無軸承異步電機徑向位置的動態解耦控制
孫曉東1，朱烷秋1，張濤1，吳熙2
（1江蘇大學電氣信息，工程學院，江蘇鎮江212013；2東南大學電氣工程學院，江蘇南京210098）
摘 要：針對無軸承異步電機轉子徑向兩自由度懸浮系統的相互耦合情況，采用神經網絡逆系統方法進行了動態解耦控制研究。在介紹無軸承異步電機工作原理的基礎上，建立了無軸承異步電機徑向懸浮力的數學模型，對該模型進行可逆性分析，證明該系統可逆，應用神經網絡逆系統方法將原來多變量、強耦合的非線性系統，動態解耦成2個位置彼此無耦合的線性子系統，并對解耦后的線性子系統進行了閉環設計：最后利用matlab/simulink工具箱對該控制系統作了仿真研究。仿真試驗結果顯示，神經網絡逆系統方法可保證無軸承異步電機在徑向兩自由度上實現獨立控制，且閉環系統具有良好的動、靜態性能。
關鍵詞：無軸承異步電機；徑向位置；神經網絡逆；解耦控制
中圖分類號：tp 27 文獻標識碼：a
1、引 言
利用磁軸承和電機結構的相似性，把磁軸承中的懸浮繞組疊繞在電機定子繞組上，使兩種磁場合成一體，且能同時獨立控制電機轉子的懸浮和旋轉。無軸承電機正是基于這一設想而提出的，無軸承電機的種類很多，有永磁型、感應型、磁阻型等，其中，結構簡單、易于弱磁、可靠性高的無軸承異步電機尤其受到廣泛的重視。
由于無軸承電機的懸浮是定子上轉矩繞組和懸浮繞組相互作用的結果，電機懸浮力和電磁轉矩之間、懸浮力之間存在著復雜的非線性耦合關系，因此要實現電機高性能穩定運行并有較高的控制性能，必須對電機進行非線性解耦。文獻[5]采用轉子磁場定向控制策略對無軸承異步電機進行丁穩定懸浮控制研究，并取得了不錯的效果，但是這種控制是一種穩態解耦控制，為了實現動態解耦，本文采用神經網絡逆系統方法。對無軸承異步電機徑向位置系統進行動態解耦控制。
2無軸承異步電機徑向懸浮力的數學模型
無軸承異步電機定子中復合疊繞著尸，對極的轉矩繞組和p，對極的徑向力繞組，兩套繞組的極對數應滿足以下關系：p1=p2±1。其中，p1為轉矩繞組的極對數，p2為懸浮力繞組的極對數。且p1=2，由繞組nl1和nl2。構成，用來產生旋轉磁場和電磁力矩；p2=1，由繞組nu和nv構成，用來產生徑向懸浮力。在轉矩繞組和懸浮控制繞組中分別通人電流i1，i2，則分別產生四極磁鏈ψ1和兩極磁鏈ψ2。x，y代表互相垂直的轉子位置控制坐標軸，如圖1所示。
在空載情況下，如轉子需要沿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ψ1和ψ2同向，則氣隙磁密增加，在氣隙左側ψ1和ψ2反向，則氣隙磁密減少，從而產生沿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，將靜止坐標系下的3相轉換為旋轉坐標系下的2相研究。在空載情況下，旋轉坐標系的2相坐標相互垂直，轉矩繞組和徑向力繞組各自的互感為0。轉矩繞組自感l1s和徑向力繞組的自感l2s為常值，二者間的互感m12s與轉子的徑向偏移成比例，即
式中，r和l分別為轉子半弳和轉子軸向長度；μ0為空氣磁導率；g 0為氣隙長度；n1，和n2分別為轉矩繞組和懸浮力繞組匝數。
電機的電感矩陣rl]可表示如下。
式中α和β分別為轉子在x和y方向上的徑向偏移；m為轉矩繞組和徑向力繞組的互感系數；下標s表示定子側的分量。
根據能量轉換關系，無軸承電機儲存的磁能表達式為
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