无轴承异步电机悬浮系统非线性滤波器自适应逆控制研究

摘要

无轴承异步电机(BIM)具有结构紧凑简单，无摩擦，易于弱磁控制，高速和超高速运行等优点，在农业生产机械、农用发电设备、半导体工业、生命科学、飞轮储能等高科技领域有较好的应用前景，但是BIM具有复杂的电磁关系，是多变量、非线性、强耦合的系统，其旋转力和径向悬浮力之间、两自由度径向悬浮力之间都存在着非常复杂的耦合关系，要实现电机转子的稳定悬浮和可控运行，提高控制精度，必须对其进行非线性动态解耦控制，因此考虑BIM的自适应逆解耦控制具有重要的理论和现实意义。论文在国家自然科学基金项目“数控机床高速磁悬浮电主轴自适应逆解耦控制及数字化技术(61174055)”等多项课题的支持下，围绕BIM的控制开展理论和实验研究。
　　本文首先分析BIM的转矩绕组和悬浮绕组结构，研究了BIM的悬浮原理，并且借助麦克斯韦张量法建立了二自由度BIM的数学模型及运动方程，为后续仿真研究奠定理论基础。
　　其次，本文在BIM转矩与悬浮力独立控制理论的基础上，并且将非线性自适应滤波器和逆系统控制方法相结合，提出了基于非线性自适应滤波器的悬浮系统自适应逆解耦控制策略。利用非线性自适应滤波器对悬浮系统进行自适应建模与逆系统建模，复制逆模型，将其串接在系统之前作为自适应逆控制器，同时采用一种变步长最小均方算法在线调节其权值系数。该方法不仅无需辨识转矩绕组气隙磁链，而且利用非线性滤波器可解决精确建模的问题，并在建模过程中解决各变量间的耦合问题。仿真实验表明，该控制策略完成了悬浮系统的动态解耦。
　　最后，设计了BIM基于dSPACE的硬件控制系统，并构建了试验平台。给出了外围扩展硬件系统的主电路和控制电路的设计原理图，详细说明了在线实验过程，并分析实验结果。