[发明专利]基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法及控制系统

说明书

技术领域

本发明属于电气传动中的稳定控制领域，具体涉及基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法及控制系统。

背景技术

近年来，随着工业的快速发展，人们对电机的需求越来越大，要求也越来越高。和其他传统电机相比，无轴承异步电机(bearingless induction motor，BIM)具有无摩擦、无磨损、无需润滑、耐腐蚀、寿命长、能实现高速、超高速运行等特点，被广泛应用在定期维修困难的生命科学领域，易受酸、碱腐蚀的化工领域，以及半导体工业等领域。又因其结构简单、气隙均匀、成本低等优点，使其在机械加工、中小型发电设备、人工心脏泵以及对精度要求较高的数控机床等特种电气驱动/传动领域具有潜在的应用市场。然而，BIM位移传感器的安装，阻碍了其高速运行，除此之外，还增大了BIM的轴向尺寸。因此开展对BIM的无传感器研究，对其低成本实用化运行具有重要的理论价值和现实意义。

为了解决位移传感器的安装带来的弊端，经过多年研究，BIM无位移传感器矢量控制取得了一定的成就：利用BIM两套绕组之间的互感和转子径向位移成线性关系这一特点，在转矩绕组两端加上高频信号，然后通过检测悬浮绕组中的差分信号来获取转子径向位移，从而达到转子位移自检测目的。还可根据悬浮绕组自感与转子径向位移成线性关系，在悬浮绕组两端加上高频信号，然后由检测到的悬浮绕组差分信号得到转子径向位移。这些方法在一定条件下能够达到检测转子位移的目的，但是，它们存在共同的缺点：注入的高频信号极易和其他高频谐波信号掺杂在一起，不容易分离，需要另外安装信号处理装置，使控制系统变得更加复杂，同时也增加了成本投入，因此限制了BIM向实用化方向发展。除此之外，研究人员还提出利用BIM的精确数学模型，建立转子位移观测器来实现转子位移自检测，但是该方法对电机参数要求较高，鲁棒性较差。

发明内容

本发明提供了基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法及控制系统，能够有效解决传统方法利用BIM的非理想特性，易受电机结构以及参数影响，鲁棒性差的问题；解决了高频信号极易和其他高频谐波信号掺杂在一起、不容易分离，且需要另外安装信号处理装置等缺点；避免机械式位移传感器对BIM高速运行带来的不利影响。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法，包括如下步骤：

S1，求无轴承异步电机径向悬浮力绕组由转子质心偏移产生的磁链差ψ″_2α、ψ″_2β：

S1.1，在两相静止α-β坐标系中，电机电感矩阵方程为：

式中，ψ_1α、ψ_1β分别表示转矩绕组磁链在α、β轴上的分量，ψ_2α、ψ_2β分别表示径向悬浮力绕组磁链在α、β轴上的分量，L₁、L₂分别为转矩绕组、悬浮力绕组的自感，M为转矩绕组和径向悬浮力绕组之间的互感，x、y分别为转子在x轴、y轴上的偏移量，i_1α、i_1β分别表示转矩绕组电流在α、β轴上的分量，i_2α、i_2β分别表示径向悬浮力绕组电流在α、β轴上的分量；

S1.2，当转子质心不发生偏移时，电机电感矩阵方程中的x、y为零，此时悬浮力绕组磁链为：

S1.3，若转子质心产生偏移，此时悬浮力绕组磁链为：

S1.4，由转子质心偏移而产生的磁链差ψ″_2α、ψ″_2β为：

S2，辨识悬浮力绕组磁链：

S2.1，在两相静止α-β坐标系下，以悬浮力绕组定子磁链为状态变量的数学模型为：

式中，ψ_s2α、ψ_s2β分别表示径向悬浮力定子绕组磁链在α、β轴上的分量，u_s2α、u_s2β分别表示径向悬浮力定子绕组电压在α、β轴上的分量，R_s2表示径向悬浮力定子绕组电阻，i_s2α、i_s2β分别表示径向悬浮力定子绕组电流在α、β轴上的分量；

S2.2，以悬浮力绕组定子磁链为状态变量的数学模型变形为：