩相對稱正交坐標系，dq為轉矩系統(tǒng)轉子磁鏈定向同步旋轉兩相 對稱正交坐標系； (2) 建立基于轉子磁鏈定向的轉矩系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型：
建立轉子磁鏈觀測模型：
其中，電機同步角速度的算式為，為轉矩繞組的磁極對 數(shù)，_為轉子旋轉角速度，為轉矩繞組的A dtt電流分量，驟&?、_%為轉矩繞組的 ?Λ碗電壓分量，_為轉子時常，:_、暴為定、轉子電阻，ρ為微分算子為轉子磁鏈幅 值，:?，為轉子磁鏈相位角，::％為而坐標系中轉矩繞組等效互感，1?、:分別為而坐標 系中轉矩繞組定、轉子漏感，:?為而坐標系中轉矩繞組自感，為而坐標系 中轉子繞組自感，，(67為漏磁系數(shù)，〗 1為負載扭矩； (3) 為引入轉矩系統(tǒng)的定子電流動態(tài)微分方程，選取dq坐標系中的定子電壓分量為輸 入變量，即軾啤__纟,二，同時選取轉矩系統(tǒng)的狀態(tài)變量為尤二 輸出變量'………… …
(4) 由步驟（2)、（3)，得到考慮電流動態(tài)的轉矩原系統(tǒng)狀態(tài)方程：
[0009] 較佳的，前述基于轉矩逆的無軸承異步電機轉子振動補償控制系統(tǒng)，所述考慮電 流動態(tài)的轉矩逆系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
該轉矩逆系統(tǒng)的輸出變量為即是所述轉矩原系統(tǒng)的輸入變量。
[0010] 較佳的，前述基于轉矩逆的無軸承異步電機轉子振動補償控制系統(tǒng)，其中所述考 慮電流動態(tài)的轉矩逆系統(tǒng)是由如下方法得到的： (1) 根據(jù)Interacted算法得出轉矩原系統(tǒng)是可逆的，對轉矩原系統(tǒng)的輸出變量 丨f 對時間求二階導數(shù)，得到：
(2) 取轉矩逆系統(tǒng)的輸入變量為，，則由步驟（1)中表達式得到 轉矩原系統(tǒng)的輸入變量表達式，即是考慮電流動態(tài)的轉矩逆系統(tǒng)的狀態(tài)方程： 嚴、$
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[0011] 較佳的，前述基于轉矩逆的無軸承異步電機轉子振動補償控制系統(tǒng)，其中所述轉 子徑向位移分離與不平衡力補償控制系統(tǒng)中將轉子徑向位移信號經(jīng)轉子徑向位移分離補 償控制器處理得到綜合磁懸浮控制電流給定信號的方法是： (1) 定義?/κ為隨無軸承異步電機轉子同步旋轉的機械坐標系，對轉子徑向位移信號α 和β進行轉子同步旋轉坐標變換，經(jīng)低通濾波器提取出?/κ坐標系中的轉子不平衡振動位 移{目號、??? ; (2) 刈〃…、'?說進行反轉子同步旋轉坐標變換，得到α β坐標系中的不平衡振動位移 信號心、處^再將心、瓦與當前轉子徑向位移信號α和β對應比較，獲得靜止α β坐標 系中的轉子隨機位移信號::?，實現(xiàn)隨機位移與不平衡振動位移的有效分離； (3) 對轉子隨機位移信號A、爲進行零值給定閉環(huán)調節(jié)，得到靜止α β坐標系中的隨 機位移控制力給定信號，用以控制轉子隨機位移；與此同時，對轉子不平衡振動 位移信號遍·、-進行零值給定閉環(huán)調節(jié)，獲得w坐標系中的不平衡振動補償控制力給定 信號1^ :再對進行反轉子同步旋轉變換，得到靜止α β坐標系中的不平 衡振動補償力給定信號用以控制α β坐標系中的轉子不平衡振動位移； (4) 將無軸承異步電機轉子的當前徑向位移信號α、β送入單邊電磁拉力補償器，得 到不平衡單邊電磁補償力給定信號:應、||