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

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

2、平衡磁拉力造成的振動和噪聲問題，成為目前磁懸浮電機領(lǐng)域一個新的研究熱點。本文以一臺五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機為研究對象，在對其電磁，動力學特性進行精確化建模與分析基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)內(nèi)部存在的多自由度、強耦合、非線性特性以及傳感器帶來的價格昂貴、可靠性低、動態(tài)性能差等問題，開展了五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機最小二乘支持向量機自檢測與逆控制研究。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)磁阻電機總體拓撲結(jié)構(gòu)，

3、設(shè)計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)磁阻電機基本結(jié)構(gòu)及其懸浮力和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理，設(shè)計了磁懸浮開關(guān)磁阻電機和徑向.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)計結(jié)果并研制了一臺完整的五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機實驗樣機。
　　 2)基于平動-轉(zhuǎn)動坐標系構(gòu)建了五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子動力學模型，依據(jù)動力學模型定性分析了轉(zhuǎn)子支承特性;針對磁軸承傳統(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仿真軟件對模型的耦合非線性進行定性和定量分析。
　　 3)針對五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機所用傳感器帶來的一系列問題，將最小二乘支持向量機(LS-SVM)與狀態(tài)觀測器設(shè)計理論相結(jié)合，

5、研究了基于LS-SVM觀測器的磁懸浮開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子位移位置自檢測方法。構(gòu)建了磁懸浮開關(guān)磁阻電機狀態(tài)空間模型，闡述了位移位置LS-SVM觀測器設(shè)計原理，采用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了位移位置觀測器的穩(wěn)定性，通過LS-SVM離線訓練和在線學習獲得了磁懸浮開關(guān)磁阻電機位移位置觀測器。仿真表明LS-SVM觀測器不依賴于磁懸浮開關(guān)磁阻電機精確數(shù)學模型和具體運行參數(shù)，實現(xiàn)簡單，觀測精度高，可為磁懸浮開關(guān)磁阻電機無傳感器運行提供實時準確的位移

6、和位置反饋信息。
　　 4)為實現(xiàn)五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機磁軸承支承端轉(zhuǎn)子位移的實時高精自檢測，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)，離線訓練LS-SVM獲得了磁軸承轉(zhuǎn)子位移預(yù)測模型，針對LS-SVM超參數(shù)選取問題，采用粒子群優(yōu)化算法對其進行自動尋優(yōu)，以提高轉(zhuǎn)子位移預(yù)測模型的預(yù)測能力;對比

7、仿真結(jié)果驗證了所建位移預(yù)測模型實現(xiàn)了五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機磁軸承支承端轉(zhuǎn)子徑向和軸向位移的自檢測。
　　 5)針對磁懸浮開關(guān)磁阻電機電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力模型的耦合非線性，將LS-SVM辨識建模方法與逆系統(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)磁阻電機解耦控制。分析了磁懸浮開關(guān)磁阻電機電磁轉(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)磁阻電機逆辨識模型;將遺傳優(yōu)化的LS-S

8、VM逆模型與對象串聯(lián)構(gòu)造偽線性復合系統(tǒng)，實現(xiàn)了磁懸浮開關(guān)磁阻電機電磁轉(zhuǎn)矩與懸浮力的線性化和解耦;在此基礎(chǔ)上，對線性化解耦后的偽線性復合系統(tǒng)設(shè)計了內(nèi)模控制器，提高了控制系統(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的逆模型辨識步驟;將辨識得到的LS-SVM逆模型作為前饋補償環(huán)節(jié)，通過引入改進的PID反饋控制環(huán)節(jié)，構(gòu)建了磁軸承復合解耦控制系統(tǒng);對比仿真結(jié)果表明所提LS-SVM逆系統(tǒng)方法具有較好的動、靜態(tài)性能，可實現(xiàn)五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承磁軸承大氣隙范圍內(nèi)高性能非線性解耦控制。
　　 7)針對五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機高速運行控制需要，分別以dSPACE和DSP為控制核心設(shè)計了兩套高速數(shù)字控制系統(tǒng)，并對數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率變換器