[發(fā)明專利]無軸承同步磁阻電機參數(shù)觀測的懸浮系統(tǒng)構(gòu)造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810374276.4
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108696187B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發(fā)明（設計）人: 張漢年;鮑安平;段向軍;茆建國;胡鵬飛
• 申請（專利權）人: 南京信息職業(yè)技術學院
• 主分類號: H02P21/24
• 分類號: H02P21/24
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 孫輝

1.一種無軸承同步磁阻電機參數(shù)觀測的懸浮系統(tǒng)構(gòu)造方法，其特征是，包括以下步驟：

1)構(gòu)建電機參數(shù)觀測系統(tǒng)，分別檢測電機懸浮繞組和轉(zhuǎn)矩繞組三相電壓、電流，經(jīng)坐標變換后，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標下的電壓、電流，作為電機參數(shù)觀測器的輸入信號；電機參數(shù)觀測器輸出信號為同步旋轉(zhuǎn)坐標下的轉(zhuǎn)子位移和電機轉(zhuǎn)矩繞組d-q軸電感的觀測值，電機參數(shù)觀測器輸出的轉(zhuǎn)子位移再經(jīng)Park逆變換輸出兩相靜止坐標下的轉(zhuǎn)子位移觀測值；

2)建立擴展的磁鏈估算模型，分別檢測電機轉(zhuǎn)矩繞組三相電壓、電流作為其輸入信號，擴展的磁鏈估算模型輸出兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標下的磁鏈估計值作為擴展的懸浮力/電流變換器的輸入信號；

3)構(gòu)造擴展的懸浮力/電流變換器，該擴展的懸浮力/電流變換器輸入信號之一為步驟2)中擴展的磁鏈估算模型的輸出信號，輸入信號之二為步驟1)中電機參數(shù)觀測系統(tǒng)輸出的電機轉(zhuǎn)矩繞組d-q軸電感觀測值，輸入信號之三為電機轉(zhuǎn)子位移給定值和觀測值之間偏差經(jīng)PD調(diào)節(jié)器后輸出的懸浮力參考值；

4)構(gòu)造擴展的滯環(huán)電流逆變器，將步驟3)中擴展的懸浮力/電流變換器輸出的兩相定子電流給定值作為擴展的滯環(huán)電流逆變器的輸入信號，擴展的滯環(huán)電流逆變器輸出實際需要的三相電流向電機懸浮繞組供電，電機產(chǎn)生所需的徑向懸浮力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位移的閉環(huán)控制和電機系統(tǒng)懸浮運行；

步驟1)中電機參數(shù)觀測系統(tǒng)包括：坐標變換、電機參數(shù)觀測器和Park逆變換；電機參數(shù)觀測系統(tǒng)構(gòu)建方法包括以下步驟：

2.1)構(gòu)建電機參數(shù)觀測器，其特征在于包含以下步驟：

2.1.1)建立無軸承同步磁阻電機參數(shù)觀測的最小二乘法估計模型；

在兩相同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標系下，無軸承同步磁阻電機轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的磁鏈方程為：

式(1)中，Ψ_d、Ψ_q分別轉(zhuǎn)矩繞組d、q軸磁鏈；Ψ_x、Ψ_y分別懸浮繞組d、q軸磁鏈；i_d、i_q分別為轉(zhuǎn)矩繞組d、q軸電流；i_x、i_y分別為懸浮繞組d、q軸電流；L_d、L_q分別為轉(zhuǎn)矩繞組d、q軸電感；L_x、L_y為懸浮繞組d、q軸電感；x、y分別為d、q軸上的轉(zhuǎn)子徑向位移；

式(1)中K_m1、K_m2分別為電機d、q軸懸浮力/電流常數(shù)，當電機凸極轉(zhuǎn)子極弧角度為30°時，其表達式為：

式中，μ₀為真空磁導率，l為電機有效鐵心長度，r為轉(zhuǎn)子外徑，N₂、N₄分別為2極懸浮繞組和4極轉(zhuǎn)矩繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)，δ₀為氣隙長度；

依據(jù)式(1)電機磁鏈方程，忽略電機定子電阻壓降和轉(zhuǎn)子偏心位移引起的繞組互感變化，可得如下電壓方程：

式中，u_d、u_q分別轉(zhuǎn)矩繞組d、q軸電壓；u_x、u_y分別懸浮繞組d、q軸電流；ω為轉(zhuǎn)子角頻率，通過速度傳感器檢測得到；為微分算子；

依據(jù)式(3)，可得以定子電流為狀態(tài)變量的無軸承同步磁阻電機狀態(tài)方程：

式中，

在系統(tǒng)采樣周期足夠小的情況下，無軸承同步磁阻電機狀態(tài)方程(4)的離散化形式如下：

式中，i_d(t+1)、i_q(t+1)分別為電機轉(zhuǎn)矩繞組d、q軸電流t+1時刻采樣值，i_x(t+1)、i_y(t+1)分別為電機懸浮繞組d、q軸電流t+1時刻采樣值，i_d(t)、i_q(t)分別為電機轉(zhuǎn)矩繞組d、q軸電流t時刻采樣值，i_x(t)、i_y(t)分別為電機懸浮繞組d、q軸電流t時刻采樣值，u_d(t)、u_q(t)分別為電機轉(zhuǎn)矩繞組d、q軸電壓t時刻采樣值，u_x(t)、u_y(t)分別為電機懸浮繞組d、q軸電壓t時刻采樣值；

式(5)中，

其中T_s為系統(tǒng)采樣周期；

直接令

Y＝[i_d(t+1) i_q(t+1) i_x(t+1) i_y(t+1)]^T

Z＝[i_d(t) i_q(t) i_x(t) i_y(t) u_d(t) u_q(t) u_x(t) u_y(t)]^T

上述式(5)可改寫成電機參數(shù)觀測的最小二乘法估計模型為：

Y＝ΘZ (6)

式中Y為輸出矢量矩陣，Z為輸入矢量矩陣，Θ為辨識矢量矩陣；

對已辨識出的辨識矢量矩陣Θ，可進一步辨識出無軸承同步磁阻電機的電感參數(shù)和轉(zhuǎn)子徑向位移，基于辨識矢量矩陣Θ，可以得出電機轉(zhuǎn)矩繞組d-q軸電感參數(shù)和轉(zhuǎn)子位移與辨識矢量矩陣Θ中相關元素之間的關系式為：

2.1.2)建立電機的最小二乘參數(shù)觀測估計算法：

式(6)中，輸入矢量矩陣Z可以通過檢測電機轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組中電流，經(jīng)坐標變換求得； 輸出矢量矩陣Y表示未來時刻的電流值，無法通過傳感器測量得到，此處采用最小二乘法進行預測，這樣對于辨識矢量矩陣Θ就可以由輸出矢量矩陣Y和已檢測出的輸入矢量矩陣Z辨識得到；

上述式(6)辨識矢量矩陣Θ的辨識方法采用遞推最小二乘法，辨識矢量矩陣Θ在k+1時刻最小二乘估計值的遞推算法為：

式中，P(k)為協(xié)方差矩陣、K(k)為中間變量矩陣，K(k)、P(k)為矩陣K、P在k時刻采樣值，Y(k+1)、Z(k+1)、Z^T(k+1)、P(k+1)分別為矩陣Y、Z、Z^T、P在k+1時刻采樣值，I為單位矩陣；

上述式(8)最小二乘法的計算步驟如下：

①設置初值Θ(0)、P(0)，可直接令：

式中，ε取零向量，α為充分大的正實數(shù)10⁴～10⁶；

②由電機轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的電壓、電流檢測值和P(k)值得到中間變量矩陣K(k)：

K(k)＝P(k)Z(k+1)[I+Z^T(k+1)P(k)Z(k+1)]^-1 (10)

③由式(8)可知，k+1時刻最小二乘估計值是在k時刻估計值加上一個修正項K(k)：

由式(11)得出k+1時刻最小二乘估計值

依據(jù)式(7)，可求得新的電機電感參數(shù)和轉(zhuǎn)子位移觀測值，其表達式為：

式中，分別為無軸承同步磁阻電機轉(zhuǎn)矩繞組d、q軸電感觀測值，分別為電機d、q軸上的轉(zhuǎn)子徑向位移觀測值，分別為最小二乘估計值內(nèi)部元素b₁₁、b₂₂、b₃₃、b₃₁、b₃₂的估計值；

④計算k+1時刻的P(k+1)值，由式(8)，P(k+1)值的計算公式為：

P(k+1)＝[I-K(k)Z(k+1)]P(k) (13)

下一個周期重新估計電機參數(shù)時，不再需要給定初值P(0)，而是直接從步驟②開始計算，以后每個周期對電機參數(shù)的遞推運算都是重復實施步驟②、③、④，直至參數(shù)估計滿足精度要求。