專利名稱：無軸承同步磁阻電機的位移估算方法、懸浮控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流電機驅(qū)動與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是無軸承同步磁阻電機無位移傳感器條件下的高性能懸浮控制技術(shù)，是一種無軸承同步磁阻電機的位移估算方法、懸浮控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無軸承同步磁阻電機是利用定子槽中的轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組共同作用來改變合成氣隙磁場的分布，從而控制轉(zhuǎn)子所受旋轉(zhuǎn)力和懸浮力的大小和方向，實現(xiàn)電機的調(diào)速運行和穩(wěn)定懸浮。與其他類型無軸承電機(如無軸承異步電機、無軸承永磁同步電機、無軸承開關(guān)磁阻電機)相比，無軸承同步磁阻電機具有轉(zhuǎn)子堅固可靠、控制系統(tǒng)簡單、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)點，無軸承同步磁阻電機在高速機床、飛輪儲能發(fā)電、工業(yè)自動化裝置、家用電器等電力傳動領(lǐng)域，極具廣泛的應(yīng)用前景。高性能的無軸承同步磁阻電機懸浮系統(tǒng)均采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)實現(xiàn)時，閉環(huán)轉(zhuǎn)子位移反饋信號由安裝在電機內(nèi)部的機械式電渦流位移傳感器來獲取。然而，在電機內(nèi)部安裝機械式位移傳感器將降低系統(tǒng)的可靠性，增大系統(tǒng)的硬件復(fù)雜程度和系統(tǒng)總成本。此外， 目前無軸承同步磁阻電機懸浮力方程的建立皆基于電機兩套繞組中電流的大小，電機進(jìn)行懸浮控制時未對轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈進(jìn)行觀測，使得電機的懸浮控制精度不高。經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)和專利的檢索發(fā)現(xiàn)，張漢年等人申請了 “無軸承同步磁阻電機的位移估算方法、無位移傳感器控制方法和裝置”的國家發(fā)明專利(申請?zhí)?01010017952. 6)， 上述方法是在電機轉(zhuǎn)矩繞組上注入高頻信號實現(xiàn)無位移傳感器控制，但在轉(zhuǎn)矩繞組注入的高頻信號加劇了電磁轉(zhuǎn)矩的脈動，增強了電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力之間的耦合關(guān)系。為去除無軸承同步磁阻電機附加的位移傳感器，降低系統(tǒng)成本，進(jìn)一步提高無軸承同步磁阻電機的懸浮控制性能，需采用一些新的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無軸承同步磁阻電機的位移估算方法、懸浮控制系統(tǒng)，基于本發(fā)明位移估算方法構(gòu)建的懸浮控制系統(tǒng)，能夠在實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的基礎(chǔ)上，避免安裝機械式位移傳感器帶來的諸多缺陷。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)手段為一種無軸承同步磁阻電機的位移估算方法，包括以下步驟1).構(gòu)造差分電壓檢測模型在電機三相懸浮繞組的每相繞組兩端并聯(lián)兩個相同的電阻，選取每相繞組的中點和兩個電阻連接點之間的電壓為每相繞組的差分電壓；獲取電機三相懸浮繞組的差分電壓vdah、Vdbh, Vdch,并經(jīng)Clark變換等效成水平(X軸繞組)和垂直方向(Y軸繞組)的兩相繞組差分電壓Vdxh、Vdyh;2).將用于檢測無軸承同步磁阻電機轉(zhuǎn)子位移的高頻電壓信號注入該電機轉(zhuǎn)矩繞組，并構(gòu)造位移估計器，以提取上述差分電壓Vdxh中所包含的轉(zhuǎn)子位移信息；該位移估計器的構(gòu)造包括以下步驟2. 1)構(gòu)建電機懸浮繞組電感與轉(zhuǎn)子位移的關(guān)系模型設(shè)定無軸承同步磁阻電機為4極轉(zhuǎn)矩繞組和2極懸浮繞組，電機凸極轉(zhuǎn)子極弧角度為30°，轉(zhuǎn)子凸極區(qū)域的氣隙為 S C1，兩凸極間區(qū)域處的氣隙為S1，假設(shè)S1SSSci^p S1不隨轉(zhuǎn)子偏心位移的影響，只考慮轉(zhuǎn)子凸極區(qū)域處氣隙長度的變化，可得無軸承同步磁阻電機轉(zhuǎn)子偏心時氣隙長度的分段表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種無軸承同步磁阻電機的位移估算方法，其特征是，包括以下步驟1).構(gòu)造差分電壓檢測模型獲取電機三相懸浮繞組的差分電壓vdah、Vdbh,vd。h，并經(jīng) Clark變換等效成兩相繞組差分電壓Vdxh、Vdyh ；2).將用于檢測無軸承同步磁阻電機轉(zhuǎn)子位移的高頻電壓信號注入電機轉(zhuǎn)矩繞組，并構(gòu)造位移估計器，以提取上述差分電壓Vdxh中所包含的轉(zhuǎn)子位移信息；該位移估計器的構(gòu)造包括以下步驟·2.1)構(gòu)建電機懸浮繞組電感與轉(zhuǎn)子位移的關(guān)系模型設(shè)定無軸承同步磁阻電機為4極轉(zhuǎn)矩繞組和2極懸浮繞組，電機凸極轉(zhuǎn)子極弧角度為30°，轉(zhuǎn)子凸極區(qū)域的氣隙為δ ^，兩凸極間區(qū)域處的氣隙為S1，假設(shè)δ:〉Sci，即S1不隨轉(zhuǎn)子偏心位移的影響，只考慮轉(zhuǎn)子凸極區(qū)域處氣隙長度的變化，可得無軸承同步磁阻電機轉(zhuǎn)子偏心時氣隙長度的分段表達(dá)式為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承同步磁阻電機的位移估算方法，其特征是，步驟1)中獲取電機三相懸浮繞組的差分電壓的方法為在電機三相懸浮繞組的每相繞組兩端并聯(lián)兩個相同的電阻，定義每相繞組的中點和兩個電阻連接點之間的電壓為每相繞組的差分電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無軸承同步磁阻電機的位移估算方法，其特征是，步驟.2)中位移估計器的具體實現(xiàn)為，包括構(gòu)造帶通濾波器，將等效兩相懸浮繞組中的X軸繞組差分電壓Vdxh送入該帶通濾波器， 以濾除其中的懸浮繞組基波電壓信號和載波頻率電壓信號，從而獲得僅包含注入的高頻差分電壓Vdx ；構(gòu)造兩個乘法器，步驟2. 4)中由帶通濾波器提取的Vdx作為兩個乘法器的第一個輸入信號；給定的高頻調(diào)制信號C0S( it)和Sin(Coit)分別作為乘法器的第二個輸入信號；經(jīng)乘法器解調(diào)運算后得到所述式(17)中的Vx和Vy信號；^和Vy信號經(jīng)低通濾波器濾除其中的高頻分量，得到式(18)中包含轉(zhuǎn)子徑向位移的直流分量Vzx、Vzy ；再乘以相應(yīng)的比例系數(shù)， 從而獲得被控電機轉(zhuǎn)子徑向位移估計值。
4.采用權(quán)利要求1至3任一項所述轉(zhuǎn)子位移估算方法的無軸承同步磁阻電機懸浮控制系統(tǒng)，其特征是，包括擴展的位移估計器，由Cark變換、積分器以及差分電壓檢測模型、位移估計器組成；擴展的位移估計器基于差分電壓檢測模型獲取電機三相懸浮繞組的差分電壓Vdah、Vdbh, Vdch, 經(jīng)Clark變換等效成兩相繞組差分電壓Vdxh、Vdyh ；Clark變換所需轉(zhuǎn)子角度由轉(zhuǎn)速檢測值經(jīng)積分器后獲得；位移估計器以差分電壓Vdxh以及給定的解調(diào)信號Sin(Oit)和C0s(COit)為輸入信號，經(jīng)相關(guān)運算后，獲得轉(zhuǎn)子位移估計值X、Y ；構(gòu)造轉(zhuǎn)子徑向位移的閉環(huán)調(diào)節(jié)器，閉環(huán)調(diào)節(jié)器以轉(zhuǎn)子位移給定值X*、Y*與位移估計值 x、y之間的偏差為輸入，輸出信號懸浮力的參考值、F；；擴展的懸浮力/電流調(diào)制器，由懸浮力/電流調(diào)制器和磁鏈觀測器組成；其中磁鏈觀測器以轉(zhuǎn)矩繞組三相檢測電流和三相檢測電壓為輸入信號，經(jīng)運算和濾波后獲取被控電機轉(zhuǎn)矩繞組的磁鏈信號Ψ 、Ψω,；懸浮力/電流調(diào)制器以閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的懸浮力的參考值《、巧丨，以及被控電機轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈ψωχ、Wmy為輸入信號，輸出懸浮繞組兩相參考電流i*x、i*y擴展的SPWM逆變器，其以懸浮繞組兩相參考電流ζ、^、轉(zhuǎn)子角速度ω、懸浮繞組三相檢測電流以及注入的高頻電壓參考信號ViCos(COit)及-ViSin(Coit)作為輸入信號，輸出三相電壓uA2h、uB2h、uC2h向懸浮繞組供電，用以提供作為懸浮力控制的基波電壓，還提供用于轉(zhuǎn)子位移估計的高頻電壓信號，從而實現(xiàn)被控電機的無位移傳感器穩(wěn)定懸浮運行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無軸承同步磁阻電機懸浮控制系統(tǒng)，其特征是，閉環(huán)調(diào)節(jié)器由2個常規(guī)PD調(diào)節(jié)器組成，2個常規(guī)PD調(diào)節(jié)器分別以轉(zhuǎn)子兩軸方向上的位移給定值χ*、 y*與位移估計值χ、y之間的偏差為輸入，并分別輸出轉(zhuǎn)子兩軸方向上的懸浮力的參考值 F、F； ； PD調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)實際控制對象和控制要求進(jìn)行整定。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無軸承同步磁阻電機懸浮控制系統(tǒng)，其特征是，擴展的懸浮力/電流調(diào)制器的實現(xiàn)包括如下步驟.6. 1)構(gòu)建懸浮力/電流調(diào)制器在兩相靜止α、β坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)子在兩垂直方向上所受徑向懸浮力Fx、Fy與懸浮繞組電流ix、iy以及轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈Ψωχ、Ψω,的關(guān)系為(20)
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無軸承同步磁阻電機懸浮控制系統(tǒng)，其特征是，擴展的SPWM 逆變器由一個積分器、一個Clark變換、兩個PI調(diào)節(jié)器、一個低通濾波器和一個SPWM逆變器組成；被控電機懸浮繞組的三相檢測電流經(jīng)低通濾波器去除高頻成分，獲得僅包含低頻分量的三相電流，再經(jīng)Clark變換后轉(zhuǎn)換成兩相電流；擴展的懸浮力/電流調(diào)制器輸出的兩相電流參考值與兩相電流檢測值之間的誤差送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器輸出被控電機兩相電壓給定值；兩相電壓給定值再與高頻電壓注入信號疊加求和后送入SPWM逆變器，由SPWM逆變器提供實際需要的高頻電壓注入信號，同時提供用于懸浮力控制的基波電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無軸承同步磁阻電機的位移估算方法、懸浮控制系統(tǒng)，基于本發(fā)明位移估算方法構(gòu)建的懸浮控制系統(tǒng)在應(yīng)用時，首先基于差分電壓檢測模型獲取并等效得到兩相繞組差分電壓，其次利用位移估計器獲得轉(zhuǎn)子位移估計值；再通過閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出懸浮力的參考值；擴展的懸浮力/電流調(diào)制器以懸浮力參考值和轉(zhuǎn)矩繞組三相電壓、電流檢測值為輸入信號，經(jīng)運算后輸出懸浮繞組兩相參考電流到擴展的SPWM逆變器；最后利用擴展的SPWM逆變器向三相懸浮繞組供電，可實現(xiàn)懸浮力控制，同時也為轉(zhuǎn)子位移估計提供高頻電壓信號。本發(fā)明不僅能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，并能準(zhǔn)確估計轉(zhuǎn)子位移，具有良好的控制性能。
文檔編號H02P21/13GK102545744SQ20121001348
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者孫剛, 張漢年, 張照鋒, 張磊, 鮑安平 申請人:南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院