一種無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器的構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器的構(gòu)造方法，構(gòu)造由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)構(gòu)成的轉(zhuǎn)速控制器，設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流和永磁薄片轉(zhuǎn)子位置角為輸入，以轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈幅值及相位為輸出的轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊；由轉(zhuǎn)子偏心位移和偏心角度計(jì)算模塊、微分先行PID控制器、懸浮力繞組電流計(jì)算模塊、CRPWM逆變器、徑向位移傳感器和徑向位移計(jì)算模塊構(gòu)成徑向位移控制器；由轉(zhuǎn)速控制器、徑向位移控制器和轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊構(gòu)成電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器；省去了中間復(fù)雜的坐標(biāo)矢量變換，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度及控制算法耗用的系統(tǒng)時(shí)鐘周期，有效提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。
【專利說明】一種無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器的構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直接對(duì)無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移進(jìn)行控制使其達(dá)到穩(wěn)定懸浮并且高速旋轉(zhuǎn)的控制器，適用于密封泵、高速或超高速數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、航空航天、生命科學(xué)等眾多使用無軸承永磁薄片電機(jī)的特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，屬于電力傳動(dòng)控制的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]利用電磁軸承支撐無軸承電機(jī)的轉(zhuǎn)子，并對(duì)轉(zhuǎn)子徑向位移進(jìn)行精確控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮一直是無軸承電機(jī)研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)?，F(xiàn)已提出的電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮控制方法主要有兩種:矢量控制方法和直接懸浮力控制方法，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向懸浮力的控制，但這兩種控制方法均存在明顯的不足和缺點(diǎn):矢量控制方法需要繁瑣的坐標(biāo)變換，增加了控制系統(tǒng)軟件的復(fù)雜程度，占用了過多的系統(tǒng)時(shí)鐘周期；直接懸浮力控制方法則需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向懸浮力進(jìn)行在線辨識(shí)，不但增加了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)成本，而且徑向懸浮力辨識(shí)精度也決定了系統(tǒng)的整體控制性能。
[0003]無軸承永磁薄片電機(jī)是一種新型的無軸承電機(jī)，它可以利用自身磁阻力巧妙地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向平移與左右、前后翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)三個(gè)自由度的被動(dòng)懸浮控制，在此基礎(chǔ)上，再對(duì)其徑向位移進(jìn)行主動(dòng)控制。 為了實(shí)現(xiàn)這種電機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮與高速旋轉(zhuǎn)，使這種電機(jī)能夠得到廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，需要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)其轉(zhuǎn)子徑向穩(wěn)定懸浮且簡(jiǎn)單可行的主動(dòng)懸浮控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器的構(gòu)造方法，所構(gòu)造的的無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，實(shí)現(xiàn)無軸承永磁薄片電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間的獨(dú)立控制，提高無軸承永磁薄片電機(jī)的懸浮性能指標(biāo)，使無軸承永磁薄片電機(jī)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)控制性能。
[0005]本發(fā)明所述一種無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器的構(gòu)造方法采用的技術(shù)方案是包括以下步驟:
O構(gòu)造由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)構(gòu)成的轉(zhuǎn)速控制器，電流內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換、CRPWM逆變器和電流傳感器構(gòu)成，速度外環(huán)由速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器、霍爾傳感器構(gòu)成；采用PI控制器作為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器，采用兩個(gè)PI控制器組成電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器，利用霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置角:T汁算得到轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速ο，以轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速?和轉(zhuǎn)速給定值作為速度閉環(huán)
調(diào)節(jié)器的輸入，得到轉(zhuǎn)矩繞組交軸電流給定值i ；由電流傳感器對(duì)三相轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際驅(qū)動(dòng)電
流采樣，經(jīng)過第一坐標(biāo)變換得到轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流&,以轉(zhuǎn)矩繞組
交軸電流給定值^轉(zhuǎn)矩繞組直軸電流給定值Ci和轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流t\作為電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸入，得到轉(zhuǎn)矩繞組直軸、交軸電流命令值&、? ;第二坐標(biāo)變換以轉(zhuǎn)矩繞組直軸、交軸電流命令值、4為輸入，以三相轉(zhuǎn)矩繞組電流命令值、孌為輸出，三相轉(zhuǎn)矩繞組電流命令值&，C，i輸入到CRPWM逆變器后得到輸入無軸承永磁薄片電機(jī)的三相轉(zhuǎn)矩繞組驅(qū)動(dòng)電流*L1、;
2)設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流和永磁薄片轉(zhuǎn)子位置角:T為輸入，以轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈幅值F1及相位力輸出的轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊；
3)由轉(zhuǎn)子偏心位移和偏心角度計(jì)算模塊、微分先行PID控制器、懸浮力繞組電流計(jì)算模塊、CRPWM逆變器、徑向位移傳感器和徑向位移計(jì)算模塊組成徑向位移控制器;徑向位移傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子徑向位移采集，經(jīng)過徑向位移計(jì)算模塊差分處理輸出轉(zhuǎn)子實(shí)際徑向位移X、Y，與轉(zhuǎn)子位移給定值X*、Y* —并輸入到轉(zhuǎn)子偏心位移和偏心角度計(jì)算模塊，經(jīng)計(jì)算得出轉(zhuǎn)子偏心位
移M和偏心角度《Γ，轉(zhuǎn)子偏心位移H輸入到微分先行PID控制器得到轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮所需的
徑向懸浮力幅值^ ;懸浮力繞組電流計(jì)算模塊以JL、《 u、r五個(gè)變量作為輸入，以三相
懸浮力繞組電流命令值為輸出，以三相懸浮力繞組電流命令值作為
CRPWM逆變器輸入，得到無軸承永磁薄片電機(jī)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮所需的三相懸浮力繞組驅(qū)動(dòng)
4)調(diào)整微分先行PID控制器、速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并計(jì)算懸浮力繞組電流；
5)由所述轉(zhuǎn)速控制器、徑向位移控制器和轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊構(gòu)成無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于: 1.無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器將徑向位移傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子實(shí)際徑向位移X、Y與位移給定值X' Y*進(jìn)行比較，通過懸浮力繞組電流計(jì)算模塊直接生成控制徑向位移所需要的電流值，使永磁薄片轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，與矢量控制方法相比，省去了中間復(fù)雜的坐標(biāo)矢量變換，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度及控制算法耗用的系統(tǒng)時(shí)鐘周期，控制系統(tǒng)響應(yīng)更快。
[0007]2.無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器對(duì)永磁薄片轉(zhuǎn)子徑向位移進(jìn)行直接控制，與直接懸浮力控制方法相比，不需要對(duì)轉(zhuǎn)子徑向懸浮力進(jìn)行在線辨識(shí)，避免了使用直接懸浮力控制方法時(shí)，由于辨識(shí)精度而影響控制系統(tǒng)性能的問題。
[0008]3.無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器中速度閉環(huán)實(shí)現(xiàn)過程中，轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈與轉(zhuǎn)矩繞組定子磁鏈及永磁薄片轉(zhuǎn)子磁鏈存在矢量關(guān)系，該轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算方法簡(jiǎn)單可行，易于懸浮力繞組電流計(jì)算模塊的實(shí)現(xiàn)，降低了徑向位移控制器的軟/硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少了控制系統(tǒng)占用的系統(tǒng)時(shí)鐘周期。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器的結(jié)構(gòu)原理圖；
圖2是圖1中轉(zhuǎn)速控制器I的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是圖1中徑向位移控制器2的結(jié)構(gòu)原理圖；
圖4是圖1中轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53的原理示意圖；
圖5是無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心示意圖；
圖6是圖3中懸浮力繞組電流計(jì)算模塊52的原理示意圖；
圖7是無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器總體實(shí)現(xiàn)原理圖。
[0010]圖中:1.轉(zhuǎn)速控制器；2.徑向位移控制器；3.無軸承永磁薄片電機(jī)；50.轉(zhuǎn)子偏心位移和偏心角度計(jì)算模塊；51.微分先行PID控制器；52.懸浮力繞組電流計(jì)算模塊；53.轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊；54.徑向位移計(jì)算模塊；55.CRPWM逆變器；56.徑向位移傳感器；57.霍爾傳感器；60.速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器；61.PI控制器；70.電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器；71、72.PI控制器；73、74.坐標(biāo)變換；75.CRPWM逆變器；76.電流傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1所示，本發(fā)明所述無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器由轉(zhuǎn)速控制器
1、徑向位移控制器2和轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53組成。如圖2所示，對(duì)于轉(zhuǎn)速控制器1，采用電流和速度雙閉環(huán)控制，主要由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)構(gòu)成，電流內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器70、坐標(biāo)變換73、74、CRPWM逆變器75和電流傳感器76構(gòu)成，其中電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器70由PI控制器71和PI控制器72組成，坐標(biāo)變換73由Park變換和Clark變換串接組成，坐標(biāo)變換74由Park逆變換和Clark逆變換串接組成。速度外環(huán)由速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器60、霍爾傳感器57構(gòu)成，其中速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器60由PI控制器61組成。再參見圖3，徑向位移控制器2采用位移閉環(huán)控制，主要由轉(zhuǎn)子偏心位移和偏心角度計(jì)算模塊50、微分先行PID控制器51、懸浮力繞組電流計(jì)算模塊52、CRPWM逆變器55、徑向位移傳感器56和徑向位移計(jì)算模塊54組成。對(duì)于徑向 位移閉環(huán)控制，首先采用轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53獲取轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈幅值及相位，然后將獲得的轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈信息和微分先行PID控制器51輸出的徑向懸浮力幅值、轉(zhuǎn)子偏心位移和偏心角度計(jì)算模塊50輸出的轉(zhuǎn)子偏心角度及霍爾傳感器57輸出的的轉(zhuǎn)子位置角一并應(yīng)用于懸浮力繞組電流計(jì)算模塊52，由其生成無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮所需的三相懸浮力繞組電流命令值。所述無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器的構(gòu)造方法按以下步驟實(shí)施:
第I步，構(gòu)造轉(zhuǎn)速控制器I。如圖2所示，首先采用PI控制器61作為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器60，采用PI控制器71和PI控制器72組成電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器70，采用一個(gè)Clark變換和一個(gè)Park變換組成坐標(biāo)變換73，采用一個(gè)Park逆變換和一個(gè)Clark逆變換組成坐標(biāo)變換
74。利用霍爾傳感器57檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置角:T，由關(guān)系式&=—十(ft為轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù))

Λ *
計(jì)算得到轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速0。以β和轉(zhuǎn)速給定值fiT作為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器60的輸入，得到轉(zhuǎn)矩繞組交軸電流給定值ζ。由電流傳感器76對(duì)三相轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流Lbk進(jìn)行采樣，經(jīng)過坐標(biāo)變換73得到轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流&,其中，由坐標(biāo)變換73的Clark變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下實(shí)際電流4?、華，由坐標(biāo)變換73的Park變換得到壑、&。以轉(zhuǎn)矩繞組交軸電流給定值1、轉(zhuǎn)矩繞組直軸電流給定值4 (‘設(shè)定為O)和轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流&、4作為電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器70的輸入，得到轉(zhuǎn)矩繞組直軸、交軸電流命令值4、綣。
[0012]坐標(biāo)變換74以轉(zhuǎn)矩繞組直軸、交軸電流命令值;C、‘為輸入，以三相轉(zhuǎn)矩繞組電流命令值C1、C、4為輸出；其中，由坐標(biāo)變換74的Park逆變換生成兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)矩繞組電流命令值t，由坐標(biāo)變換74的Clark逆變換生成三相轉(zhuǎn)矩繞組電流命令值&、4、4。三相轉(zhuǎn)矩繞組電流命令值& H輸入到CRPWM逆變器75后得到三相轉(zhuǎn)矩繞組驅(qū)動(dòng)電流JP、4c。
[0013]第2步，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53。如圖4所示，轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53以轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流和永磁薄片轉(zhuǎn)子位置角:T為輸入，以轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈幅值朽及相位#為輸出。轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53內(nèi)部估算原理為
【權(quán)利要求】
1.一種無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移控制器的構(gòu)造方法，其特征是包括以下步驟: 1)構(gòu)造由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)構(gòu)成的轉(zhuǎn)速控制器1，電流內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器70、坐標(biāo)變換73、74、CRPWM逆變器75和電流傳感器76構(gòu)成，速度外環(huán)由速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器60、霍爾傳感器57構(gòu)成；采用PI控制器61作為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器60，采用兩個(gè)PI控制器71、72組成電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器70，利用霍爾傳感器57檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置角7，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速《，以轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速?和轉(zhuǎn)速給定值?Γ作為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器60的輸入，得到轉(zhuǎn)矩繞組交軸電流給定值^ ;由電流傳感器76對(duì)三相轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流Lt、4c采樣，經(jīng)過第一坐標(biāo)變換73得到轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流&、^，以轉(zhuǎn)矩繞組交軸電流給定值‘、轉(zhuǎn)矩繞組直軸電流給定值4和轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流1、作為電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器70的輸入，得到轉(zhuǎn)矩繞組直軸、交軸電流命令值C1、‘ ；第二坐標(biāo)變換74以轉(zhuǎn)矩繞組直軸、交軸電流命令值羲、‘為輸入，以三相轉(zhuǎn)矩繞組電流命令值、&、?:為輸出，三相轉(zhuǎn)矩繞組電流命令值& K輸入到CRPWM逆變器75后得到輸入無軸承永磁薄片電機(jī)3的三相轉(zhuǎn)矩繞組驅(qū)動(dòng)電流U； 2)設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)際直軸、交軸電流
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)造方法，其特征是:步驟2)中，所述轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈幅值相位
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)造方法，其特征是:步驟3)中，轉(zhuǎn)子位移給定值X*、Y*均 設(shè)定為O,轉(zhuǎn)子偏心位移
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)造方法，其特征是:步驟3)中，利用關(guān)系式
【文檔編號(hào)】H02P25/02GK103427755SQ201310335997
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】朱熀秋, 祝蘇明, 陳金海, 許波, 汪志群 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)