五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)最小二乘支持向量機(jī)自檢測(cè)與逆控制.pdf

1、磁懸浮電機(jī)集傳統(tǒng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)與磁軸承懸浮功能于一體，以同時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電磁轉(zhuǎn)矩和支承轉(zhuǎn)子的懸浮力為目標(biāo)，打破了傳統(tǒng)電機(jī)僅為了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而必須保持氣隙磁場(chǎng)平衡的思路，開辟了高速電機(jī)研究領(lǐng)域的新方向。磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)將磁懸浮技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合，在繼承一般磁懸浮電機(jī)無摩擦、無磨損、軸向空間利用率高、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速大等優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了開關(guān)磁阻電機(jī)的高速優(yōu)越性以及對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，同時(shí)通過徑向力的主動(dòng)控制，有效改善了開關(guān)磁阻電機(jī)因不

2、平衡磁拉力造成的振動(dòng)和噪聲問題，成為目前磁懸浮電機(jī)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。本文以一臺(tái)五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)為研究對(duì)象，在對(duì)其電磁，動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行精確化建模與分析基礎(chǔ)上，針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部存在的多自由度、強(qiáng)耦合、非線性特性以及傳感器帶來的價(jià)格昂貴、可靠性低、動(dòng)態(tài)性能差等問題，開展了五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)最小二乘支持向量機(jī)自檢測(cè)與逆控制研究。論文主要研究工作及取得的成果如下:
　　 1)給出了五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，

3、設(shè)計(jì)了一種新型三磁極交直流供電式徑向.軸向混合磁軸承，分析了該磁軸承徑向和軸向懸浮工作原理;介紹了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及其懸浮力和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)和徑向.軸向混合磁軸承的關(guān)鍵電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)，給出了設(shè)計(jì)結(jié)果并研制了一臺(tái)完整的五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。
　　 2)基于平動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系構(gòu)建了五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型，依據(jù)動(dòng)力學(xué)模型定性分析了轉(zhuǎn)子支承特性;針對(duì)磁軸承傳統(tǒng)平衡位置附近近似

4、線性化模型的不足，采用等效磁路法構(gòu)建了徑向.軸向混合磁軸承大氣隙范圍內(nèi)精確懸浮力模型;考慮到轉(zhuǎn)子徑向偏心和耦合對(duì)模型的影響，結(jié)合等效磁路、有限元分析和虛位移定理構(gòu)建了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)偏心耦合下的精確化懸浮力和轉(zhuǎn)矩模型;并利用Matlab和Ansoft仿真軟件對(duì)模型的耦合非線性進(jìn)行定性和定量分析。
　　 3)針對(duì)五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)所用傳感器帶來的一系列問題，將最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)與狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)理論相結(jié)合，

5、研究了基于LS-SVM觀測(cè)器的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位移位置自檢測(cè)方法。構(gòu)建了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)狀態(tài)空間模型，闡述了位移位置LS-SVM觀測(cè)器設(shè)計(jì)原理，采用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了位移位置觀測(cè)器的穩(wěn)定性，通過LS-SVM離線訓(xùn)練和在線學(xué)習(xí)獲得了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)位移位置觀測(cè)器。仿真表明LS-SVM觀測(cè)器不依賴于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)精確數(shù)學(xué)模型和具體運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，觀測(cè)精度高，可為磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)無傳感器運(yùn)行提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的位移

6、和位置反饋信息。
　　 4)為實(shí)現(xiàn)五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)磁軸承支承端轉(zhuǎn)子位移的實(shí)時(shí)高精自檢測(cè)，開展了基于粒子群優(yōu)化LS-SVM的磁軸承轉(zhuǎn)子位移預(yù)測(cè)建模研究。借助徑向，軸向混合磁軸承大氣隙范圍內(nèi)的精確懸浮力模型進(jìn)行閉環(huán)采樣仿真，通過采集具有代表性和遍歷性的輸入輸出樣本數(shù)據(jù)，離線訓(xùn)練LS-SVM獲得了磁軸承轉(zhuǎn)子位移預(yù)測(cè)模型，針對(duì)LS-SVM超參數(shù)選取問題，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)，以提高轉(zhuǎn)子位移預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)能力;對(duì)比

7、仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建位移預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)了五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)磁軸承支承端轉(zhuǎn)子徑向和軸向位移的自檢測(cè)。
　　 5)針對(duì)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力模型的耦合非線性，將LS-SVM辨識(shí)建模方法與逆系統(tǒng)線性化解耦控制原理相結(jié)合，研究了基于LS-SVM逆系統(tǒng)的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)解耦控制。分析了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力模型的可逆性，采用自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化LS-SVM構(gòu)建了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)逆辨識(shí)模型;將遺傳優(yōu)化的LS-S

8、VM逆模型與對(duì)象串聯(lián)構(gòu)造偽線性復(fù)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與懸浮力的線性化和解耦;在此基礎(chǔ)上，對(duì)線性化解耦后的偽線性復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)了內(nèi)?？刂破鳎岣吡丝刂葡到y(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力。
　　 6)為解決磁軸承現(xiàn)有控制方法只適合于平衡位置附近線性化模型的局限性，進(jìn)一步將LS-SVM逆系統(tǒng)方法用于五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)支承磁軸承的大氣隙范圍內(nèi)非線性解耦控制中。分析了磁軸承大氣隙范圍內(nèi)懸浮力模型的可逆性;給出了遺傳優(yōu)化LS

9、-SVM的逆模型辨識(shí)步驟;將辨識(shí)得到的LS-SVM逆模型作為前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，通過引入改進(jìn)的PID反饋控制環(huán)節(jié)，構(gòu)建了磁軸承復(fù)合解耦控制系統(tǒng);對(duì)比仿真結(jié)果表明所提LS-SVM逆系統(tǒng)方法具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能，可實(shí)現(xiàn)五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)支承磁軸承大氣隙范圍內(nèi)高性能非線性解耦控制。
　　 7)針對(duì)五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)高速運(yùn)行控制需要，分別以dSPACE和DSP為控制核心設(shè)計(jì)了兩套高速數(shù)字控制系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率變換器