[发明专利]无轴承同步磁阻电机微分几何解耦控制器的构造方法

说明书

技术领域

本发明是一种无轴承同步磁阻解耦控制器，具体是无轴承同步磁阻解耦控制器的构造方法，适用于无轴承同步磁阻电机的高性能解耦控制。

背景技术

无轴承同步磁阻电机是一种基于无轴承电机与同步磁阻电机的原理基础上发展而来的特种电机，无轴承同步磁阻电机特殊的转子结构不需要励磁绕组和永磁材料，因而造价低廉、结构简单，另外其无轴承结构又避免了润滑问题，也无摩擦粉尘产生，特别适合对洁净度要求较高的医药生产、食品加工等特殊场合。无轴承同步磁阻电机还具有较高的转矩密度、功率因数，能满足电机高速、高精的要求。

无轴承同步磁阻电机的控制系统是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统。电机在带负载实现悬浮运行时，因其转矩电流分量的存在，致使电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在两垂直方向上存有相互耦合，电磁转矩的波动将导致整个控制系统的失稳。因此，控制系统的设计是实现其稳定悬浮与运行的核心技术，即必须对电磁转矩与径向悬浮力及其径向悬浮力在两垂直方向之间的解耦控制。

无轴承同步磁阻电机的特殊性决定其无法像无轴承感应电机和无轴承永磁同步电机那样可以通过磁场定向控制进行相关公式变换来实现各变量间的完全解耦控制。中国专利申请号为200610085347.6，名称为：无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法，采用现代控制理论中串接前馈补偿器的方法进行控制系统的解耦。中国专利申请号为201010117615.4，名称为：无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器及其构造方法，通过逆系统方法构建解耦控制器实现对无轴承同步磁阻电机的解耦控制。中国专利申请号为201110021862.9，名称为：无轴承同步磁阻电机神经网络广义逆解耦控制器，采用神经网络广义逆的控制方法对无轴承同步磁阻电机进行解耦控制。上面所述的三种控制器都存在一定的缺陷：如前一种无轴承同步磁阻电机前馈补偿控制器的构造方法只实现了电磁转矩和径向悬浮力之间的静态解耦，并没有实现完全意义上的动态解耦；而后两种解耦控制器：无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制器和无轴承同步磁阻电机神经网络广义逆解耦控制器虽然使系统获得高性能的解耦控制，但同时也使得控制系统变得更加复杂，加大了系统实现的难度。

发明内容

本发明的目的是为实现无轴承同步磁阻电机多变量动态解耦控制，进而获得负载条件下电机稳定悬浮运行，提供一种无轴承同步磁阻电机微分几何解耦控制器的构造方法，既可实现带负载条件下电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在两垂直方向上的静态、动态解耦控制，同时又可使得整个控制系统具有很好的控制性能。

本发明的技术方案是采用如下步骤：

（1）构造两个扩展的电流滞环PWM逆变器，由第一扩展的电流滞环PWM逆变器与无轴承同步磁阻电机的转矩子系统相连构成第一复合被控对象，由第二扩展的电流滞环PWM逆变器与无轴承同步磁阻电机的径向悬浮力子系统相连构成第二复合被控对象。 

（2）构造精确线性化解耦系统，由精确线性化解耦系统与第一、第二复合被控对象共同构成伪线性系统。

（3）由转速控制器、x、y位置控制器组成线性闭环控制器，由线性闭环控制器和精确线性化解耦系统共同构成微分几何解耦控制器。

（4）将微分几何解耦控制器、两个扩展的电流滞环PWM逆变器和无轴承同步磁阻电机共同形成无轴承同步磁阻电机微分几何解耦控制器。

本发明的优点在于：

1、本发明构造的解耦控制器，是基于微分几何控制理论的解耦控制器，微分几何精确线性化解耦控制方法是基于系统的输入输出描述的一种线性化方法，已成功解决了多种非线性控制问题。从对系统不同的描述出发，采用不同的处理方法，可得到相同的线性化效果，根据系统的输出方程，通过非线性坐标变换将非线性系统的状态方程化为完全可控的线性系统，然后对线性系统运用最优控制方法进行分析，从而得到非线性系统的最优控制结果。这种准确线性化与传统的近似线性化不同，它在线性化过程中没有忽略任何高阶非线性项，因此不仅准确，而且具有全局意义，可实现非线性系统的完全动态解耦控制。