本發(fā)明屬于電氣傳動中的穩(wěn)定控制領(lǐng)域，具體涉及基于改進(jìn)電壓模型法的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測方法及控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人們對電機(jī)的需求越來越大，要求也越來越高。和其他傳統(tǒng)電機(jī)相比，無軸承異步電機(jī)(bearinglessinductionmotor，bim)具有無摩擦、無磨損、無需潤滑、耐腐蝕、壽命長、能實(shí)現(xiàn)高速、超高速運(yùn)行等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在定期維修困難的生命科學(xué)領(lǐng)域，易受酸、堿腐蝕的化工領(lǐng)域，以及半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域。又因其結(jié)構(gòu)簡單、氣隙均勻、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在機(jī)械加工、中小型發(fā)電設(shè)備、人工心臟泵以及對精度要求較高的數(shù)控機(jī)床等特種電氣驅(qū)動/傳動領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用市場。然而，bim位移傳感器的安裝，阻礙了其高速運(yùn)行，除此之外，還增大了bim的軸向尺寸。因此開展對bim的無傳感器研究，對其低成本實(shí)用化運(yùn)行具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

為了解決位移傳感器的安裝帶來的弊端，經(jīng)過多年研究，bim無位移傳感器矢量控制取得了一定的成就：利用bim兩套繞組之間的互感和轉(zhuǎn)子徑向位移成線性關(guān)系這一特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)矩繞組兩端加上高頻信號，然后通過檢測懸浮繞組中的差分信號來獲取轉(zhuǎn)子徑向位移，從而達(dá)到轉(zhuǎn)子位移自檢測目的。還可根據(jù)懸浮繞組自感與轉(zhuǎn)子徑向位移成線性關(guān)系，在懸浮繞組兩端加上高頻信號，然后由檢測到的懸浮繞組差分信號得到轉(zhuǎn)子徑向位移。這些方法在一定條件下能夠達(dá)到檢測轉(zhuǎn)子位移的目的，但是，它們存在共同的缺點(diǎn)：注入的高頻信號極易和其他高頻諧波信號摻雜在一起，不容易分離，需要另外安裝信號處理裝置，使控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，同時(shí)也增加了成本投入，因此限制了bim向?qū)嵱没较虬l(fā)展。除此之外，研究人員還提出利用bim的精確數(shù)學(xué)模型，建立轉(zhuǎn)子位移觀測器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位移自檢測，但是該方法對電機(jī)參數(shù)要求較高，魯棒性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了基于改進(jìn)電壓模型法的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測方法及控制系統(tǒng)，能夠有效解決傳統(tǒng)方法利用bim的非理想特性，易受電機(jī)結(jié)構(gòu)以及參數(shù)影響，魯棒性差的問題；解決了高頻信號極易和其他高頻諧波信號摻雜在一起、不容易分離，且需要另外安裝信號處理裝置等缺點(diǎn)；避免機(jī)械式位移傳感器對bim高速運(yùn)行帶來的不利影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于改進(jìn)電壓模型法的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測方法，包括如下步驟：

s1，求無軸承異步電機(jī)徑向懸浮力繞組由轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移產(chǎn)生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β：

s1.1，在兩相靜止α-β坐標(biāo)系中，電機(jī)電感矩陣方程為：

式中，ψ1α、ψ1β分別表示轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈在α、β軸上的分量，ψ2α、ψ2β分別表示徑向懸浮力繞組磁鏈在α、β軸上的分量，l1、l2分別為轉(zhuǎn)矩繞組、懸浮力繞組的自感，m為轉(zhuǎn)矩繞組和徑向懸浮力繞組之間的互感，x、y分別為轉(zhuǎn)子在x軸、y軸上的偏移量，i1α、i1β分別表示轉(zhuǎn)矩繞組電流在α、β軸上的分量，i2α、i2β分別表示徑向懸浮力繞組電流在α、β軸上的分量；

s1.2，當(dāng)轉(zhuǎn)子質(zhì)心不發(fā)生偏移時(shí)，電機(jī)電感矩陣方程中的x、y為零，此時(shí)懸浮力繞組磁鏈為：

s1.3，若轉(zhuǎn)子質(zhì)心產(chǎn)生偏移，此時(shí)懸浮力繞組磁鏈為：

s1.4，由轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移而產(chǎn)生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β為：

s2，辨識懸浮力繞組磁鏈：

s2.1，在兩相靜止α-β坐標(biāo)系下，以懸浮力繞組定子磁鏈為狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)模型為：

式中，ψs2α、ψs2β分別表示徑向懸浮力定子繞組磁鏈在α、β軸上的分量，us2α、us2β分別表示徑向懸浮力定子繞組電壓在α、β軸上的分量，rs2表示徑向懸浮力定子繞組電阻，is2α、is2β分別表示徑向懸浮力定子繞組電流在α、β軸上的分量；

s2.2，以懸浮力繞組定子磁鏈為狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)模型變形為：

s2.3，采用低通濾波器代替s2.2模型中的純積分環(huán)節(jié)，提高辨識精度；

s3，得到轉(zhuǎn)子徑向自檢測位移：

由轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移而產(chǎn)生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β的表達(dá)式，可得轉(zhuǎn)子徑向位移為：

上述方案中，轉(zhuǎn)矩繞組和徑向懸浮力繞組之間的互感系數(shù)其中p為微分算子，m為電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量，l、r分別為轉(zhuǎn)子軸向長度、轉(zhuǎn)子半徑，μ0為空氣磁導(dǎo)率，n1、n2分別為轉(zhuǎn)矩繞組、徑向懸浮力繞組匝數(shù)。

由基于改進(jìn)電壓模型法的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測方法確定的控制系統(tǒng)，包括懸浮部分、中間部分和旋轉(zhuǎn)部分，所述懸浮部分得到bim徑向懸浮力繞組三相電流值i2a、i2b和i2c，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的懸??；所述旋轉(zhuǎn)部分得到bim轉(zhuǎn)矩繞組三相電流值i1a、i1b、i1c，由轉(zhuǎn)矩繞組的三相電流值控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)；中間部分將懸浮部分和旋轉(zhuǎn)部分得到的數(shù)據(jù)經(jīng)3s/2s坐標(biāo)變換，得到α、β軸上的分量，由無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測方法求得轉(zhuǎn)子在x、y軸上的徑向偏移距離x、y。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明通過對電機(jī)電感矩陣方程進(jìn)行變換，得到徑向懸浮力繞組磁鏈，再獲得懸浮力繞組磁鏈差，進(jìn)而求出轉(zhuǎn)子徑向位移；本發(fā)明用中間部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的位移傳感器，能避免機(jī)械式位移傳感器對bim高速運(yùn)行帶來的不利影響，減小bim的軸向尺寸，促進(jìn)bim向小型化、實(shí)用化和低成本方向發(fā)展。

2、本發(fā)明在無軸承異步電機(jī)電壓模型法的基礎(chǔ)上，采用低通濾波器代替電壓模型中的純積分環(huán)節(jié)，辨識懸浮力繞組的磁鏈，進(jìn)而利用電機(jī)電感矩陣和轉(zhuǎn)子徑向位移之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)子位移估計(jì)器；由于自檢測方法為在線檢測方法，能夠有效避免和其他高頻諧波信號摻雜在一起，不需要另外安裝信號處理裝置，簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；除此之外，還保證了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，實(shí)現(xiàn)bim無位移傳感器方式下的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。本發(fā)明有效解決了傳統(tǒng)方法利用bim的非理想特性、易受電機(jī)結(jié)構(gòu)以及參數(shù)影響、魯棒性差的問題。

3、利用低通濾波器代替電壓模型中的純積分環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，避免了因初始值不為零時(shí)，純積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生累積誤差，影響系統(tǒng)辨識精度的缺點(diǎn)。

附圖說明

圖1為基于改進(jìn)電壓模型法的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測方法的流程圖；

圖2為采用改進(jìn)電壓模型法和傳統(tǒng)電壓模型法時(shí)轉(zhuǎn)子徑向位移波形對比圖，圖2(a)為采用改進(jìn)電壓模型法和傳統(tǒng)電壓模型法時(shí)轉(zhuǎn)子x軸徑向位移波形對比圖，圖2(b)為采用改進(jìn)電壓模型法和傳統(tǒng)電壓模型法時(shí)轉(zhuǎn)子y軸徑向位移波形對比圖；

圖3為基于改進(jìn)電壓模型法的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測控制系統(tǒng)框圖；

圖4為電壓模型的實(shí)現(xiàn)框圖；

圖5為改進(jìn)電壓模型的實(shí)現(xiàn)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)介紹，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示，基于改進(jìn)電壓模型法的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測方法，包括步驟：

①計(jì)算無軸承異步電機(jī)徑向懸浮力繞組由轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移產(chǎn)生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β：

電機(jī)電感矩陣方程為：

式中：l為電機(jī)電感，l1、l2分別為轉(zhuǎn)矩繞組、懸浮力繞組的自感，x、y分別為轉(zhuǎn)子在x軸、y軸上的偏移量，m為轉(zhuǎn)矩繞組和徑向懸浮力繞組之間的互感系數(shù)，且

其中：p為微分算子，m為電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量，l、r分別為轉(zhuǎn)子軸向長度、轉(zhuǎn)子半徑，μ0為空氣磁導(dǎo)率，n1、n2分別為轉(zhuǎn)矩繞組、徑向懸浮力繞組匝數(shù)。

在兩相靜止α-β坐標(biāo)系中，電機(jī)電感矩陣方程(1)變形為：

式中：ψ1α、ψ1β分別表示轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈在α、β軸上的分量，ψ2α、ψ2β分別表示徑向懸浮力繞組磁鏈在α、β軸上的分量，i1α、i1β分別表示轉(zhuǎn)矩繞組電流在α、β軸上的分量，i2α、i2β分別表示徑向懸浮力繞組電流在α、β軸上的分量；

當(dāng)轉(zhuǎn)子質(zhì)心不發(fā)生偏移時(shí)，電機(jī)電感矩陣方程中的x、y為零，此時(shí)懸浮力繞組磁鏈為：

若轉(zhuǎn)子質(zhì)心產(chǎn)生偏移，此時(shí)懸浮力繞組磁鏈為：

由轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移而產(chǎn)生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β為：

②由轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移而產(chǎn)生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β的表達(dá)式(6)，可得轉(zhuǎn)子徑向位移為：

由式(7)設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)子位移估計(jì)器，采用本發(fā)明改進(jìn)電壓模型法和傳統(tǒng)電壓模型法時(shí)轉(zhuǎn)子徑向位移波形對比圖如圖2所示。

③由式(7)可知，要得到轉(zhuǎn)子的徑向位移，需對徑向懸浮力繞組的磁鏈進(jìn)行辨識，采用改進(jìn)電壓模型法對其進(jìn)行辨識，辨識過程如下：

由bim的數(shù)學(xué)模型可知，在兩相靜止α-β坐標(biāo)系下，以懸浮力繞組定子磁鏈為狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)模型為：

式中：ψs2α、ψs2β分別表示徑向懸浮力定子繞組磁鏈在α、β軸上的分量，us2α、us2β分別表示徑向懸浮力定子繞組電壓在α、β軸上的分量，rs2表示徑向懸浮力定子繞組電阻，is2α、is2β分別表示徑向懸浮力定子繞組電流在α、β軸上的分量；

以懸浮力繞組定子磁鏈為狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)模型(8)變形為：

由于在電壓模型法中，當(dāng)初始值不為零時(shí)，其純積分環(huán)節(jié)會產(chǎn)生累積誤差，因此會造成辨識誤差，為解決純積分環(huán)節(jié)造成的影響，本發(fā)明采用低通濾波器代替公式(9)中的純積分環(huán)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示；圖3為傳統(tǒng)電壓模型的實(shí)現(xiàn)框圖，其中，uabc、iabc分別為三相電壓和電流給定值，uaβ、iaβ分別三相電壓和電流在α、β軸上的分量，ψaβ為懸浮繞組定子磁鏈。

圖5為基于改進(jìn)電壓模型法的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位移自檢測控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)分為懸浮部分、中間部分和旋轉(zhuǎn)部分。

旋轉(zhuǎn)部分：將bim轉(zhuǎn)子的給定轉(zhuǎn)速ωr*與bim實(shí)測轉(zhuǎn)速ωr作為比較器的輸入，其輸出經(jīng)pid調(diào)節(jié)后得到bim轉(zhuǎn)子的給定電磁轉(zhuǎn)矩te*，將bim給定電磁轉(zhuǎn)矩te*和給定氣隙磁鏈ψ1*作為氣隙磁場定向解耦控制的輸入，可得到bim轉(zhuǎn)矩繞組的給定電流在α、β軸上的分量i*1sα、i*1sβ，將i*1sα、i*1sβ進(jìn)行3s/2s坐標(biāo)變換，得到bim轉(zhuǎn)矩繞組的三相給定電流i*1a、i*1b、i*1c，然后將三相給定電流i*1a、i*1b、i*1c經(jīng)電流反饋型脈沖寬度調(diào)制crpwm逆變后得到bim轉(zhuǎn)矩繞組三相電流值i1a、i1b、i1c，由轉(zhuǎn)矩繞組的三相電流值控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

懸浮部分：將電渦流傳感器測得的bim轉(zhuǎn)子的徑向位移偏移量x^*、y^*與采用改進(jìn)電壓法得到的轉(zhuǎn)子徑向位移偏移量x、y作為比較器的輸入，其輸出值經(jīng)pid控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生bim轉(zhuǎn)子在x、y方向上的給定徑向懸浮力fx*、fy*，將給定徑向懸浮力fx*、fy*經(jīng)力/電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到bim徑向懸浮力繞組的給定控制電流分量i*2sα、i*2sβ，對給定控制電流分量i*2sα、i*2sβ進(jìn)行3s/2s坐標(biāo)變換得到bim徑向懸浮力繞組的三相給定電流值i*2a、i*2b和i*2c，然后將三相給定電流值i*2a、i*2b和i*2c經(jīng)過電流反饋型脈沖寬度調(diào)制crpwm逆變后，得到bim懸浮繞組三相電流值i2a、i2b和i2c，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的懸浮。

中間部分將采集到的bim轉(zhuǎn)矩繞組三相電流值i1a、i1b、i1c經(jīng)3s/2s坐標(biāo)變換可得到轉(zhuǎn)矩繞組在α、β軸的分量i1α、i1β。同時(shí)，將采集到的bim懸浮繞組三相電流值i2a、i2b、i2c和三相電壓值u2a、u2b、u2c經(jīng)3s/2s坐標(biāo)變換可得到懸浮繞組在α、β軸的分量i2α、i2β和u2α、u2β,然后由公式(9)可求得懸浮繞組磁鏈ψ2α、ψ2β，最后可由公式(7)求得轉(zhuǎn)子在x、y軸上的徑向偏移距離x、y。

以上所述對本發(fā)明進(jìn)行了簡單說明，并不受上述工作范圍限值，只要采取本發(fā)明思路和工作方法進(jìn)行簡單修改運(yùn)用到其他設(shè)備，或在不改變本發(fā)明主要構(gòu)思原理下做出改進(jìn)和潤飾的等行為，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。