專利名稱：一種五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器，適用于高速及超高速電氣傳動領域。無軸承同步磁阻電機在機床主軸、渦輪分子泵、離心機、壓縮機、機電貯能、航空航天等特殊電氣傳動領域具有廣泛的應用前景，屬于電氣傳動控制設備的技術領域。
背景技術：
與傳統無軸承電機相比，同步磁阻電機具有諸多優勢轉子上省略了永磁體，也無勵磁繞組，結構簡單，運行可靠，成本低，還因其可以實現很高的凸極比，從而同時具有高轉矩密度、快速動態響應、低轉矩脈動、低損耗、高功率因數等優點，更加適合高速及高精度應用領域。將無軸承技術及磁軸承技術應用于同步磁阻電機，即利用磁場力將轉子懸浮于空中，使轉子和定子之間無任何機械接觸，使無軸承同步磁阻電機不僅具有同步磁阻電機的優點，又具有無潤滑、壽命長、無摩擦、無機械噪聲等優勢，滿足了眾多場合需要高速或超高速電氣傳動的要求，在高速電氣傳動等特殊應用場所有著獨特優勢。五自由度無軸承同步磁阻電機是一個非線性、強耦合的多輸入多輸出系統，對其進行動態解耦控制是實現無軸承同步磁阻電機穩定可靠工作的關鍵。如果采用分散控制方法對系統進行控制，則忽略了系統各個變量之間的耦合作用，無法滿足高速高精度運轉的要求，必須對系統進行解耦，分別獨立控制磁軸承的徑向懸浮力、軸向懸浮力、電機的徑向懸浮力以及電磁轉矩。常用的解耦控制方法中，矢量控制只能實現轉矩和懸浮力的靜態解耦控制，其動態響應性能還不能令人滿意；微分幾何方法雖然可以實現系統的動態解耦，但是需要將問題變換到幾何域中來討論，并且使用的數學工具相當復雜、抽象；逆系統方法可以實現系統的動態解耦，但是需要知道被控對象的精確數學模型，難以應用于工程實踐中；神經網絡逆解耦控制能夠在解析逆難以求得的情況下實現系統的動態解耦，但神經網絡在理論和設計方法上還存在學習速度慢、訓練時間長，理想的樣本提取困難，網絡結構不易優化等難以克服的缺陷。專利申請號為201010117622. 4、名稱為無軸承同步磁阻電機支持向量機逆系統
復合控制器，采用支持向量機逆系統復合控制器對二自由度無軸承同步磁阻電機進行解耦控制，其針對的控制對象是二自由度無軸承同步磁阻電機，但對由二自由度無軸承同步磁阻電機和三自由度主動磁軸承構成的結構更為復雜的五自由度無軸承同步磁阻電機卻無法進行解耦控制，五自由度無軸承同步磁阻電機不僅電機的結構更為復雜，而且由于在建立系統運動方程時，將轉子看作剛體并且考慮系統的各自由度之間的耦合問題和系統的陀螺效應，使得其數學模型、控制方法、解耦難度與二自由度無軸承同步磁阻電機存在本質區別。
發明內容[0006]本實用新型的目的是為克服上述現有技術的缺陷而提供一種基于最小二乘支持向量機的五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器，既可實現磁軸承的徑向懸浮力、軸向懸浮力、電機徑向懸浮力和電磁轉矩之間的解耦控制，又可獲得良好的各項控制性能指標， 如轉子徑向位置動、靜態調節特性及轉矩、速度調節性能。本實用新型五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器采用的技術方案是五自由度無軸承同步磁阻電機包括三自由度主動磁軸承a、二自由度無軸承同步磁阻電機b和轉子e，五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器由偽線性系統及串接之前的線性閉環控制器組成，偽線性系統由復合被控對象及串接之前的支持向量機α階逆系統組成，復合被控對象由三個擴展的電流滯環PWM逆變器及開關功率放大器與五自由度無軸承同步磁阻電機共同組成，第一擴展的電流滯環PWM逆變器和開關功率放大器分別串接三自由度主動磁軸承a之前，第二、第三擴展的電流滯環PWM逆變器分別串接二自由度無軸承同步磁阻電機 b之前；支持向量機α階逆系統由5個支持向量機2階系統和一個支持向量機1階系統加 11個積分器組成，線性閉環控制器由五個轉子位置控制器及一個轉速控制器組成。本實用新型的有益效果在于 1.針對五自由度無軸承同步磁阻電機這一非線性、強耦合的多輸入多輸出系統， 采用最小二乘支持向量機逼近非線性系統的的a階逆模型，構造復合被控對象的a階逆模型，不需要知道被控系統的精確數學模型，克服了逆系統方法難以求得解析逆的難題。通過將系統線性化和解耦成為6個互相獨立的線性積分子系統來實現各個被控量之間的動態解耦控制，將復雜的非線性耦合控制問題變為簡單的線性控制問題，進而使控制系統設計得以簡化并容易達到系統所要求的性能指標，不僅實現了五自由度無軸承同步磁阻電機轉子的穩定懸浮，而且使得磁軸承的徑向懸浮力、軸向懸浮力、電機徑向懸浮力和電磁轉矩6 者之間實現獨立控制，并有效的提高了整個系統的控制性能，獲得優良的靜、動態特性。采用的最小二乘支持向量機方法是在經驗風險最小化的基礎上同時采用了結構風險最小化準則，較好地解決了神經網絡等傳統的機器學習方法中的過學習、維數災難以及過早收斂等問題，具有很高的推廣應用價值，并且為其它無軸承電機及磁軸承解耦控制提供了一條有效途徑。2.徑向懸浮力控制采用三相功率逆變電路，軸向懸浮力控制采用開關功率放大器，使得五自由度無軸承同步磁阻電機的控制方法簡單，結構緊湊，功耗低，成本下降，擺脫了傳統磁軸承支承的電機結構復雜，臨界轉速低，控制系統復雜，功率放大器造價高，體積大等缺陷。3.針對五個轉子位置二階積分線性子系統和一個速度一階積分線性子系統，可進一步采用PID、極點配置、線性最優二次型調節器或魯棒伺服調節器等方法分別設計一個轉速控制器和五個位置控制器，組成線性閉環控制器，使系統獲得高性能的轉速、位置控制以及抗負載擾動的運行性能。4.實現了五自由度無軸承同步磁阻電機的多變量之間的獨立控制，有效克服了無軸承同步磁阻電機基于磁場定向僅僅進行公式變換無法實現解耦控制這一難題，同時克服了采用前饋補償控制器，近似處理，在線查表和實時參數檢測等解耦方法只能實現系統靜態解耦，不能實現系統動態解耦的缺陷。
圖1是五自由度無軸承同步磁阻電機1的結構示意圖；圖2是擴展的電流滯環PWM逆變器結構示意圖；圖3是復合被控對象8的結構示意圖；圖4是支持向量α階逆系統6的結構示意圖；圖5是由支持向量α階逆系統6與復合被控對象8組成的偽線性系統9的示意圖及其等效圖；圖6是五自由度無軸承同步磁阻電機1的解耦控制原理框圖；圖7是五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器10的總體框圖；圖中1.五自由度無軸承同步磁阻電機；2.第一擴展的電流滯環PWM逆變器； 3.第二擴展的電流滯環PWM逆變器；4.第三擴展的電流滯環PWM逆變器；5.開關功率放大器；6.支持向量機α階逆系統；7.線性閉環控制器；8.復合被控對象；9.支持向量機α 階逆系統；10.五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器；22.第一 Clark逆變換；23.第一電流滯環PWM逆變器；31.第一 Park逆變換；32.第二 Clark逆變換；33.第二電流滯環P麗逆變器；41.第二 Park逆變換；42.第三Clark逆變換；43.第三電流滯環PWM逆變器；61、 62、63、64、65.支持向量機2階系統；66.支持向量機1階系統；71、72、73、74、75.轉子位置控制器；76.轉速控制器。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的五自由度無軸承同步磁阻電機1的結構包括三自由度主動磁軸承a、二自由度無軸承同步磁阻電機b和轉子e，三自由度主動磁軸承a分別控制轉子徑向^，L和軸向Za的位移，對應的三自由度主動磁軸承a徑向三相線圈的驅動控制電流ia ’ib和乙，軸向線圈驅動電流iz, 二自由度無軸承同步磁阻電機b控制徑向a，_fa位移和轉子的轉速《，徑向A，_FA兩個自由度位移對應的三相懸浮力繞組驅動控制電流厶， i·和厶ι，轉子的轉速《對應的三相轉矩繞組驅動控制電流厶皿，和厶w這種五自由度無軸承同步磁阻電機是一個非線性、強耦合的多輸入多輸出系統。本實用新型針對這種系統采用支持向量機逼近復合被控對象的a階逆模型，將原多輸入多輸出系統轉換成相互獨立的線性積分子系統，進而采用線性系統的理論設計閉環控制器，不僅實現了 五自由度無軸承同步磁阻電機位移變量和轉速變量之間的多變量獨立控制，并有效的提高了整個系統的控制性能。如圖2所示，第一 Clark逆變換22串接于第一電流滯環PWM逆變器23之前，由第一 Clark逆變換22和第一電流滯環PWM逆變器23連接形成第一擴展的電流滯環PWM逆變器2。第一 Park逆變換31、第二 Clark逆變換32和第二電流滯環PWM逆變器33依次串接， 形成第二擴展的電流滯環PWM逆變器3。第二 Park逆變換41、第三Clark逆變換42和第三電流滯環PWM逆變器43依次串接，組成第三擴展的電流滯環PWM逆變器4。第一擴展的電流滯環PWM逆變器2和開關功率放大器5分別串接于五自由度無軸承同步磁阻電機1的三自由度主動磁軸承a之前。第二、第三擴展的電流滯環PWM逆變器3、4分別串接于二自由度無軸承同步磁阻電機b之前。如圖3所示，三個擴展的電流滯環PWM逆變器2、3、4及開關功率放大器5與五自由度無軸承同步磁阻電機1構成一個復合被控對象8。如圖4-6所示，復合被控對象8之前串接支持向量機α階逆系統6，支持向量機 α階逆系統6由5個支持向量機2階系統61、62、63、64、65和一個支持向量機1階系統66 加11個積分器構成。支持向量機α階逆系統6串接在復合被控對象8之前線性化解耦成偽線性系統9。偽線性系統9之前串接線性閉環控制器7，線性閉環控制器7由五個轉子位置控制器71、72、73、74、75及一個轉速控制器76組成。采用線性系統理論分別設計五個轉子位置控制器71、72、73、74、75及一個轉速控制器76。如圖7所示，由線性閉環控制器7、支持向量機α階逆系統6、三個擴展的電流滯環PWM逆變器2、3、4及開關功率放大器5組成五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器 10，實現對五自由度無軸承同步磁阻電機1的解耦控制。如圖1-7所示，構造五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器10的方法是首先由第一 Clark逆變換22和第一電流滯環PWM逆變器23連接組成第一擴展的電流滯環PWM 逆變器2，分別由第一、第二 Park逆變換31、41、第二、第三Clark逆變換32、42和第二、第三電流滯環PWM逆變器33、43依次連接組成第二、第三擴展的電流滯環PWM逆變器3、4 ；接著將所述第一，第二和第三這三個擴展的電流滯環PWM逆變器2、3、4、開關功率放大器5以及五自由度無軸承同步磁阻電機1組成復合被控對象8 ；進而采用5個支持向量機2階系統61、62、63、64、65、1個支持向量機1階系統66以及11個積分器 來構造復合被控對象 8的支持向量機α階逆系統6，并通過離線訓練使支持向量機α階逆系統6實現復合被控對象8的逆系統功能；然后將支持向量機α階逆系統6置于復合被控對象8之前，支持向量機α階逆系統6與復合被控對象8組成偽線性系統9，偽線性系統9等效為5個位置二階積分型的偽線性子系統和1個位置一階積分型的偽線性子系統；在此基礎上，分別針對6 個積分子系統設計5個位置控制器71、72、73、74、75和一個轉速控制器76 ；并由上述5個位置控制器71、72、73、74、75和一個轉速控制器76來構成線性閉環控制器7 ；最后將線性閉環控制器7、支持向量機α階逆系統6、復合被控對象8共同構成五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器10。第一擴展的電流跟蹤逆變器2以支持向量機α階逆系統6輸出的三自由度主動磁軸承a的控制電流分量參考值C·
和C·為其輸入，經過第一 Clark逆變換22輸出第一電流滯環PWM逆變器23的控制電流‘，
^ffC ,再經過第一電流跟蹤逆變器23輸出三自由度主動磁軸承a的三相控制電流^ , h和
開關功率放大器5以支持向量機α階逆系統6輸出的三自由度主動磁軸承a的控制電
流分量參考值< 為其輸入，開關功率放大器5的輸出&作為三自由度主動磁軸承a的軸向控制電流。第二擴展的電流跟蹤逆變器3以支持向量機α階逆系統6輸出的二自由度無軸承同步磁阻電機b的徑向位移控制電流分量參考值‘和‘為其輸入，經過第一 Park逆
變換31輸出第二 Clark逆變換32輸入電流參考值^1和,第二 Clark逆變換32輸出
第二電流滯環PWM逆變器33的控制電流, “和^2fr ,再經過第二電流滯環PWM逆變器 33輸出二自由度無軸承同步磁阻電機b的三相懸浮力繞組驅動控制電流ibw，ib2V和ib2『第三擴展的電流跟蹤逆變器4以支持向量機α階逆系統6輸出的二自由度無軸承同步磁阻電機b的轉速控制電流分量參考值<和選定的常數^為其輸入，第二經過Park逆變換41
輸出第三Clark逆變換42輸入電流參考值和‘，第三Clark逆變換42輸出第三電流
滯環PWM逆變器43的控制電流, “和“,再經過第三電流滯環PWM逆變器43輸出二
自由度無軸承同步磁阻電機b的三相轉矩繞組驅動控制電流，iMV和iMr>此擴展的三個電流滯環PWM逆變器2、3、4作為復合被控對象8的一個組成部分。如圖4所示，支持向量機α階逆系統6的構造方法是首先建立復合被控對象8 的數學模型從無軸承同步磁阻電機及磁軸承工作原理出發，建立五自由度無軸承同步磁阻電機1的數學模型，經過坐標變換和線性放大，得到復合被控對象8的數學模型，即同步
旋轉坐標系下11階微分方程，計算其向量相對階為礙戽f =“2^2.,2,lf
，可知該11階微分方程可逆，即α階逆系統存在，采用5個支持向量機2階系統61、62、63、 64,65以及一個支持向量機1階系統66加11個積分器來構造復合被控對象8的支持向量機α階逆系統6，將復合被控對象8的期望輸出J = 0\，ΛΛΛ，ΛΛ)τ = (U ，L Λ， )τ
的α階導數^HA Λ λ Λ Λ ^1=In η η η η灼I1作為支持向量機α階逆系統6的輸
入，而支持向量機α階逆系統6的輸出為《Knnuif-ΟΛ 'Λ' '^ 1。對上述構造的支持向量機α階逆系統6進行訓練，訓練方法是在實際工作區域內，將上述的6個電流分量參考值 、 、<、 、C
和《隨機方波信號作為階躍激勵信號分別施加于復合被控對象8的輸入端，并對該輸入信號 =[ !,^2,^4,K5,^6Jr ^[C.C'^'C'C'^]及輸出響應
ΗλλλλλλΓ Λ，ζ而進行高速采樣，得到原始數據樣本h
“mJ^j^j^j^j^a}；采用高階數值微分方法離線計算的各階導數！ Λ，Λ，Λ，Λ
,Λ , Λ , Λ , Λ，Λ-，艿,Λ , 5% )；得到300組支持向量機α階逆系統6的訓練
樣本集( ，Λ，Λ , , y-2 , λ , Λ , Λ , Λ , Λ , λ , ，Λ，λ，Λ，Λ
，Λ，、,UliU2, u u u5, ub)；根據該訓練樣本集，采用最小二乘法分別對復合被控對象8 的6個輸出量所對應的每個支持向量機2階系統61、62、63、64、65及支持向量機1階系統 66進行離線學習，從而獲得相應的輸入向量系數< 和閾值P，其中上標J表示復合被控對象8的第J個輸出對應的變量，下標i表示第i對訓練樣本；進而分別根據各個支持向量機
2階系統61、62、63、64、65及支持向量機1階系統66的當前輸入辨識出α階逆模型的 m
輸出為V=Σ彳，式中x、為高斯核函數。將支持向量機α階逆系統6串接在復合被控對象8之前，組成偽線性系統9，偽線性系統9相當于5個二階線性積分子系統和1個一階線性積分子系統，則系統被線性化和解耦成為6個互相獨立的線性積分子系統。對5個二階線性積分子系統和1個一階線性積分子系統分別設計五個位置控制器71、72、73、74、75和一個轉速控制器76構造線性閉環控制器7。線性閉環控制器7可采用線性系統理論中的各種常用控制器設計方法如極點配置、 線性最優控制、PID控制、魯棒控制等方法來設計。其中線性二次型最優控制器不僅能夠克服測量噪聲，并能處理非線性干擾，是反饋系統設計的一種重要工具，在本發明給出的實施例中，五個位置控制器71、72、73、74、75和一個轉速控制器76均選用線性二次型最優控制理論設計控制器，控制器的參數根據實際控制對象需進行調整。將線性閉環控制器7、支持向量機α階逆 系統、三個擴展的電流滯環PWM逆變器2、3、4及開關功率放大器5共同形成五自由度無軸承同步磁阻電機支持向量機解耦控制器10。
權利要求1.一種五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器，五自由度無軸承同步磁阻電機(1) 包括三自由度主動磁軸承a、二自由度無軸承同步磁阻電機b和轉子e，其特征在于所述五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器由偽線性系統(9)及串接之前的線性閉環控制器 (7)組成，所述偽線性系統(9)由復合被控對象(8)及串接之前的支持向量機α階逆系統 (6)組成，所述復合被控對象(8)由三個擴展的電流滯環PWM逆變器(2、3、4)及開關功率放大器(5)與五自由度無軸承同步磁阻電機(1)共同組成，第一擴展的電流滯環PWM逆變器 (2)和開關功率放大器(5)分別串接三自由度主動磁軸承a之前，第二、第三擴展的電流滯環PWM逆變器(3、4)分別串接二自由度無軸承同步磁阻電機b之前；所述支持向量機α階逆系統(6)由5個支持向量機2階系統(61、62、63、64、65)和一個支持向量機1階系統(66) 加11個積分器組成，所述線性閉環控制器(7)由五個轉子位置控制器(71、72、73、74、75)及一個轉速控制器(76)組成。
2.根據權利要求1所述的一種五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器，其特征在于所述第一擴展的電流滯環PWM逆變器(2)由第一 Clark逆變換(22)和第一電流滯環PWM 逆變器(23)連接組成，第二、第三擴展的電流滯環PWM逆變器(3、4)各由第一、第二 Park逆變換(31、41)、第二、第三Clark逆變換(32、42)和第二、第三電流滯環PWM逆變器(33、43) 依次串接組成。
專利摘要本實用新型公開一種五自由度無軸承同步磁阻電機解耦控制器，由偽線性系統及串接之前的線性閉環控制器組成，偽線性系統由復合被控對象及串接之前的支持向量機α階逆系統組成，復合被控對象由三個擴展的電流滯環PWM逆變器及開關功率放大器與五自由度無軸承同步磁阻電機共同組成，第一擴展的電流滯環PWM逆變器和開關功率放大器分別串接三自由度主動磁軸承a之前，第二、第三擴展的電流滯環PWM逆變器分別串接二自由度無軸承同步磁阻電機b之前；支持向量機α階逆系統由5個支持向量機2階系統和一個支持向量機1階系統加11個積分器組成，線性閉環控制器由五個轉子位置控制器及一個轉速控制器組成；結構緊湊，實現各個被控量之間的動態解耦控制。
文檔編號H02P21/00GK202043069SQ20112010557
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者刁小燕, 孫曉東, 張婷婷, 張濤, 朱熀秋, 李天博, 李衍超, 阮穎 申請人:江蘇大學