孫宇新　錢忠波

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院　鎮(zhèn)江　212013)

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無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立魯棒控制方法研究

孫宇新錢忠波

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院鎮(zhèn)江212013)

摘要為實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)(BIM)的動(dòng)態(tài)解耦控制，基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)，提出一種懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立魯棒控制方法。應(yīng)用RBFNN辨識(shí)系統(tǒng)模型不確定因素和外界干擾，基于HJI不等式原理設(shè)計(jì)RBFNN魯棒控制器，實(shí)現(xiàn)懸浮子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)獨(dú)立解耦控制，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的BIM控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立控制魯棒控制器HJI不等式徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0引言

依靠轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組磁場(chǎng)的共同作用，無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)(Bearingless Induction Motor，BIM)可實(shí)現(xiàn)籠型轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于弱磁以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于高速精密數(shù)控機(jī)床及高壓密封泵等高速驅(qū)動(dòng)的高新技術(shù)領(lǐng)域，因而受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而，BIM的多套繞組之間存在復(fù)雜的電磁關(guān)系，使得解耦控制成為實(shí)現(xiàn)BIM穩(wěn)定懸浮和轉(zhuǎn)矩輸出的關(guān)鍵問題。

自BIM被提出以來，眾多專家學(xué)者已對(duì)懸浮力和轉(zhuǎn)矩解耦控制進(jìn)行了大量研究。轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁場(chǎng)定向控制方法是目前控制無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)較為成熟的控制方法之一，但該方法需要在兩套繞組控制子系統(tǒng)之間傳遞轉(zhuǎn)矩繞組的氣隙磁鏈信息，所以并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的獨(dú)立解耦控制[1]。其次，因其本身機(jī)理的制約存在最大轉(zhuǎn)矩限制[2]，從而影響其在重載和大功率條件下的應(yīng)用。此外，逆系統(tǒng)、支持向量機(jī)和靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也被陸續(xù)應(yīng)用到非線性系統(tǒng)解耦控制中[3-7]。然而，傳統(tǒng)逆系統(tǒng)解耦控制方法需要獲得被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)屬于多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型隨其運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)發(fā)生改變，導(dǎo)致傳統(tǒng)逆系統(tǒng)方法很難在實(shí)際中得到應(yīng)用。基于靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逆系統(tǒng)解耦控制方法能夠使無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能[3-4，8]，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸入變量多、實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難。文獻(xiàn)[9]提出將滑模觀測(cè)器應(yīng)用到無(wú)位置和無(wú)速度傳感器控制中，擺脫了傳統(tǒng)基于電動(dòng)機(jī)模型的無(wú)速度、無(wú)位置傳感器對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性能。文獻(xiàn)[10]對(duì)短路容錯(cuò)控制在無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析，為提高無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)控制安全性和魯棒性提供了一條新思路。文獻(xiàn)[11]提出了一種懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立控制方法，通過電壓模型辨識(shí)方法辨識(shí)出懸浮繞組獨(dú)立控制條件下的轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈幅值和相位，使轉(zhuǎn)矩繞組擺脫懸浮原理約束，提高了調(diào)速方法的靈活性。更為重要的是，這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)懸浮力和轉(zhuǎn)矩之間解耦，使得BIM具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，還具有算法簡(jiǎn)單及極易實(shí)用化等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)解耦控制，本文提出了一種基于徑向基函數(shù)(Radial Basis Function Neural Network，RBFNN)和HJI(Hamilton-Jacobi-Isaacs)不等式原理的懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立魯棒控制方法。該方法通過氣隙磁鏈辨識(shí)器辨識(shí)出實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制所必須的精確氣隙磁鏈，同時(shí)基于HJI不等式原理設(shè)計(jì)了RBFNN魯棒控制器，最后建立控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)懸浮繞組子系統(tǒng)的獨(dú)立控制，使控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力；轉(zhuǎn)矩繞組子系統(tǒng)則通過普通變頻器控制，增強(qiáng)了控制方法的實(shí)用性。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)表明，該獨(dú)立控制方案能夠使無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有良好的控制性能和較強(qiáng)的魯棒性。

1無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)基本機(jī)理

1.1基本原理

BIM集磁軸承和電動(dòng)機(jī)功能于一體，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮和旋轉(zhuǎn)功能，是特種傳動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域采用無(wú)軸承支承運(yùn)行的最具有發(fā)展前途的方案之一[12]。從結(jié)構(gòu)上分析，無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)通過在原有的定子繞組中添加一套徑向力繞組，通過兩套不同極對(duì)數(shù)繞組磁場(chǎng)的相互作用，使異步電動(dòng)機(jī)氣隙合成磁場(chǎng)的對(duì)稱性發(fā)生改變，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生可控徑向力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮和旋轉(zhuǎn)。

懸浮繞組的引入打破了電動(dòng)機(jī)原有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的平衡，使得電動(dòng)機(jī)氣隙中一個(gè)區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)增強(qiáng)，其對(duì)稱區(qū)域的磁場(chǎng)減弱，產(chǎn)生的麥克斯韋力指向磁場(chǎng)增強(qiáng)的方向。如圖1所示，分別向轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組中通入電流I1和I2，產(chǎn)生磁鏈ψ1和ψ2。

圖1　徑向懸浮力產(chǎn)生原理Fig.1　Generation principle of radial suspension force

在忽略負(fù)載的情況下，由于在氣隙上側(cè)ψ1和ψ2同向，合成磁通密度會(huì)增加；在氣隙下側(cè)ψ1和ψ2反向，則合成磁通密度會(huì)減少，從而磁拉力的分布發(fā)生改變，產(chǎn)生沿y正方向的徑向懸浮力Fy。在懸浮控制繞組中通入反向電流，可產(chǎn)生沿y負(fù)方向的徑向懸浮力。同理，沿x軸方向的徑向懸浮力Fx可通過在懸浮控制繞組中通入與I2垂直的電流獲得。

1.2徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型

當(dāng)懸浮繞組極對(duì)數(shù)P2與轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)P1滿足P1=P2+1時(shí)，洛倫茲力(用F1表示)和麥克斯韋力(用Fm表示)方向相同，令F(F=Fm+Fl)為懸浮力的可控分量，在d、q軸旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)坐標(biāo)系下用磁鏈表示的懸浮力公式為

(1)

式中，ψd1、ψq1分別為氣隙磁鏈分量；K=Km+Kl，其中Km為麥克斯韋常數(shù)，Kl為洛倫茲力常數(shù)；下標(biāo)1、2分別為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組；下標(biāo)s為對(duì)應(yīng)定子分量。

當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心時(shí)，因氣隙不均勻造成氣隙磁場(chǎng)的不平衡會(huì)產(chǎn)生偏心磁拉力，這是一種固有的麥克斯韋力，其表達(dá)式為

(2)

傳統(tǒng)BIM徑向懸浮力模型多基于理想情況下建立，從而忽略了系統(tǒng)模型不確定性和外界干擾。將系統(tǒng)模型不確定性和外界干擾考慮其中，轉(zhuǎn)子在徑向力和外界力作用下的位移運(yùn)動(dòng)方程表示為

(3)

式中，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；dx、dy分別為模型不確定性以及外界干擾。

對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行定向控制，則有

ψd1=ψ1, ψq1=0

(4)

將式(4)代入式(1)可簡(jiǎn)化為

(5)

由式(5)可得出懸浮繞組電流與懸浮力之間的關(guān)系，根據(jù)懸浮繞組電壓和電流之間的非線性關(guān)系再映射出Ud2s和Uq2s。

2氣隙磁鏈辨識(shí)方法

由于徑向懸浮力的控制只與轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈的幅值和相位相關(guān)，因此若能有效探測(cè)或辨識(shí)該磁鏈的幅值和相位，便能實(shí)現(xiàn)懸浮子系統(tǒng)的獨(dú)立控制[11]。因此，對(duì)氣隙磁鏈幅值和相位的精確辨識(shí)是能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制的關(guān)鍵。

2.1轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)矩繞組的定子磁鏈在靜止等效α、β坐標(biāo)系下有

(6)

式中，ψα1s、ψβ1s分別為定子磁鏈在α、β軸方向分量；Uα1s、Uβ1s分別為定子電壓在α、β軸方向分量；iα1s、iβ1s分別為定子電流在α、β軸方向分量；R1s為轉(zhuǎn)矩繞組的定子電阻。

轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈在α、β坐標(biāo)系中滿足

(7)

式中，L1sl為轉(zhuǎn)矩繞組的定子漏感。

2.2氣隙磁鏈辨識(shí)電壓模型法

電壓模型法通過式(6)和式(7)計(jì)算氣隙磁場(chǎng)，圖2為氣隙磁鏈辨識(shí)框圖。

圖2　氣隙磁鏈辨識(shí)框圖Fig.2　Identification of airgap flux linkage

采用圖2所示的氣隙磁鏈辨識(shí)模型可通過采集電壓電流信號(hào)在線辨識(shí)出氣隙磁鏈值，為實(shí)現(xiàn)懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立控制提供前提。

3獨(dú)立魯棒控制系統(tǒng)

文獻(xiàn)[13]研究表明帶模有界條件的非線性不確定系統(tǒng)，在適當(dāng)?shù)恼齽t性假設(shè)下，其魯棒可鎮(zhèn)定性完全可由一個(gè)擴(kuò)展的HJI微分不等式是否存在正解來確定。本文基于HJI不等式原理對(duì)無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)懸浮子系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)采用通用變頻器控制時(shí)懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立控制，且轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)以及懸浮子系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

3.1HJI不等式定理

針對(duì)如下模型

(8)

式中，d為外界干擾；z為系統(tǒng)的評(píng)判指標(biāo)。

定義：對(duì)于信號(hào)d(t)，其L2范數(shù)為

(9)

該范數(shù)可衡量d(t)的能量大小。

為了評(píng)判系統(tǒng)的干擾抑制能力，定義如下性能指標(biāo)

(10)

式中，J為系統(tǒng)的H∞增益，表示系統(tǒng)擾動(dòng)抑制性能，J越小表示系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制性能越強(qiáng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[14，15]中定理2和式(8)，HJI定理可描述為：對(duì)一個(gè)正數(shù)γ，如果存在一個(gè)正定且可微的函數(shù)L(x)≥0且

(11)

當(dāng)式(11)對(duì)于任意的d都成立，則J≤γ。

3.2魯棒控制器設(shè)計(jì)

將HJI不等式應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)魯棒控制器中能有效改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此本文提出一種基于HJI不等式原理的魯棒控制器，通過RBFNN辨識(shí)系統(tǒng)模型不確定因素以及外界因素[16]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM懸浮子系統(tǒng)的獨(dú)立解耦控制。將本文閉環(huán)系統(tǒng)式(3)改寫為矢量形式

(12)

式中，z為位移矢量。

假設(shè)理想跟蹤位移為zd，跟蹤誤差e=z-zd，設(shè)計(jì)前饋控制律為

(13)

式中，u為反饋控制律。

將式(13)代入式(12)可得

(14)

采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近d(z)，其表達(dá)式為

(15)

綜合式(14)和式(15)得

(16)

定義

(17)

式中，若α>0，則

(18)

利用HJI不等式將式(18)寫成如下形式

(19)

式中

設(shè)計(jì)如下自適應(yīng)律

(20)

式中，η為正實(shí)數(shù)。

設(shè)計(jì)反饋控制律為

(21)

由HJI不等式定理可得，設(shè)計(jì)后的閉環(huán)系統(tǒng)滿足J≤γ， 是穩(wěn)定的[17]。

3.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)良好的動(dòng)靜態(tài)性能，本文提出了一種基于RBFNN和HJI不等式的自適應(yīng)魯棒控制器的懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立魯棒控制系統(tǒng)，如圖3所示，其中M=1/Kψ1。

圖3　懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立魯棒控制系統(tǒng)框圖Fig.3　Independent robust control system for levitation subsystem

與傳統(tǒng)氣隙磁場(chǎng)定向以及傳統(tǒng)懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立控制系統(tǒng)相比，本文創(chuàng)新點(diǎn)在于基于HJI不等式原理的魯棒控制器設(shè)計(jì)及懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立魯棒控制系統(tǒng)的建立，具有如下特點(diǎn)：

1)運(yùn)用氣隙磁鏈觀測(cè)辨識(shí)出氣隙磁鏈值，使實(shí)現(xiàn)高性能獨(dú)立控制成為可能，轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)則可使用通用變頻器控制，增強(qiáng)了BIM的實(shí)用性。

2)設(shè)計(jì)基于HJI不等式原理和RBFNN的魯棒控制器取代傳統(tǒng)的PID控制器，減少了參數(shù)調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性能和控制準(zhǔn)確度。

3)內(nèi)環(huán)采用PID電流滯環(huán)，加快了反應(yīng)速度。

4)采用SVPWM算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SPWM算法，增加了電壓利用率，具有一定優(yōu)勢(shì)。

4系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)分析

以一臺(tái)無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)為研究對(duì)象，首先通過Matlab建立仿真模型來驗(yàn)證本文提出的控制策略的有效性?？刂破魅?-7-2結(jié)構(gòu)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，η=1 500，α=20，γ=0.05，高斯函數(shù)參數(shù)ci和bi分別為[-1.5-1-0.500.511.5]和10，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1　電動(dòng)機(jī)參數(shù)

由于徑向懸浮力的控制只與轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈的幅值和相位有關(guān)，采用獨(dú)立控制后轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)擺脫懸浮原理束縛，所以轉(zhuǎn)矩繞組就近似于一個(gè)獨(dú)立的異步電動(dòng)機(jī)模型，仿真中采用變頻器控制轉(zhuǎn)矩繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。在0.5 s給定轉(zhuǎn)速由3 600 r/min突加至7 200 r/min。圖4中，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速到達(dá)給定轉(zhuǎn)速3 600 r/min，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.01 s，幾乎沒有超調(diào)，且保持穩(wěn)定；當(dāng)轉(zhuǎn)速給定突變至7 200 r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速響應(yīng)，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.01 s，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。懸浮繞組由本文提出的獨(dú)立魯棒解耦控制算法控制，如圖5所示，設(shè)置轉(zhuǎn)子質(zhì)心x軸徑向位移初始值為-0.08 mm，y軸徑向位移初始值為-0.25 mm，初始期望徑向位移均為0 mm。由圖5a、圖5b可知，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)子質(zhì)心迅速到達(dá)給定中心點(diǎn)位置，并保持穩(wěn)定，位移超調(diào)小于0.05 mm，超調(diào)時(shí)間約為0.06 s。

圖4　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形Fig.4　Speed waveform of rotor

圖5　采用本文獨(dú)立魯棒控制方法仿真結(jié)果Fig.5　Simulating results using independent robust control method

其次，為了檢驗(yàn)徑向懸浮力子系統(tǒng)在x、y軸方向上的徑向懸浮力(徑向位移)是否實(shí)現(xiàn)解耦控制，在0.8 s調(diào)整x軸徑向位移為0.15 mm，在0.6 s調(diào)整y軸徑向位移為-0.15 mm，并與采用傳統(tǒng)滯環(huán)控制方法進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5和圖6所示。首先比較圖5a和圖5b可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)x軸徑向位移發(fā)生突變時(shí)，y軸徑向位移并未受到影響；當(dāng)y軸徑向位移發(fā)生突變時(shí)，x軸徑向位移也未受到影響，因此可得出使用RBFNN魯棒控制器能夠?qū)崿F(xiàn)x軸和y軸徑向力解耦，且系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。由圖4、圖5可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí)，徑向位移并未發(fā)生明顯變化；當(dāng)徑向位移發(fā)生突變時(shí)，轉(zhuǎn)速也未發(fā)生明顯變化，仿真表明懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立魯棒控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力之間的解耦。

采用傳統(tǒng)滯環(huán)控制時(shí)轉(zhuǎn)子徑向位移最大超調(diào)約為0.11 mm，最大超調(diào)時(shí)間約為0.12 s。比較圖5和圖6可見，在本文提出方法的控制下，懸浮子系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子抖動(dòng)更小，懸浮性能優(yōu)異，且具有更好的抗干擾能力。

圖6　采用傳統(tǒng)滯環(huán)控制方法仿真結(jié)果Fig.6　Simulation results using hysteresis control method

最后，采用本文控制策略，利用實(shí)驗(yàn)室無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制平臺(tái)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行控制，圖7為無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制平臺(tái)。

圖7　無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制平臺(tái)Fig.7　Digital platform for BIM

如圖8所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮，且位移誤差小于±50 μm，證明了本文所提方法實(shí)現(xiàn)解耦控制的有效性。比較仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形可知，由于仿真時(shí)電動(dòng)機(jī)模型理想化，而實(shí)際中電動(dòng)機(jī)加工準(zhǔn)確度不高引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不平衡，導(dǎo)致仿真波形的波動(dòng)程度并沒有實(shí)驗(yàn)波形明顯。此外轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不平衡導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)心不在x、y坐標(biāo)系原點(diǎn)位置，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于x、y軸垂直相位差為90°，在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為x、y軸方向位移波形相差一定角度，且轉(zhuǎn)速越高波動(dòng)頻率越高，其深層次原因還需進(jìn)一步研究。為了驗(yàn)證該方法的魯棒性，在無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定懸浮時(shí)，沿徑向?qū)S施加一定壓力。如圖9所示，突加擾動(dòng)時(shí)，徑向位移發(fā)生微小變化，短時(shí)間內(nèi)能夠迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明能夠?qū)崿F(xiàn)較強(qiáng)的魯棒控制。此外當(dāng)y軸方向位移發(fā)生突變時(shí)，x軸方向位移變化不明顯，說明能夠?qū)崿F(xiàn)徑向力動(dòng)態(tài)解耦控制。

圖8　轉(zhuǎn)速變化時(shí)轉(zhuǎn)子質(zhì)心位移實(shí)驗(yàn)波形Fig.8　Experimental waveform of rotor centroid displacement when the speed changes

圖9　突加擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子質(zhì)心位移實(shí)驗(yàn)波形Fig.9　Experimental waveform of rotor centroid displacement when interrupted

5結(jié)論

針對(duì)無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)懸浮力繞組獨(dú)立控制系統(tǒng)中魯棒性差等缺陷，本文提出了懸浮力子系統(tǒng)獨(dú)立魯棒解耦控制方法。首先通過磁鏈辨識(shí)方法辨識(shí)出懸浮子系統(tǒng)獨(dú)立控制所必須的氣隙磁鏈值；同時(shí)基于HJI不等式原理設(shè)計(jì)了RBFNN魯棒控制方法替代傳統(tǒng)滯環(huán)控制方法，提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力及控制性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該控制方法不僅能提高無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)用性，且控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，為無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)解耦控制提供了一條新思路。

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E-mail：syx4461@ujs.edu.cn

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E-mail：1078903061@qq.com(通信作者)

Study on Independent Robust Control of Levitation Subsystem for Bearingless Induction Motors

SunYuxinQianZhongbo

(School of Electrical and Information Engineering of Jiangsu UniversityZhenjiang212013China)

AbstractTo realize the dynamic decoupling control for the high-speed bearingless induction motor (BIM), an independent robust control method for the levitation subsystem is proposed based on the radial basis function neural network (RBFNN). The parameter uncertainty and external disturbance of the BIM are identified by the RBFNN. And then the RBFNN robust controller is designed based on the HJI (Hamilton-Jacobi-Isaacs) theory to realize the dynamic decoupling and independent control for the levitation subsystem in order to improve its operation stability and disturbance attenuation performance. The simulation and experiment results show the satisfied dynamic and static performances of the presented control system for the BIM.

Keywords：Bearingless induction motor，the levitation subsystem，independent control，robust controller，Hamilton-Jacobi-Isaacs inequality，radial basis function neural network

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TM343；TP273

收稿日期2015-11-05改稿日期2016-01-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(61174005)和國(guó)家自然科學(xué)青年基金(51407085)資助項(xiàng)目。