[发明专利]一种基于微分几何解耦控制的无轴承异步电机径向力悬浮控制系统

说明书

本发明公开了一种基于微分几何解耦控制的无轴承异步电机径向力悬浮控制系统，包括微分几何控制器和复合被控对象，微分几何控制器包括线性闭环控制器和精确线性化解耦系统，复合被控对象的输出反馈到线性闭环控制器的输入，线性闭环控制器的输出连接精确线性化解耦系统的输入，精确线性化解耦系统的输出连接复合被控对象的输入；通过微分几何解耦控制器，将非线性、多变量、强耦合的无轴承异步电机径向力悬浮子系统解耦为两个位移二阶积分线性子系统，实现了非线性系统的精确线性化，将复杂的非线性问题转换到线性问题来进行解决，大大减小了控制难度。

技术领域

本发明属于电气传动解耦控制技术领域，尤其涉及一种基于微分几何解耦控制的无轴 承异步电机径向力悬浮控制系统。

背景技术

无轴承异步电机是电机领域的一项技术革新，其不仅具有无轴承电机的无摩擦、无磨 损、无需润滑、寿命长、高速以及超高速等特点，还具有异步电机的结构简单、牢固、造价低、气隙均匀、齿槽转矩稳定以及弱磁调速好等优点，是最具发展前景的无轴承电机之一。该电机在飞轮储能、化工化学、交通运输以及航空航天等领域的应用是具有特殊意义且无法代替的。

无轴承异步电机系统是一个非线性多变量的强耦合系统。由于电机的x和y轴径向悬 浮力统一由一个悬浮绕组产生，这使得在电机通电运行时两个方向上的径向悬浮力之间存 在着相互耦合现象。当转子位置在某个方向上受到干扰时，由于两个方向的控制力存在耦 合致使整个悬浮模块都会受到干扰的影响。因此，实现对两个方向上径向悬浮力之间的解 耦是减小干扰影响保证电机较好运行的必要前提。

目前，无轴承异步电机的解耦控制方法有很多种。中国专利申请号为CN200610038711.3，名称为：无轴承交流异步电机神经网络逆解耦控制方法，采用神经网络逆的算法对无轴承异步电机进行解耦控制。中国专利申请号为CN201210275854.1，名称为：无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器的构造方法，采用支持向量机逆的算法构造了无轴承异步电机解耦控制器。中国专利申请号为CN201510104159.2，名称为：无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统，采用定子磁链定向逆的算法来实现对无轴承异步电机系统的解耦。以上所述的方法都存在一个较大的缺陷：三种逆系统方法对无轴承异步电机进行局部或者全部解耦时，都依赖于精确的数学模型，而在实际的工况中，系统的精确模型是很难得到的，这使得解耦控制方法的精度难以得到保证。另外，利用以上方法都或多或少的存在计算量较大、控制速度慢等问题。

发明内容

本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种基于微分几何解耦控制的无轴承异步 电机径向力悬浮控制系统，目的是为了实现对无轴承异步电机径向悬浮力之间的解耦控制， 并提供一种无轴承异步电机微分几何解耦控制器的构造方法，从而减小在电机运行中转子 位置干扰对两个方向上的径向悬浮力之间的影响，使得整个解耦系统具有良好的控制性能。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于微分几何解耦控制的无轴承异步电机径向力悬浮控制系统，包括微分几何控 制器和复合被控对象，所述微分几何控制器包括线性闭环控制器和精确线性化解耦系统， 所述复合被控对象的输出反馈到线性闭环控制器的输入，线性闭环控制器的输出连接精确 线性化解耦系统的输入，精确线性化解耦系统的输出连接复合被控对象的输入。

进一步，所述精确线性化解耦系统的构造方法为：

S1，根据无轴承异步电机的数学模型，选取相应的状态变量，从而得到相应的无轴承 异步电机状态方程；

S2，利用微分几何Lie导数对状态方程的第三横式和第四横式求取Lie导数，根据求取 的Lie导数判断进行精确线性化解耦；

S3，对状态方程进行坐标变换得到新的状态方程和控制率；从而得到精确线性化解耦 系统；

进一步，所述状态方程表示为：