無軸承異步電機(jī)徑向位置的動態(tài)解耦控制
孫曉東1，朱烷秋1，張濤1，吳熙2
（1江蘇大學(xué)電氣信息，工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210098）
摘 要：針對無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向兩自由度懸浮系統(tǒng)的相互耦合情況，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法進(jìn)行了動態(tài)解耦控制研究。在介紹無軸承異步電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，建立了無軸承異步電機(jī)徑向懸浮力的數(shù)學(xué)模型，對該模型進(jìn)行可逆性分析，證明該系統(tǒng)可逆，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法將原來多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，動態(tài)解耦成2個位置彼此無耦合的線性子系統(tǒng)，并對解耦后的線性子系統(tǒng)進(jìn)行了閉環(huán)設(shè)計：最后利用matlab/simulink工具箱對該控制系統(tǒng)作了仿真研究。仿真試驗結(jié)果顯示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法可保證無軸承異步電機(jī)在徑向兩自由度上實現(xiàn)獨立控制，且閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：無軸承異步電機(jī)；徑向位置；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆；解耦控制
中圖分類號：tp 27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a
1、引 言
利用磁軸承和電機(jī)結(jié)構(gòu)的相似性，把磁軸承中的懸浮繞組疊繞在電機(jī)定子繞組上，使兩種磁場合成一體，且能同時獨立控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的懸浮和旋轉(zhuǎn)。無軸承電機(jī)正是基于這一設(shè)想而提出的，無軸承電機(jī)的種類很多，有永磁型、感應(yīng)型、磁阻型等，其中，結(jié)構(gòu)簡單、易于弱磁、可靠性高的無軸承異步電機(jī)尤其受到廣泛的重視。
由于無軸承電機(jī)的懸浮是定子上轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組相互作用的結(jié)果，電機(jī)懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩之間、懸浮力之間存在著復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系，因此要實現(xiàn)電機(jī)高性能穩(wěn)定運行并有較高的控制性能，必須對電機(jī)進(jìn)行非線性解耦。文獻(xiàn)[5]采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略對無軸承異步電機(jī)進(jìn)行丁穩(wěn)定懸浮控制研究，并取得了不錯的效果，但是這種控制是一種穩(wěn)態(tài)解耦控制，為了實現(xiàn)動態(tài)解耦，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法。對無軸承異步電機(jī)徑向位置系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)解耦控制。
2無軸承異步電機(jī)徑向懸浮力的數(shù)學(xué)模型
無軸承異步電機(jī)定子中復(fù)合疊繞著尸，對極的轉(zhuǎn)矩繞組和p，對極的徑向力繞組，兩套繞組的極對數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系：p1=p2±1。其中，p1為轉(zhuǎn)矩繞組的極對數(shù)，p2為懸浮力繞組的極對數(shù)。且p1=2，由繞組nl1和nl2。構(gòu)成，用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場和電磁力矩；p2=1，由繞組nu和nv構(gòu)成，用來產(chǎn)生徑向懸浮力。在轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組中分別通人電流i1，i2，則分別產(chǎn)生四極磁鏈ψ1和兩極磁鏈ψ2。x，y代表互相垂直的轉(zhuǎn)子位置控制坐標(biāo)軸，如圖1所示。
在空載情況下，如轉(zhuǎn)子需要沿z正方向的徑向力，在徑向力控制繞組中通入如圖l所示的電流l2。從圖l可得，由于在氣隙右側(cè)ψ1和ψ2同向，則氣隙磁密增加，在氣隙左側(cè)ψ1和ψ2反向，則氣隙磁密減少，從而產(chǎn)生沿x正方向的徑向力fa。在懸浮控制繞組中通入反相電流，可產(chǎn)生沿x反方向的徑向力。同理，沿y軸方向的徑向力可以通過在懸浮控制繞組中通入與l2垂直的電流獲得。
為分析方便，通過c3/2和cr/s變換，將靜止坐標(biāo)系下的3相轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的2相研究。在空載情況下，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的2相坐標(biāo)相互垂直，轉(zhuǎn)矩繞組和徑向力繞組各自的互感為0。轉(zhuǎn)矩繞組自感l(wèi)1s和徑向力繞組的自感l(wèi)2s為常值，二者間的互感m12s與轉(zhuǎn)子的徑向偏移成比例，即
式中，r和l分別為轉(zhuǎn)子半弳和轉(zhuǎn)子軸向長度；μ0為空氣磁導(dǎo)率；g 0為氣隙長度；n1，和n2分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組匝數(shù)。
電機(jī)的電感矩陣rl]可表示如下。
式中α和β分別為轉(zhuǎn)子在x和y方向上的徑向偏移；m為轉(zhuǎn)矩繞組和徑向力繞組的互感系數(shù)；下標(biāo)s表示定子側(cè)的分量。
根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，無軸承電機(jī)儲存的磁能表達(dá)式為
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