專利名稱：永磁型無(wú)軸承永磁同步電機(jī)無(wú)徑向位移傳感器控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)軸承電機(jī)的無(wú)徑向位移傳感器控制方法，尤其涉及一種永磁型無(wú)軸承同步電機(jī)的無(wú)徑向位移傳感器控制方法。
背景技術(shù)：
無(wú)軸承電機(jī)的懸浮控制需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子的徑向位置，一般是在電機(jī)端部安裝電渦流徑向位移傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子徑向位移。該方案存在以下局限性 (1)由于傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子徑向位移實(shí)際上是電機(jī)端部處的位移值，而不是電機(jī)定子繞組下轉(zhuǎn)子的位移值，必然給電機(jī)的懸浮控制帶來(lái)誤差； (2)位置傳感器的安裝和調(diào)試十分不便。為提高位移的測(cè)量精度，通常是采用4個(gè)位置傳感器互相垂直安裝構(gòu)成差動(dòng)式位移檢測(cè)。4個(gè)傳感器之間的垂直度及其與兩套繞組A相軸線(水平軸線)的重合度都會(huì)極大的影響到轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。在高速運(yùn)行情況下，傳感器所檢測(cè)的位移信號(hào)經(jīng)AD采樣和轉(zhuǎn)換的時(shí)間也要影響到無(wú)軸承電機(jī)的懸浮控制； (3)采用位移傳感器需要在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝測(cè)試盤，實(shí)際上增加了電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，增大了系統(tǒng)的體積，不利于無(wú)軸承電機(jī)向小型化、大功率、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展； (4)傳感器檢測(cè)易受外界環(huán)境的干擾，不同傳感器的測(cè)量精度均不同程度的受溫度飄移、電磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)、灰塵等因素的影響，從而降低了系統(tǒng)的可靠性； (5)高精度的位移傳感器本身價(jià)格昂貴，而且傳感器測(cè)量出來(lái)的信號(hào)需要額外的硬件調(diào)理電路，增加了系統(tǒng)的成本。
基于以上原因，采用無(wú)徑向位移傳感器技術(shù)是降低系統(tǒng)成本，縮短電機(jī)軸向長(zhǎng)度，減小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性的有效解決途徑之一。
當(dāng)前無(wú)軸承電機(jī)的無(wú)徑向位移傳感器技術(shù)主要是采用激勵(lì)信號(hào)注入法，利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮繞組的互感，或者懸浮繞組的自感與位移之間的關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)繞組兩端的差動(dòng)電壓來(lái)估算徑向位移，需要額外的信號(hào)提取和濾波硬件電路，信號(hào)精度和穩(wěn)定性較差。
模型參考自適應(yīng)的基本原理為對(duì)于一個(gè)可建立數(shù)學(xué)模型并且參數(shù)或變量不完全可測(cè)量的系統(tǒng)，可利用參考模型和可調(diào)模型的輸出誤差，設(shè)計(jì)一個(gè)可改變系統(tǒng)中的某一或某些參數(shù)(或不可測(cè)量的變量)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，使得參考模型和可調(diào)模型的輸出誤差為零。
目前模型參考自適應(yīng)已經(jīng)廣泛用于各類電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電阻等電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)，已經(jīng)取得了良好的效果。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于模型參考自適應(yīng)的永磁型無(wú)軸承同步電機(jī)無(wú)徑向位移傳感器控制方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 一種永磁型無(wú)軸承同步電機(jī)無(wú)徑向位移傳感器控制方法，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的三相電壓、電流，運(yùn)用模型參考自適應(yīng)原理，構(gòu)建模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊，由模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊估算出轉(zhuǎn)子的徑向位移
和
，并將所述位移信號(hào)
和
分別與給定的永磁型無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的參考位移信號(hào)x*和y*進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)位移環(huán)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后分別得到x軸和y軸的給定懸浮力Fx*和Fy*，然后由懸浮解耦控制算法得到懸浮控制所需的給定三相電流信號(hào)i2A*、i2B*、i2C*，并通過(guò)電流跟蹤型逆變器的調(diào)制得到實(shí)時(shí)控制的三相電流i2A、i2B、i2C。上述構(gòu)建模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊的步驟如下 (1)選擇參考模型與可調(diào)模型將以定子電流為狀態(tài)變量的無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)方程作為參考模型，將基于定子電流全維觀測(cè)器的狀態(tài)方程作為可調(diào)模型； (2)構(gòu)建參考模型 式中
分別為定子電壓、電流、磁鏈?zhǔn)噶浚渲邢聵?biāo)dq分別表示上述矢量在旋轉(zhuǎn)dq軸的分量，下標(biāo)1、2分別表示轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組，ω1、ω2分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組定子電流頻率，ψf為永磁體等效勵(lì)磁磁鏈，if為永磁體等效勵(lì)磁電流，R1s、R2s分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組定子電阻，L1d、L1q、L2d、L2q分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組電機(jī)dq軸電感，x、y為徑向位移，M′d、M′q為電機(jī)dq軸互感導(dǎo)數(shù)，p(＝d/dt)為微分算子。
將后式代入前式并忽略x、y的二次項(xiàng)，可得以定子電流為狀態(tài)變量的無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)方程，即參考模型
其中A、B、C為狀態(tài)方程矩陣 (3)構(gòu)建可調(diào)模型 基于參考模型的定子電流全維觀測(cè)器模型為
其中
為估計(jì)值，
和
為估算徑向位移，G為增益矩陣，
為用時(shí)變參數(shù)
和
分別代替A、B、C中的時(shí)不變參數(shù)x和y得到的狀態(tài)方程矩陣 (4)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將可調(diào)模型減去參考模型，可得到一個(gè)由線性定常正向環(huán)節(jié)和非線性時(shí)變反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)
定義狀態(tài)廣義誤差
則上式為
定義
則 (5)構(gòu)建轉(zhuǎn)子徑向位移自適應(yīng)律根據(jù)Popov超穩(wěn)定理論，由Popov積分不等式進(jìn)行逆向求解得到參數(shù)自適應(yīng)律。同時(shí)為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)際使用中采用PI自適應(yīng)方法
式中kpx、kpy、kIx、kIy分別為x，y方向上的PI參數(shù)，s為拉普拉斯算子。
本發(fā)明的基于模型參考自適應(yīng)的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)無(wú)徑向位移傳感器控制方法具有以下特點(diǎn)①在線辨識(shí)出轉(zhuǎn)子徑向位移，無(wú)需機(jī)械式位移傳感器；②系統(tǒng)成本降低，無(wú)軸承電機(jī)軸向長(zhǎng)度縮短，減小了系統(tǒng)體積；③無(wú)需信號(hào)激勵(lì)和額外的信號(hào)提取、濾波硬件電路。
圖1本發(fā)明的控制系統(tǒng)框圖； 圖2本發(fā)明的徑向位移模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)； 圖中標(biāo)號(hào)x*、y*為參考位移信號(hào)；
為估算位移信號(hào)；u1A，B，C、i1A，B，C轉(zhuǎn)矩控制繞組三相反饋電壓電流；u2A，B，C、i2A，B，C懸浮控制繞組三相反饋電壓電流；θ1*為電機(jī)轉(zhuǎn)角；ωr為轉(zhuǎn)子反饋角速度；ψlq為轉(zhuǎn)矩控制繞組氣隙磁鏈q軸分量；ψf為永磁體等效勵(lì)磁磁鏈；p1永磁體極對(duì)數(shù)；Lmq為勵(lì)磁電感q軸分量；
分別為電壓電流向量和估計(jì)電流向量；A、B、C為狀態(tài)方程矩陣。
具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合
如下 如圖1所示，本永磁型無(wú)軸承同步電機(jī)無(wú)徑向位移傳感器控制方法，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的三相電壓、電流，運(yùn)用模型參考自適應(yīng)原理，構(gòu)建模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊，由模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊估算出轉(zhuǎn)子的徑向位移
和
并將所述位移信號(hào)
和
分別與給定的永磁型無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的參考位移信號(hào)x*和y*進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)位移環(huán)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后分別得到x軸和y軸的給定懸浮力Fx*和Fy*，然后由懸浮解耦控制算法得到懸浮控制所需的給定三相電流信號(hào)i2A*、i2B*、i2C*，并通過(guò)電流跟蹤型逆變器的調(diào)制得到實(shí)時(shí)控制的三相電流i2A、i2B、i2C。
如圖2所示，上述構(gòu)建模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊的步驟如下 a)選擇參考模型與可調(diào)模型將以定子電流為狀態(tài)變量的無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)方程作為參考模型，將基于定子電流全維觀測(cè)器的狀態(tài)方程作為可調(diào)模型； b)構(gòu)建參考模型 式中
分別為定子電壓、電流、磁鏈?zhǔn)噶?，其中下?biāo)dq分別表示上述矢量在旋轉(zhuǎn)dq軸的分量，下標(biāo)1、2分別表示轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組，ω1、ω2分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組定子電流頻率，ψf為永磁體等效勵(lì)磁磁鏈，if為永磁體等效勵(lì)磁電流，R1s、R2s分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組定子電阻，L1d、L1q、L2d、L2q分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組電機(jī)dq軸電感，x、y為徑向位移，M′d、M′q為電機(jī)dq軸互感導(dǎo)數(shù)，p(＝d/dt)為微分算子。
將后式代入前式并忽略x、y的二次項(xiàng)，可得以定子電流為狀態(tài)變量的無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)方程，即參考模型
其中A、B、C為狀態(tài)方程矩陣 c)構(gòu)建可調(diào)模型基于參考模型的定子電流全維觀測(cè)器模型為
其中
為估計(jì)值，
和
為估算徑向位移，G為增益矩陣，
為用時(shí)變參數(shù)
和
分別代替A、B、C中的時(shí)不變參數(shù)x和y得到的狀態(tài)方程矩陣 d)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將可調(diào)模型減去參考模型，可得到一個(gè)由線性定常正向環(huán)節(jié)和非線性時(shí)變反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)
定義狀態(tài)廣義誤差
則上式為
定義
則 e)構(gòu)建轉(zhuǎn)子徑向位移自適應(yīng)律根據(jù)Popov超穩(wěn)定理論，由Popov積分不等式進(jìn)行逆向求解得到參數(shù)自適應(yīng)律。同時(shí)為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)際使用中采用PI自適應(yīng)方法
式中kpx、kpy、kIx、kIy分別為x，y方向上的PI參數(shù)，s為拉普拉斯算子。
權(quán)利要求
1.一種永磁型無(wú)軸承同步電機(jī)無(wú)徑向位移傳感器控制方法，其特征在于通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的三相電壓、電流，運(yùn)用模型參考自適應(yīng)原理，構(gòu)建模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊，由模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊估算出轉(zhuǎn)子的徑向位移
和
并將所述位移信號(hào)
和
分別與給定的永磁型無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的參考位移信號(hào)x*和y*進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)位移環(huán)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后分別得到x軸和y軸的給定懸浮力Fx*和Fy*，然后由懸浮解耦控制算法得到懸浮控制所需的給定三相電流信號(hào)i2A*、i2B*、i2C*，并通過(guò)電流跟蹤型逆變器的調(diào)制得到實(shí)時(shí)控制的三相電流i2A、i2B、i2C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁型無(wú)軸承同步電機(jī)無(wú)徑向位移傳感器控制方法，其特征在于所述構(gòu)建模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊的步驟如下
a)選擇參考模型與可調(diào)模型將以定子電流為狀態(tài)變量的無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)方程作為參考模型，將基于定子電流全維觀測(cè)器的狀態(tài)方程作為可調(diào)模型；
b)構(gòu)建參考模型
式中分別為定子電壓、電流、磁鏈?zhǔn)噶浚渲邢聵?biāo)dq分別表示上述矢量在旋轉(zhuǎn)dq軸的分量，下標(biāo)1、2分別表示轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組，ω1、ω2別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組定子電流頻率，ψf為永磁體等效勵(lì)磁磁鏈，if為永磁體等效勵(lì)磁電流，R1s、R2s分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組定子電阻，L1d、L1q、L2d、L2q分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組電機(jī)dq軸電感，x、y為徑向位移，M′d、M′q為電機(jī)dq軸互感導(dǎo)數(shù)，p(＝d/dt)為微分算子。
將后式代入前式并忽略x、y的二次項(xiàng)，可得以定子電流為狀態(tài)變量的無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)方程，即參考模型
其中A、B、C為狀態(tài)方程矩陣
c)構(gòu)建可調(diào)模型基于參考模型的定子電流全維觀測(cè)器模型為其中為估計(jì)值，
和
為估算徑向位移，G為增益矩陣，
為用時(shí)變參數(shù)
和
分別代替A、B、C中的時(shí)不變參數(shù)x和y得到的狀態(tài)方程矩陣
d)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將可調(diào)模型減去參考模型，可得到一個(gè)由線性定常正向環(huán)節(jié)和非線性時(shí)變反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)定義狀態(tài)廣義誤差則上式為定義
則
e)構(gòu)建轉(zhuǎn)子徑向位移自適應(yīng)律根據(jù)Popov超穩(wěn)定理論，由Popov積分不等式進(jìn)行逆向求解得到參數(shù)自適應(yīng)律；同時(shí)為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)際使用中采用PI自適應(yīng)方法
式中kpx、kpy、kIx、kIy分別為x，y方向上的PI參數(shù)，s為拉普拉斯算子。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種永磁型無(wú)軸承同步電機(jī)無(wú)徑向位移傳感器控制方法。本方法通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的三相電壓、電流，運(yùn)用模型參考自適應(yīng)原理，構(gòu)建模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊，由模型參考自適應(yīng)徑向位移估算模塊估算出轉(zhuǎn)子的徑向位移x和y，并將所述位移信號(hào)x和y分別與給定的永磁型無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的參考位移信號(hào)x*和y*進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)位移環(huán)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后分別得到x軸和y軸的給定懸浮力Fx*和Fy*，然后由懸浮解耦控制算法得到懸浮控制所需的給定三相電流信號(hào)i2A*、i2B*、i2C*，并通過(guò)電流跟蹤型逆變器的調(diào)制得到實(shí)時(shí)控制的三相電流i2A、i2B、i2C。本發(fā)明是一種降低系統(tǒng)成本，縮短無(wú)軸承電機(jī)軸向長(zhǎng)度，減小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性的無(wú)徑向位移傳感器控制方法。
文檔編號(hào)H02P6/18GK101667799SQ20091019657
公開(kāi)日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月27日
發(fā)明者仇志堅(jiān), 江建中 申請(qǐng)人:上海大學(xué)