无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法   0    0

本发明公开一种无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，包括构建电机参数观测系统；检测电机悬浮绕组和转矩绕组三相电流、电压，送入电机参数观测系统输入端；通过检测电机转矩绕组三相电压、电流，送入扩展的磁链估算模型，扩展的磁链估算模型输出两相同步旋转坐标下磁链观测值，将该磁链观测值作为扩展的悬浮力/电流变换器的输入信号之一；构建扩展的悬浮力/电流变换器，扩展的悬浮力/电流变换器输出电机悬浮绕组两相电流参考值，作为扩展的滞环电流逆变器的输入信号，滞环电流逆变器向电机悬浮绕组供电，产生所期望的悬浮力，实现被控电机无位移传感器下转子位移和电感参数观测，构造出的悬浮系统响应快速、性能优良。

1.一种无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，其特征是，包括以下步骤：
1)构建电机参数观测系统，分别检测电机悬浮绕组和转矩绕组三相电压、电流，经坐标变换后，得到两相同步旋转坐标下的电压、电流，作为电机参数观测器的输入信号；电机参数观测器输出信号为同步旋转坐标下的转子位移和电机转矩绕组d-q轴电感的观测值，电机参数观测器输出的转子位移再经Park逆变换输出两相静止坐标下的转子位移观测值；
2)建立扩展的磁链估算模型，分别检测电机转矩绕组三相电压、电流作为其输入信号，扩展的磁链估算模型输出两相同步旋转坐标下的磁链估计值作为扩展的悬浮力/电流变换器的输入信号；
3)构造扩展的悬浮力/电流变换器，该扩展的悬浮力/电流变换器输入信号之一为步骤
2)中扩展的磁链估算模型的输出信号，输入信号之二为步骤1)中电机参数观测系统输出的电机转矩绕组d-q轴电感观测值，输入信号之三为电机转子位移给定值和观测值之间偏差经PD调节器后输出的悬浮力参考值；
4)构造扩展的滞环电流逆变器，将步骤3)中扩展的悬浮力/电流变换器输出的两相定子电流给定值作为扩展的滞环电流逆变器的输入信号，扩展的滞环电流逆变器输出实际需要的三相电流向电机悬浮绕组供电，电机产生所需的径向悬浮力，实现转子位移的闭环控制和电机系统悬浮运行；
步骤1)中电机参数观测系统包括：坐标变换、电机参数观测器和Park逆变换；电机参数观测系统构建方法包括以下步骤：
2.1)构建电机参数观测器，其特征在于包含以下步骤：
2.1.1)建立无轴承同步磁阻电机参数观测的最小二乘法估计模型；
在两相同步旋转d、q坐标系下，无轴承同步磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组的磁链方程为：
式(1)中，Ψd、Ψq分别转矩绕组d、q轴磁链；Ψx、Ψy分别悬浮绕组d、q轴磁链；id、iq分别为转矩绕组d、q轴电流；ix、iy分别为悬浮绕组d、q轴电流；Ld、Lq分别为转矩绕组d、q轴电感；
Lx、Ly为悬浮绕组d、q轴电感；x、y分别为d、q轴上的转子径向位移；
式(1)中Km1、Km2分别为电机d、q轴悬浮力/电流常数，当电机凸极转子极弧角度为30°时，其表达式为：
式中，μ0为真空磁导率，l为电机有效铁心长度，r为转子外径，N2、N4分别为2极悬浮绕组和4极转矩绕组每相串联有效匝数，δ0为气隙长度；
依据式(1)电机磁链方程，忽略电机定子电阻压降和转子偏心位移引起的绕组互感变化，可得如下电压方程：
式中，ud、uq分别转矩绕组d、q轴电压；ux、uy分别悬浮绕组d、q轴电流；ω为转子角频率，通过速度传感器检测得到； 为微分算子；
依据式(3)，可得以定子电流为状态变量的无轴承同步磁阻电机状态方程：
式中，
在系统采样周期足够小的情况下，无轴承同步磁阻电机状态方程(4)的离散化形式如下：
式中，id(t+1)、iq(t+1)分别为电机转矩绕组d、q轴电流t+1时刻采样值，ix(t+1)、iy(t+
1)分别为电机悬浮绕组d、q轴电流t+1时刻采样值，id(t)、iq(t)分别为电机转矩绕组d、q轴电流t时刻采样值，ix(t)、iy(t)分别为电机悬浮绕组d、q轴电流t时刻采样值，ud(t)、uq(t)分别为电机转矩绕组d、q轴电压t时刻采样值，ux(t)、uy(t)分别为电机悬浮绕组d、q轴电压t时刻采样值；
式(5)中，
其中Ts为系统采样周期；
直接令
Y＝[id(t+1) iq(t+1) ix(t+1) iy(t+1)]T
Z＝[id(t) iq(t) ix(t) iy(t) ud(t) uq(t) ux(t) uy(t)]T
上述式(5)可改写成电机参数观测的最小二乘法估计模型为：
Y＝ΘZ  (6)
式中Y为输出矢量矩阵，Z为输入矢量矩阵，Θ为辨识矢量矩阵；
对已辨识出的辨识矢量矩阵Θ，可进一步辨识出无轴承同步磁阻电机的电感参数和转子径向位移，基于辨识矢量矩阵Θ，可以得出电机转矩绕组d-q轴电感参数和转子位移与辨识矢量矩阵Θ中相关元素之间的关系式为：
2.1.2)建立电机的最小二乘参数观测估计算法：
式(6)中，输入矢量矩阵Z可以通过检测电机转矩绕组和悬浮绕组中电流，经坐标变换求得； 输出矢量矩阵Y表示未来时刻的电流值，无法通过传感器测量得到，此处采用最小二乘法进行预测，这样对于辨识矢量矩阵Θ就可以由输出矢量矩阵Y和已检测出的输入矢量矩阵Z辨识得到；
上述式(6)辨识矢量矩阵Θ的辨识方法采用递推最小二乘法，辨识矢量矩阵Θ在k+1时刻最小二乘估计值 的递推算法为：
式中，P(k)为协方差矩阵、K(k)为中间变量矩阵， K(k)、P(k)为矩阵 K、P在k时刻采样值，Y(k+1)、Z(k+1)、ZT(k+1)、P(k+1)分别为矩阵Y、Z、ZT、P在k+1时刻采样值，I为单位矩阵；
上述式(8)最小二乘法的计算步骤如下：
①设置初值Θ(0)、P(0)，可直接令：
式中，ε取零向量，α为充分大的正实数104～106；
②由电机转矩绕组和悬浮绕组的电压、电流检测值和P(k)值得到中间变量矩阵K(k)：
K(k)＝P(k)Z(k+1)[I+ZT(k+1)P(k)Z(k+1)]-1  (10)
③由式(8)可知，k+1时刻最小二乘估计值 是在k时刻估计值 加上一个修正
项K(k)：
由式(11)得出k+1时刻最小二乘估计值
依据式(7)，可求得新的电机电感参数和转子位移观测值，其表达式为：
式中， 分别为无轴承同步磁阻电机转矩绕组d、q轴电感观测值， 分别为电
机d、q轴上的转子径向位移观测值， 分别为最小二乘估计值
内部元素b11、b22、b33、b31、b32的估计值；
④计算k+1时刻的P(k+1)值，由式(8)，P(k+1)值的计算公式为：
P(k+1)＝[I-K(k)Z(k+1)]P(k)  (13)
下一个周期重新估计电机参数时，不再需要给定初值 P(0)，而是直接从步骤②开始计算，以后每个周期对电机参数的递推运算都是重复实施步骤②、③、④，直至参数估计满足精度要求。

2.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，其特征是，步骤2)中建立扩展的磁链估算模型，其构建过程包含如下步骤：
3.1)首先检测电机转矩绕组三相电压和电流，经Clark变换为两相静止坐标下的电压和电流；
3.2)构建电机转矩绕组的磁链观测模型，两相静止坐标下电机转矩绕组磁链分量Ψα、Ψβ的估计模型为：
式中，μα、μβ为电机转矩绕组等效两相电压，iα、iβ为电机转矩绕组等效两相电流；Rs为电机转矩绕组定子电阻；
式(14)中的磁链分量Ψα、Ψβ经Park变换可转换为两相同步旋转坐标下的磁链分量Ψd、Ψq：
式中，θ为电机转子位置角度。

3.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，其特征是，步骤3)中构造扩展的悬浮力/电流变换器，其构建过程包含如下步骤：
在同步旋转d、q坐标系下无轴承同步磁阻电机转子两垂直方向上的径向悬浮力分量Fx、Fy为：
由式(16)可得电机悬浮绕组悬浮力/电流变换器模型为：
式中，电机电感参数采用式(12)中的观测值， 为悬浮力的参考值， 为悬
浮绕组所需电流的参考值；
式(17)中 由两相静止坐标下 经坐标变换得到：
式中，θ为电机转子位置角度。

4.根据权利要求1所述的无轴承同步磁阻电机参数观测的悬浮系统构造方法，其特征是，步骤4)中构造扩展的滞环电流逆变器，其构建过程包含如下步骤：将扩展的悬浮力/电流变换器输出信号 作为扩展的滞环电流逆变器输入信号，经Park逆变换输出两相静止坐标下悬浮绕组电流，再经Clark逆变换将之转换为三相参考电流 送入滞环电流逆变器，滞环电流逆变器向电机悬浮绕组注入所需的三相电流，实现电机参数观测和无位移传感器稳定悬浮运行。