五自由度磁懸浮開關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)電機旋轉與磁軸承懸浮功能于一體，以同時產生驅動負載的電磁轉矩和支承轉子的懸浮力為目標，打破了傳統(tǒng)電機僅為了產生電磁轉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域的新方向。磁懸浮開關磁阻電機將磁懸浮技術與開關磁阻電機相結合，在繼承一般磁懸浮電機無摩擦、無磨損、軸向空間利用率高、轉子臨界轉速大等優(yōu)點基礎上，充分發(fā)揮了開關磁阻電機的高速優(yōu)越性以及對惡劣環(huán)境的適應性，同時通過徑向力的主動控制，有效改善了開關磁阻電機因不

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域一個新的研究熱點。本文以一臺五自由度磁懸浮開關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上，針對系統(tǒng)內部存在的多自由度、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磁阻電機總體拓撲結構，

3、設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;介紹了磁懸浮開關磁阻電機基本結構及其懸浮力和轉矩產生機理，設計了磁懸浮開關磁阻電機和徑向.軸向混合磁軸承的關鍵電磁結構參數，給出了設計結果并研制了一臺完整的五自由度磁懸浮開關磁阻電機實驗樣機。
　　 2)基于平動-轉動坐標系構建了五自由度磁懸浮開關磁阻電機轉子動力學模型，依據動力學模型定性分析了轉子支承特性;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，采用等效磁路法構建了徑向.軸向混合磁軸承大氣隙范圍內精確懸浮力模型;考慮到轉子徑向偏心和耦合對模型的影響，結合等效磁路、有限元分析和虛位移定理構建了磁懸浮開關磁阻電機偏心耦合下的精確化懸浮力和轉矩模型;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)觀測器設計理論相結合，

5、研究了基于LS-SVM觀測器的磁懸浮開關磁阻電機轉子位移位置自檢測方法。構建了磁懸浮開關磁阻電機狀態(tài)空間模型，闡述了位移位置LS-SVM觀測器設計原理，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磁阻電機精確數學模型和具體運行參數，實現簡單，觀測精度高，可為磁懸浮開關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)為實現五自由度磁懸浮開關磁阻電機磁軸承支承端轉子位移的實時高精自檢測，開展了基于粒子群優(yōu)化LS-SVM的磁軸承轉子位移預測建模研究。借助徑向，軸向混合磁軸承大氣隙范圍內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據，離線訓練LS-SVM獲得了磁軸承轉子位移預測模型，針對LS-SVM超參數選取問題，采用粒子群優(yōu)化算法對其進行自動尋優(yōu)，以提高轉子位移預測模型的預測能力;對比

7、仿真結果驗證了所建位移預測模型實現了五自由度磁懸浮開關磁阻電機磁軸承支承端轉子徑向和軸向位移的自檢測。
　　 5)針對磁懸浮開關磁阻電機電磁轉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合，研究了基于LS-SVM逆系統(tǒng)的磁懸浮開關磁阻電機解耦控制。分析了磁懸浮開關磁阻電機電磁轉矩和懸浮力模型的可逆性，采用自適應遺傳算法優(yōu)化LS-SVM構建了磁懸浮開關磁阻電機逆辨識模型;將遺傳優(yōu)化的LS-S

8、VM逆模型與對象串聯構造偽線性復合系統(tǒng)，實現了磁懸浮開關磁阻電機電磁轉矩與懸浮力的線性化和解耦;在此基礎上，對線性化解耦后的偽線性復合系統(tǒng)設計了內?？刂破?，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磁阻電機支承磁軸承的大氣隙范圍內非線性解耦控制中。分析了磁軸承大氣隙范圍內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)，構建了磁軸承復合解耦控制系統(tǒng);對比仿真結果表明所提LS-SVM逆系統(tǒng)方法具有較好的動、靜態(tài)性能，可實現五自由度磁懸浮開關磁阻電機支承磁軸承大氣隙范圍內高性能非線性解耦控制。
　　 7)針對五自由度磁懸浮開關磁阻電機高速運行控制需要，分別以dSPACE和DSP為控制核心設計了兩套高速數字控制系統(tǒng)，并對數字系統(tǒng)結構、功率變換器