本发明专利技术公开一种五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器及构造方法，将三个扩展的电流滞环PWM逆变器、开关功率放大器及五自由度无轴承同步磁阻电机组成复合被控对象；用5个支持向量机2阶系统、1个支持向量机1阶系统以及11个积分器构造支持向量机α阶逆系统并离线训练，将支持向量机α阶逆系统置于复合被控对象之前共同组成伪线性系统，伪线性系统等效为5个位置二阶积分子系统和1个位置一阶积分子系统；分别针对这6个积分子系统设计5个位置控制器和一个转速控制器后构成线性闭环控制器；本发明专利技术采用最小二乘支持向量机逼近非线性系统的a阶逆模型，实现各个被控量之间的动态解耦控制，有效提高整个系统的控制性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器及其构造方法，适用 于高速及超高速电气传动领域。无轴承同步磁阻电机在机床主轴、涡轮分子泵、离心机、压 缩机、机电贮能、航空航天等特殊电气传动领域具有广泛的应用前景，属于电气传动控制 设备的
技术介绍
与传统无轴承电机相比，同步磁阻电机具有诸多优势转子上省略了永磁体，也无 励磁绕组，结构简单，运行可靠，成本低，还因其可以实现很高的凸极比，从而同时具有高转 矩密度、快速动态响应、低转矩脉动、低损耗、高功率因数等优点，更加适合高速及高精度应 用领域。将无轴承技术及磁轴承技术应用于同步磁阻电机，即利用磁场力将转子悬浮于空 中，使转子和定子之间无任何机械接触，使无轴承同步磁阻电机不仅具有同步磁阻电机的 优点，又具有无润滑、寿命长、无摩擦、无机械噪声等优势，满足了众多场合需要高速或超高 速电气传动的要求，在高速电气传动等特殊应用场所有着独特优势。五自由度无轴承同步磁阻电机是一个非线性、强耦合的多输入多输出系统，对其 进行动态解耦控制是实现无轴承同步磁阻电机稳定可靠工作的关键。如果采用分散控制方 法对系统进行控制，则忽略了系统各个变量之间的耦合作用，无法满足高速高精度运转的 要求，必须对系统进行解耦，分别独立控制磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机的径向 悬浮力以及电磁转矩。常用的解耦控制方法中，矢量控制只能实现转矩和悬浮力的静态解耦控制，其动 态响应性能还不能令人满意；微分几何方法虽然可以实现系统的动态解耦，但是需要将问 题变换到几何域中来讨论，并且使用的数学工具相当复杂、抽象；逆系统方法可以实现系统 的动态解耦，但是需要知道被控对象的精确数学模型，难以应用于工程实践中；神经网络逆 解耦控制能够在解析逆难以求得的情况下实现系统的动态解耦，但神经网络在理论和设计 方法上还存在学习速度慢、训练时间长，理想的样本提取困难，网络结构不易优化等难以克 服的缺陷。专利申请号为201010117622. 4、名称为无轴承同步磁阻电机支持向量机逆系统复合控制器，采用支持向量机逆系统复合控制器对二自由度无轴承同步磁阻电机进行解耦 控制，其针对的控制对象是二自由度无轴承同步磁阻电机，但对由二自由度无轴承同步磁 阻电机和三自由度主动磁轴承构成的结构更为复杂的五自由度无轴承同步磁阻电机却无 法进行解耦控制，五自由度无轴承同步磁阻电机不仅电机的结构更为复杂，而且由于在建 立系统运动方程时，将转子看作刚体并且考虑系统的各自由度之间的耦合问题和系统的陀 螺效应，使得其数学模型、控制方法、解耦难度与二自由度无轴承同步磁阻电机存在本质区 别。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的缺陷而提供一种基于最小二乘支持向量 机的五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器，既可实现磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮 力、电机径向悬浮力和电磁转矩之间的解耦控制，又可获得良好的各项控制性能指标，如转 子径向位置动、静态调节特性及转矩、速度调节性能。本专利技术同时还提供该五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器的构造方法，针对 五自由度无轴承同步磁阻电机这个非线性、强耦合复杂系统，采用最小二乘支持向量机构 造复合控制对象的逆系统模型，实现对磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机径向悬浮力 和电磁转矩这6个变量的独立控制。本专利技术五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器采用的技术方案是五自由度无 轴承同步磁阻电机包括三自由度主动磁轴承a、二自由度无轴承同步磁阻电机b和转子e， 五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器由伪线性系统及串接之前的线性闭环控制器组 成，伪线性系统由复合被控对象及串接之前的支持向量机α阶逆系统组成，复合被控对象 由三个扩展的电流滞环PWM逆变器及开关功率放大器与五自由度无轴承同步磁阻电机共 同组成，第一扩展的电流滞环PWM逆变器和开关功率放大器分别串接三自由度主动磁轴承 a之前，第二、第三扩展的电流滞环PWM逆变器分别串接二自由度无轴承同步磁阻电机b之 前；支持向量机α阶逆系统由5个支持向量机2阶系统和一个支持向量机1阶系统加11 个积分器组成，线性闭环控制器由五个转子位置控制器及一个转速控制器组成。本专利技术五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器的构造方法的技术方案是采 用如下步骤1)将三个扩展的电流滞环PWM逆变器、开关功率放大器及五自由度无轴 承同步磁阻电机组成复合被控对象；2)先用5个支持向量机2阶系统、1个支持向量 机1阶系统以及11个积分器构造支持向量机α阶逆系统，第一扩展的电流跟踪逆 变器以支持向量机α阶逆系统输出的三自由度主动磁轴承a的控制电流分量参考值i和4·为其输入，开关功率放大器以支持向量机α阶逆系统输出的三自由度主动磁轴承a的控制电流分量参考值^为其输入，第二扩展的电流跟踪逆变器以支持向量机α阶逆系统输出的二自由度无轴承同步磁阻电机b的径向位移控制电流分量参考值‘和‘为其输入，第三扩展的电流跟踪逆变器以支持向量机α阶逆系统输出的二自由度无轴承同步磁阻电机b的转速控制电流分量参考值<和选定的常数^为其输入；再离线训练支持向量机α阶逆系统；3)将支持向量机α阶逆系统置于复合被控对象之前共同组成伪线性系统，伪 线性系统等效为5个位置二阶积分子系统和1个位置一阶积分子系统；4)分别针对6个所 述积分子系统设计5个位置控制器和一个转速控制器后构成线性闭环控制器；5)将线性闭 环控制器、支持向量机α阶逆系统、复合被控对象共同构成五自由度无轴承同步磁阻电机 解耦控制器。本专利技术的有益效果在于1.本专利技术针对五自由度无轴承同步磁阻电机这一非线性、强耦合的多输入多输出系 统，采用最小二乘支持向量机逼近非线性系统的的a阶逆模型，构造复合被控对象的a阶逆 模型，不需要知道被控系统的精确数学模型，克服了逆系统方法难以求得解析逆的难题。通过将系统线性化和解耦成为6个互相独立的线性积分子系统来实现各个被控量之间的动 态解耦控制，将复杂的非线性耦合控制问题变为简单的线性控制问题，进而使控制系统设计 得以简化并容易达到系统所要求的性能指标，不仅实现了五自由度无轴承同步磁阻电机转子 的稳定悬浮，而且使得磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机径向悬浮力和电磁转矩6者之 间实现独立控制，并有效的提高了整个系统的控制性能，获得优良的静、动态特性。采用的最 小二乘支持向量机方法是在经验风险最小化的基础上同时采用了结构风险最小化准则，较好 地解决了神经网络等传统的机器学习方法中的过学习、维数灾难以及过早收敛等问题，具有 很高的推广应用价值，并且为其它无轴承电机及磁轴承解耦控制提供了一条有效途径。2.径向悬浮力控制采用三相功率逆变电路，轴向悬浮力控制采用开关功率放大 器，使得五自由度无轴承同步磁阻电机的控制方法简单，结构紧凑，功耗低，成本下降，摆脱 了传统磁轴承支承的电机结构复杂，临界转速低，控制系统复杂，功率放大器造价高，体积 大等缺陷。3.针对五个转子位置二阶积分线性子系统和一个速度一阶积分线性子系统，可进 一步采用PID、极点配置、线性最优二次型调节器或鲁棒伺服调节器等方法分别设计一个转 速控制器和五个位置控制器，组成线性闭环控制器，使系统获得高性能的转速、位置控制以 及抗负载扰动的运行性能。4.本专利技术控制器实现了本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器，五自由度无轴承同步磁阻电机（１）包括三自由度主动磁轴承ａ、二自由度无轴承同步磁阻电机ｂ和转子ｅ，其特征在于： 所述五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制器由伪线性系统（９）及串接之前的线性闭环控制器（７）组成，所述伪线性系统（９）由复合被控对象（８）及串接之前的支持向量机α阶逆系统（６）组成，所述复合被控对象（８）由三个扩展的电流滞环ＰＷＭ逆变器（２、３、４）及开关功率放大器（５）与五自由度无轴承同步磁阻电机（１）共同组成，第一扩展的电流滞环ＰＷＭ逆变器（２）和开关功率放大器（５）分别串接三自由度主动磁轴承ａ之前，第二、第三扩展的电流滞环ＰＷＭ逆变器（３、４）分别串接二自由度无轴承同步磁阻电机ｂ之前；所述支持向量机α阶逆系统（６）由５个支持向量机２阶系统（６１、６２、６３、６４、６５）和一个支持向量机１阶系统（６６）加１１个积分器组成，所述线性闭环控制器（７）由五个转子位置控制器（７１、７２、７３、７４、７５）及一个转速控制器（７６）组成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱熀秋，刁小燕，阮颖，张婷婷，李衍超，李天博，张涛，孙晓东，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32
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