无轴承异步电机的不平衡振动控制系统技术方案

本发明专利技术提出一种无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，由无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统和不平衡激振力前馈补偿系统构成，所述转子磁链定向逆解耦控制系统包括原系统、逆系统及四个调节器，实现电磁转矩、转子磁链、随机位移分量的动态解耦控制；所述不平衡激振力前馈补偿系统包括LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器和力/流变换模块，利用简便步长因子调整函数动态调节不平衡位移提取速度与精度；将前馈补偿系统的输出与逆系统输出的稳态随机位移电流叠加，构成磁悬浮动态解耦控制系统。本发明专利技术省掉了逆系统中不可预测的负载转矩在线辨识和原系统的定子电流闭环环节，可有效抑制不平衡激振力的影响，提高控制精度及性能。

【技术实现步骤摘要】
无轴承异步电机的不平衡振动控制系统
本专利技术涉及交流电机驱动与控制
，尤其适用于无轴承异步电机高性能动态解耦控制，是一种具有较强振动抑制效果的无轴承异步电机不平衡振动控制系统。
技术介绍
无轴承电机是近年来发展起来的适合于高速运转的新型电机，在航空航天、物料密封传输、先进制造等领域具有广泛的应用前景。无轴承电机作为旋转驱动电机，由于材质不均、加工精度、装配误差等原因，不可避免会存在一定程度的转子质量偏心，在旋转时将产生与转速同频的离心激振力，导致转子不平衡振动或径向位移波动，影响转子的悬浮控制精度。悬浮转子的径向位移，可分为随机位移和不平衡振动位移两部分。关于无轴承电机的转子不平衡振动控制技术，现有技术大多是同步型无轴承电机的不平衡振动位移的补偿控制，选用的步长函数较复杂且未给出快速调节与慢速调节步长因子之间临界跟踪误差的调节方法。目前，关于异步型无轴承电机的不平衡振动控制，“振动位移的补偿控制”，还是“不平衡激振力的补偿控制”，一直未见适用的设计被发展完成，是当前业界急需改进的目标。为提高无轴承异步电机的运行控制性能，需要在解耦控制基本系统的基础上，采用科学合理的“不平衡激振力的补偿控制”措施和控制系统结构。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，提供一种二极悬浮控制四极无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，以克服现有无轴承异步电机不平衡振动控制技术存在的问题，提高无轴承异步电机的运行控制性能。本专利技术具体是采用以下技术方案及技术措施来实现的。本专利技术提出一种无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，所述的不平衡振动控制系统由无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统和不平衡激振力前馈补偿系统构成；所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统包括无轴承异步电机转子磁链定向原系统、无轴承异步电机转子磁链定向逆系统及四个调节器，其中，所述无轴承异步电机转子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机转子磁链定向原系统之前，使无轴承异步电机系统动态解耦为四个线性积分二阶子系统：转速子系统、转子磁链子系统及α和β径向位移子系统，该四个线性积分二阶子系统的输出分别通过四个调节器又连接到无轴承异步电机转子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统；所述不平衡激振力前馈补偿系统包括LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器和力/流变换模块，其中，该LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器的输入为所述α和β径向位移子系统输出的转子径向位移信号和，及转速子系统输出的转子旋转机械角速度，输出为不平衡振动补偿控制力信号和；该力/流变换模块是将和进行力/流变换，得到不平衡振动前馈补偿控制电流信号、；将所述不平衡激振力前馈补偿系统输出的不平衡振动前馈补偿控制电流、分别与所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统的逆系统输出的两个稳态随机位移控制电流、进行叠加，并连接到原系统，即可在所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统的基础上，构成所述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统。较佳的，前述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其中所述无轴承异步电机转子磁链定向原系统的动态数学模型是：，其中，无轴承异步电机的输入变量u、状态变量x、输出变量y分别为：，、分别为转矩绕组定子电压的d、q轴分量，、分别为转矩绕组定子电流的d、q轴分量，为转矩系统的转子磁链，为转子旋转角频率，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，为dq坐标系中等效两相转矩系统的互感，为dq坐标系中的等效两相转矩绕组的自感，，为dq坐标系中的等效两相转子绕组的自感，，、分别为转矩系统在dq坐标系中的定、转子漏感，为负载转矩，p1为转矩绕组的磁极对数，J为转动惯量，m为转子质量，、是转子单边电磁拉力分量,，，，，，，Rs1是定子电阻，Rr1是转子电阻。较佳的，前述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其中所述无轴承异步电机转子磁链定向逆系统的数学模型为：，该逆系统的数学模型是结合所述原系统的动态模型，并考虑转矩绕组电流动态得出的，逆系统的输入量为。较佳的，前述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其中所述四个调节器为一个转速调节器、一个磁链调节器及两个位移调节器，所述转速子系统连接转速调节器，所述转子磁链子系统连接磁链调节器，所述α和β径向位移子系统分别连接两个径向位移调节器。较佳的，前述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，由所述LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器输出不平衡振动补偿控制力信号和的方法步骤如下：（1）将所述转子旋转机械角速度代入公式：，得出LMS滤波器的双参考输入信号和；（2）将所述转子径向位移信号及双参考输入信号和送入LMS滤波器，提取出α方向的转子不平衡振动位移信号的最佳估计值；将所述转子径向位移信号及双参考输入信号和送入LMS滤波器，提取出β方向的转子不平衡振动位移信号的最佳估计值；（3）分别对、进行转子同步旋转变换、零值给定值闭环反馈调节及反转子同步旋转变换，得到所述不平衡振动补偿控制力信号和。较佳的，前述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其中由所述LMS滤波器得到、的方法是：（1）将双参考信号和代入不平衡振动位移信号的估值表达式:，和为权值，得到水平方向的不平衡振动位移信号或垂直方向的不平衡振动位移信号；（2）对-与叠加，或-与叠加，可得到当前误差，将、及当前误差代入如下权值调整算式：，对和进行权值调整，式中，是步长因子，当达到稳态时，得到或的最佳估计值。较佳的，前述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其中，所述步长因子的调整函数为，当前误差为-与的叠加，或-与的叠加，a和c是调节步长因子随误差变化的参数，a＞0,控制步长因子调整函数的取值范围,保证不平衡振动位移的跟踪快速性和收敛稳定性，0＜c＜1,控制步长因子调整函数的形状，并以作为误差绝对值的临界点将步长因子调整阶段分为自适应快调步长阶段与自适应慢调步长阶段。较佳的，前述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其中所述力/流变换模块的力/流变换公式为：，其中，、分别为转矩系统气隙磁链的d、q轴分量，计算公式是：。与现有技术相比，本专利技术至少具有下列优点及有益效果：1、本专利技术在考虑定子电流动态的基础上构造了无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统，通过逆系统动态解耦，实现了无轴承异步电机的电磁转矩、转子磁链、随机径向位移等之间的动态解耦控制；2、无轴承异步电机转子磁链定向逆系统不再含有难以预测的负载转矩变量，取消了现有技术逆系统实现中的负载转矩在线辨识环节；逆系统法已经实现了转矩定子绕组d、q轴电流分量的动态解耦，不再需要现有技术中原系统的定子电流闭环调节环节，使整体控制系统的结构得到一定程度的简化；3、本专利技术的不平衡激振力前馈补偿系统，采用LMS滤波器，兼顾快速性和稳态精度,提取出无轴承异步电机转子不平衡振动位移的最佳估计值，进而得到不平衡振动补偿控制力信号和，该不平衡振动补偿控制力与转子不平衡离心激振力大小相等、方向相反，可抵消不平衡激振力的影响，消除或抑制了转子的不平衡振动位移；4、本专利技术在无轴承电机整体逆动态解耦控制的基础上加入激振力前馈补偿系统，可有效提高无轴承异步电机的旋转驱动控制性能、转子磁悬浮控制精度，具有较高的无轴承异步电机总体运行控制性能。附图说明图1是无轴承异步电机不平衡振动控制系统结构图，图1下部为考虑电流动态的无轴承本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其特征在于，所述的不平衡振动控制系统由无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统和不平衡激振力前馈补偿系统构成； 所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统包括无轴承异步电机转子磁链定向原系统、无轴承异步电机转子磁链定向逆系统及四个调节器，其中，所述无轴承异步电机转子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机转子磁链定向原系统之前，使无轴承异步电机系统动态解耦为四个线性积分二阶子系统：转速子系统、转子磁链子系统及α和β径向位移子系统，该四个线性积分二阶子系统的输出分别通过四个调节器又连接到无轴承异步电机转子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统； 所述不平衡激振力前馈补偿系统包括LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器和力/流变换模块，其中，该LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器的输入为所述α和β径向位移子系统输出的转子径向位移信号和，及转速子系统输出的转子旋转机械角速度，输出为不平衡振动补偿控制力信号和；该力/流变换模块是将和进行力/流变换，得到不平衡振动前馈补偿控制电流信号、；将所述不平衡激振力前馈补偿系统输出的不平衡振动前馈补偿控制电流、分别与所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统的逆系统输出的两个稳态随机位移控制电流、进行叠加，并连接到原系统，即可在所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统的基础上，构成所述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统。...

【技术特征摘要】
1.一种无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其特征在于，所述的不平衡振动控制系统由无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统和不平衡激振力前馈补偿系统构成；所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统包括无轴承异步电机转子磁链定向原系统、无轴承异步电机转子磁链定向逆系统及四个调节器，其中，所述无轴承异步电机转子磁链定向逆系统串接在无轴承异步电机转子磁链定向原系统之前，使无轴承异步电机系统动态解耦为四个线性积分二阶子系统：转速子系统、转子磁链子系统及α和β径向位移子系统，该四个线性积分二阶子系统的输出分别通过四个调节器又连接到无轴承异步电机转子磁链定向逆系统，构成闭环控制系统；所述不平衡激振力前馈补偿系统包括LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器和力/流变换模块，其中，该LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器的输入为所述α和β径向位移子系统输出的转子径向位移信号α(k)和β(k)，及转速子系统输出的转子旋转机械角速度ωr，输出为不平衡振动补偿控制力信号和该力/流变换模块是将和进行力/流变换，得到不平衡振动前馈补偿控制电流信号将所述不平衡激振力前馈补偿系统输出的不平衡振动前馈补偿控制电流分别与所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统的逆系统输出的两个稳态随机位移控制电流进行叠加，并连接到原系统，即可在所述无轴承异步电机转子磁链定向逆解耦控制系统的基础上，构成所述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统；其中，由所述LMS自适应滤波不平衡激振力补偿器输出不平衡振动补偿控制力信号和的方法步骤如下：(1)将所述转子旋转机械角速度ωr代入公式：得出LMS滤波器的双参考输入信号x1(k)和x2(k)，T为采样周期，kT表示信号采样时刻；(2)将所述转子径向位移信号α(k)及双参考输入信号x1(k)和x2(k)送入LMS滤波器，提取出α方向的转子不平衡振动位移信号的最佳估计值将所述转子径向位移信号β(k)及双参考输入信号x1(k)和x2(k)送入LMS滤波器，提取出β方向的转子不平衡振动位移信号的最佳估计值具体方法是：(2a)将双参考信号x1(k)和x2(k)代入不平衡振动位移信号的估值表达式:w1(k)和w2(k)为权值，得到水平方向的不平衡振动位移信号或垂直方向的不平衡振动位移信号(2b)对与α(k)叠加，或与β(k)叠加，可得到当前误差e(k)，将x1(k)、x2(k)及当前误差e(k)代入如下权值调整算式：对w1(k)和w2(k)进行权值调整，式中，μ(k)是步长因子，当达到稳态时，得到或的最佳估计值,所述步长因子μ(k)的调整函数为μ(k)＝a×[1-exp(-|c×e(k)|3)]，当前误差e(k)为α(k)与的叠加，或β(k)与的叠加,a和c是调节步长因子随误差变化的参数，a＞0,控制步长因子调整函数的取值范围,保证不平衡振动位移的跟踪快速性和收敛稳定性，0＜c＜1,控制步长因子调整函数的形状，并以作为误差e(k)绝对值的临界点将步长因子调整阶段分为自适应快调步长阶段与自适应慢调步长阶段；(3)分别对进行转子同步旋转变换、零值给定值闭环反馈调节及反转子同步旋转变换，得到所述不平衡振动补偿控制力信号和2.根据权利要求1所述无轴承异步电机的不平衡振动控制系统，其特征在于，其中所述无轴承异步电机转子磁链定向原系统的动态数学模型是：

【专利技术属性】
技术研发人员：卜文绍，刘跃敏，张前进，叶宇程，路春晓，程相辉，李自愿，张海涛，王晓红，乔岩茹，袁澜，肖隽亚，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41