无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制关键技术发展

无轴承电动机利用一套新的悬浮力绕组产生悬浮力,使无轴承电动机成为一种多变量、强耦合的非线性系统,如何实现转速与径向位移以及径向位移之间的动态解耦控制是无轴承电动机稳定运行的关键要素之一。神经网络逆系统具有以任意精度逼近非线性函数的能力,可以有效实现无轴承电动机的解耦控制。阐述了无轴承电动机悬浮力产生的原理以及神经网络逆系统解耦原理,从纯神经网络逆系统、神经网络逆系统结合智能控制器等方面分析了国内外无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制策略的研究现状,归纳了无轴承电动机在使用神经网络逆系统进行解耦控制时的共同和不足之处,总结了无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制的一般设计方法,并对神经网络优化、在线训练、抗干扰能力等关键技术发展趋势进行了展望。

基于ICPSO优化的PMa-BSynRM神经网络逆系统解耦控制

针对永磁辅助式无轴承同步磁阻电动机(PMa-BSynRM)存在的强耦合和非线性问题,以及神经网络逆系统解耦控制收敛速度慢和易陷入局部极值的问题,提出了一种将BP神经网络与改进混沌粒子群优化(ICPSO)算法相结合的PMa-BSynRM解耦控制方法。基于PMa-BSynRM的结构和工作原理建立转矩和悬浮力的数学模型并进行可逆性分析,再建立BP神经网络作为逆系统,利用ICPSO算法优化其初始连接权值,通过仿真验证优化效果,经过充分训练后,将BP神经网络与原系统串联形成伪线性系统,从而实现PMa-BSynRM的解耦控制。仿真及试验结果表明,采用ICPSO算法优化的BP神经网络逆系统收敛速度和解耦性能均优于传统神经网络逆系统,改善了PMa-BSynRM的动态与静态性能。

基于EKF的无轴承异步电机无速度传感器控制

为解决无接触、无摩擦无轴承异步电机低成本运行中转速辨识问题,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的无速度传感器控制方法。该方法分别将电机的端电压和定子电流作为无轴承异步电机状态方程的控制变量和可测变量,并将系统状态方程降阶后,经扩展卡尔曼滤波器估计的递推公式得出含有电机转子转速的状态变量,实现转速参量的在线辨识并减少计算量。仿真结果表明:利用该检测方法构造的控制系统不仅能在宽速范围内有效观测转子转速,且具有优良的转速和转矩特性。进一步实验也表明,该控制方法能准确辨识出转速,并将转子径向位移峰-峰值控制在100μm以内稳定悬浮运行,实现了无轴承异步电机无速度传感器方式下的稳定悬浮运行,验证了所提检测方法的正确性与有效性。

基于自适应模糊神经网络的无轴承异步电机控制

针对无轴承异步电机多变量、非线性、强耦合等特点,为实现其稳定悬浮控制,提出了一种基于自适应模糊神经网络推理系统(adaptive neuro-fuzzy inference system,ANFIS)的控制新策略。在分析无轴承异步电机径向悬浮力产生机理的基础上,推导出无轴承异步电机数学模型,基于ANFIS控制原理,完成了控制器设计,包括控制变量和隶属函数的选取、通过PID控制对输入输出数据的采集、根据选定的误差准则修正隶属函数参数以及采用Sugeno型ANFIS控制器训练FIS(fuzzy inference system)模型。基于MATLAB/Simulink仿真平台,对转速为6 000 r/min的无轴承异步电机控制系统的悬浮、转速、转矩响应进行了仿真分析。仿真结果表明该控制策略能在0.12 s内实现转子的稳定悬浮,且当负载转矩突变时,转子的悬浮性能并没有受到影响,转子径向偏移小于0.001mm。在转速突变后,控制系统也能较好的跟踪给定转速,稳定时的转速误差小于20 r/min,控制系统具有良好的动、静态性能。最后在无轴承异步电机控制系统试验平台上对所提策略开展了试验研究,试验结果同样表明,该控制策略能实现无轴承异步电机的稳定悬浮工作,转子径向位移峰峰值范围可以保持在80μm以内,系统响应快,鲁棒性强,控制精度较高,验证了该文提出的ANFIS控制方法的正确性和有效性。

基于低频信号注入法的无轴承异步电机转速自检测控制

针对无轴承异步电机运行中悬浮转子转速检测问题,提出了一种基于低频信号注入法的无速度传感器控制新策略。该策略在无轴承异步电机基波模型基础上,通过注入低频信号引起的响应来构造转子位置偏差角,进一步通过PI控制器对偏差角进行调节,得到电机气隙磁场旋转速度,进而估计电机转速。运用该转速自检测方法,在Matlab/Simulink平台中搭建了无轴承异步电机无速度传感器矢量控制系统仿真模型,并进行了仿真研究。仿真结果表明,该方法能够在0.15 s内快速跟踪转子转速,并且具有优良的悬浮和转矩特性。试验结果同样表明,该方法不仅具有良好的转速在线自检测能力,而且能在无速度传感器方式下实现转子稳定悬浮运行,验证了所提方法的有效性和实用性。

无轴承异步电机关键技术与发展趋势

无轴承异步电机集磁轴承和异步电机优点于一体,既能产生支承转子的径向悬浮力,又能产生驱动负载的电磁转矩,在高速机床电主轴、压缩机、涡流分子泵、计算机硬盘驱动等特殊场合具有广泛的应用前景。在介绍无轴承异步电机工作原理的基础上,对迄今为止出现的具有代表性的无轴承异步电机结构、数学模型以及控制技术进行了综述,针对目前无轴承异步电机的研究现状和不足之处,探讨了无轴承异步电机技术的研究方向和发展趋势,以期为进一步研究无轴承异步电机技术指明方向。

基于BPNN的无轴承异步电机传感器故障诊断及容错控制

针对无轴承异步电机(bearinglessinductionmotor,BL-IM)速度传感器故障识别问题,提出一种基于反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)的故障诊断控制策略。首先,选取BL-IM转矩、相电流等信号作为BPNN传感器故障诊断依据,并利用传感器在不同故障下的转矩等故障数据样本不断地对BPNN进行训练学习,提高故障诊断及故障分类的准确率。其次,利用分数阶模型参考自适应控制(fractional order model reference adaptive system,FO-MRAS)建立无速度传感器容错控制系统,完成故障系统到容错控制系统的切换,最终实现BL-IM在传感器故障下的正常运行。仿真和实验结果均表明,提出的BPNN故障诊断系统不仅能够实现空载以及带载运行时速度传感器故障的准确识别,并且容错控制系统能显著降低传感器故障对转速的影响,同时电机悬浮转子也具有较好的悬浮特性,提高了BL-IM的安全性和可靠性。

无轴承异步电机最小二乘支持向量机逆解耦控制

为了实现无轴承异步电机径向悬浮力、转速和磁链的非线性动态解耦控制,提出了基于最小二乘支持向量机逆的解耦控制策略.在分析无轴承异步电机原系统可逆的基础上,首先采用最小二乘支持向量机逼近原系统逆模型,然后将逆模型串接于原系统之前构成伪线性复合系统,将无轴承异步电机线性化解耦成径向二自由度位移子系统、转速子系统以及磁链子系统,最后为了进一步提高整个控制系统性能,为伪线性复合系统设计了闭环控制器,并采用Matlab对控制方法解耦性能进行了仿真.仿真结果表明:该方法能够成功实现无轴承异步电机系统的非线性解耦控制,并且系统具有优良的鲁棒性和动、静态性能,克服了传统解析逆解耦控制方法过分依赖于系统模型的缺点.

无轴承异步电机转子质量偏心振动补偿控制

为解决由机械不平衡引起的无轴承异步电机转子质量偏心振动问题,提出了一种基于自适应最小均方(least-meansquare,LMS)滤波器产生振动补偿信号的控制方法。首先分析了无轴承异步电机不平衡振动产生机理,从检测到的位移信号中分离出与转速同频的振动信号分量,再利用自适应LMS滤波器产生一个与其同频同幅同相位的补偿信号去消除振动信号分量,从而达到振动抑制的目的。最后在MATLAB/Simulink工具箱中对该控制方法进行了仿真研究,并在一台试验样机上进行了实验验证。仿真和实验结果表明,所提基于LMS算法的自适应滤波器能够有效地降低转子径向振动位移的峰-峰值,并且能减小位移控制回路的电流,从而验证了所提方法的正确性与有效性。

基于转矩绕组无功功率MRAS的无轴承异步电机无速度传感器矢量控制系统

针对无轴承异步电机运行中转速辨识问题,提出了一种基于转矩绕组无功功率的模型参考自适应系统(MRAS)的无速度传感器矢量控制方法。该方法将反电动势和定子电流叉乘得到的瞬时无功功率作为可调模型,建立转速与转矩绕组无功功率的关系式,克服了传统MRAS方法转速受积分环节以及定子电阻变化的影响,实现对转子转速的在线辨识。理论分析和计算机仿真结果表明,提出的控制方案能在高速、低速、负载扰动等不同工况下准确辨识转子速度,实现无速度传感器方式下无轴承异步电机的稳定悬浮运行,具有令人满意的静动态特性和较强的鲁棒性。

基于电流误差限定的无轴承异步电机模型预测电流控制

针对无轴承异步电机传统矢量控制中存在电流畸变的问题,提出一种基于电流误差限定的模型预测电流控制(model predictive current control,MPCC)策略。在建立无轴承异步电机离散数学模型的基础上,根据定子电流和定子磁链观测值,预测下一时刻的定子磁链和定子电流。运用电流误差限定策略对每个电压矢量下的电流进行筛选,选取最优电压矢量对应的开关状态作为逆变器的输出状态,从而有效降低开关频率。同时,引入全阶观测器,提高参数观测值的精确度,加快电机的收敛速度。由于系统存在滞后性,对系统进行延时补偿,进一步提高了电机的控制性能。仿真和实验结果均表明,采用所提MPCC策略的无轴承异步电机控制系统,电流畸变有效改善,能实现稳定悬浮,具有良好的静态特性和动态响应特性。

基于Ansoft/Maxwell 2D的开关磁阻电机起动性能仿真分析与实验研究

为了获得良好电机的起动性能,基于Ansoft/Maxwell 2D的仿真环境,建立了六相12/10极开关磁阻电机(SRM)有限元仿真模型;仿真分析了关断角、开通角对电机起动性能的影响,并进了实验验证。研究结果为SRM及其控制系统的设计和优化提供了重要依据,有一定参考意义。

无轴承异步电机传感器故障容错控制

为了避免转速和电流传感器故障对无轴承异步电机(BAM)矢量控制系统中转速环、电流环以及悬浮控制的影响,提出了一种无轴承异步电机传感器故障容错控制策略。首先,设计扩张观测器实现对无轴承异步电机转速及误差的观测,利用数据融合策略来实现故障时转速的平滑切换,再根据转速观测误差设计合理阈值实现速度传感器的故障诊断及容错。其次,根据状态方程实现电流的观测,同时利用扩张观测器补偿状态方程的观察扰动,再根据电流观测误差设计合理阈值实现电流传感器的故障诊断及容错。最后的仿真和实验结果表明,所提出的无轴承异步电机传感器故障容错控制系统能在0.025 s内准确的实现转速和电流的故障诊断及容错控制,且其误差分别在±63 r/min和58 r/min以内,此外整个过程转子位移波动幅度在±38μm以内,这表明转子能实现良好悬浮。

无轴承异步电机无径向位置传感器控制

针对无轴承异步电机(BIM)运行中转子位置辨识问题,提出一种基于改进反电动势法的无位置传感器控制方法.该方法在反电动势法(BEMF)的基础上,通过加入低通滤波器减小径向悬浮力绕组磁链的观测误差,同时对低通滤波器引起的相位和幅值偏差进行补偿,获得改进后的径向悬浮力绕组磁链观测模型,根据磁链-位移方程最终获取转子径向偏移,实现转子径向位移自检测.应用这种位置检测方法,建立了无轴承异步电机无位置传感器矢量控制系统,并进行仿真研究.仿真结果表明:该控制系统不仅能有效检测出转子径向位置,且具有优良的转速和转矩特性.进一步的实验结果同样表明:该方法能具有良好的位置在线自检测能力,实现了无轴承异步电机无位置传感器方式下的稳定悬浮运行.

基于坐标变换的无轴承异步电机转子振动前馈补偿控制

为解决无轴承异步电机在高速运行时由机械不平衡引起的转子质量偏心问题,设计一种基于坐标变换的转子振动前馈补偿控制系统。该系统利用旋转坐标变换从位移信号中提取出振动信号,加在原有的径向悬浮力控制系统中,构成1个前馈补偿器,使得控制器给定径向悬浮力信号中同期成分控制力增大,并加大径向悬浮力控制系统对振动信号的刚度,从而强迫转子围绕其几何中心轴旋转,实现转子的振动抑制。研究结果表明:当转速为6 000 r/min时,仿真补偿后转子振动峰-峰值约为11μm,表明该补偿控制策略能很好地抑制悬浮转子的振动,提高转子旋转精度。该前馈补偿控制方法能够将转子径向位移峰-峰值范围控制在40μm以内,验证了所提方法的正确性与有效性。

基于MAXWELL3D的电磁制动器电磁体仿真优化设计

为了实现车辆电磁制动器电磁体表面均匀磨损和减小旋转趋势,基于制动器运行机理,提出电磁体内侧磁路开槽的非对称设计方法。理论计算并设计了非对称磁路,在此基础上,利用Maxwell3D有限元仿真软件,得到了最佳的电磁体非对称结构与参数,并将对称结构与自制非对称结构电磁体作耐久性磨损试验对比,结果表明非对称结构电磁体摩擦表面的均匀磨损性明显优于对称结构电磁体,从而提高了制动器的寿命和可靠性。

基于Ansoft的磁悬浮开关磁阻电动机电磁力仿真计算初探

基于磁悬浮开关磁阻电动机运行机理和径向力数学模型,利用Ansoft/Maxwell 2D对实验样机进行了电磁径向力数值计算和磁场仿真研究,为精确描述磁浮开关磁阻电动机非线性数学模型、控制系统设计奠定了基础。

电气工程及其自动化专业实践教学的探索与思考

实践教学是培养学生实践能力、创新能力和综合能力的关键环节。目前,我国高等学校的实践教学明显落后于发达国家。在分析现行实践教学存在主要问题及其原因的基础上,结合电气工程及其自动化专业特点,建立实践教学保障体系,加强实践教学计划与教材建设,开展多层次、多渠道实践教学改革对促进高校教学工作具有重要意义。

电力系统谐波电流实时检测方法的研究

无功补偿和谐波抑制是涉及电气自动化、电力系统、电力电子、电工学和控制理论等多学科的一门课题。谐波和无功的存在不仅降低了电力系统设备的供电效率,而且大量的谐波还会危害公共电网的安全,干扰临近用电设备的正常运行。另一方面,三相电力系统中的不对称也危害电网及临近设备的安全。本文提出了两种基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法,通过M atlab仿真和实验证明了方法的正确性。

“电机学”课程教学改革与实践

"电机学"课程是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课。为提高教学质量,培养高素质复合型创新人才,本文从教学内容、方法、手段以及实践环节几方面提出了"电机学"课程建设的改革与实践,取得了较好成效。