無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器的製造方法

2023-12-10 06:53:52 2

無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器的製造方法
【專利摘要】本發明公開一種無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器，由轉速控制器、徑向位移閉環控制器和轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊組成；轉速控制器輸出三相電流給電機轉矩繞組；徑向位移閉環控制器由轉子偏心位移和偏心角度計算模塊、神經元PID控制器、懸浮力繞組電流計算模塊、三相功率PWM逆變器、徑向位移傳感器和光電編碼器組成；懸浮力繞組電流計算模塊以徑向懸浮力幅值、轉子偏心角度、轉矩繞組氣隙磁鏈幅值、相位、轉子位置角五個變量為輸入，以三相懸浮力繞組電流命令值、、為輸出，經三相功率PWM逆變器得到轉子穩定懸浮所需的三相懸浮力繞組電流、、；本發明結構簡單可行，實現無軸承異步電機電磁轉矩和徑向懸浮力之間的獨立控制。
【專利說明】無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器
【技術領域】
[0001]本發明是一種直接對無軸承異步電機轉子徑向位移進行控制使其達到穩定懸浮並且高速旋轉的控制器方案，適用於大功率、超高速、高電磁效率和高空間利用率等眾多使用無軸承異步電機的特殊電氣傳動領域，屬於電力傳動控制的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]利用電磁軸承支撐無軸承電機的轉子，並對轉子徑向位移進行精確控制實現電機轉子的穩定懸浮一直是無軸承電機研究的重點及難點。現已提出的電機轉子懸浮力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，基本上能夠實現電機轉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:矢量控制方法需要繁瑣的坐標變換，增加了控制系統軟體的複雜程度，佔用了過多的系統時鐘周期；直接懸浮力控制方法則需要對電機轉子徑向懸浮力進行在線辨識，不但增加了系統硬體設計成本，而且徑向懸浮力辨識精度也決定了系統的整體控制性能，且只能應用於特定類型的電機，很難得到廣泛應用。
[0003]無軸承異步電機是一種新型的無軸承電機，在電磁效率、空間利用率等方面均明顯優越於傳統的磁軸承電機，在大功率、超高速電機領域具有很好的發展前景。然而，無軸承異步電機電磁轉矩與徑向懸浮力之間存在著嚴重耦合，使得無軸承異步電機控制系統設計要複雜。為了實現這種電機轉子的穩定懸浮與高速旋轉，使這種電機能夠在生產中得到廣泛應用並發揮其所具有的獨特優勢，需要設計一種能夠實現電機轉子徑向穩定懸浮且簡單可行的懸浮控制器。

【發明內容】

[0004]為了實現無軸承異步電機的廣泛應用、簡單可行、穩定懸浮的目的，本發明提出一種無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器，對轉子徑向位移進行直接控制，且實現了電機轉矩和徑向懸浮力的獨立控制，使電機轉子能夠高速旋轉且穩定懸浮。
[0005]本發明採用的技術方案是:本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器由轉速控制器、徑向位移閉環控制器和轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊組成；所述轉速控制器
輸出三相電流L給無軸承異步電機轉矩繞組；所述徑向位移閉環控制器由轉子偏心位移和偏心角度計算模塊、神經元PID控制器、懸浮力繞組電流計算模塊、三相功率PWM逆變器、徑向位移傳感器和光電編碼器組成；所述轉子偏心位移和偏心角度計算模塊、神經元PID控制器、懸浮力繞組電流計算模塊、三相功率PWM逆變器和無軸承異步電機依次串接；所述光電編碼器檢測無軸承異步電機的轉子位置角F，所述徑向位移傳感器檢測其轉子實際位移反饋值X、Y，轉子實際位移X、Y與轉子位移給定值X*、Y* —並輸入轉子偏心位
移和偏心角度計算模塊，轉子偏心位移和偏心角度計算模塊計算得出轉子偏心位移M和轉子偏心角度《，所述轉子偏心位移H輸入到神經元PID控制器得到轉子穩定懸浮所需的徑向懸浮力幅值I，所述轉子偏心角度*直接輸入懸浮力繞組電流計算模塊；所述轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊由U-1模型磁鏈觀測器串接極坐標變換共同組成，轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊以轉矩繞組三相相電壓和相電流Lkb為輸入，以轉矩繞組氣隙磁鏈幅值及相位力輸出；所述懸浮力繞組電流計算模塊以徑向懸浮力幅值JL轉子偏心角度《、轉矩繞組氣隙磁鏈幅值P1、相位/?、轉子位置角r這五個變量為輸入，以三相懸浮力繞組電流命令值^ a為輸出，經三相功率PWM逆變器得到轉子穩定懸浮所
需的三相懸浮力繞組電流bbk。
[0006]本發明的優點在於:
1.本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器將徑向位移傳感器檢測的轉子實際位移X、Y與位移給定值X' Y*進行比較，通過懸浮力繞組電流計算模塊直接生成控制徑向位移所需要的懸浮力繞組電流值，使轉子穩定懸浮，與矢量控制方法相比，省去了中間複雜的坐標矢量變換，降低了控制系統的複雜程度及控制算法耗用的系統時鐘周期，控制系統響應更快。
[0007]2.本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器對轉子徑向位移進行直接控制，與直接懸浮力控制方法相比，不需要對轉子徑向懸浮力進行在線辨識，避免了使用直接懸浮力控制方法時，由於辨識精度而影響控制系統性能的問題。
[0008]3.本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器中轉矩繞組氣隙磁鏈採用U-1 (電壓-電流)模型磁鏈觀測器進行估算，這種磁鏈觀測器算法簡單可行，易於懸浮力繞組電流計算模塊的實現，降低了徑向位移閉環控制器的軟體和硬體的設計複雜度，減少了控制系統佔用的系統時鐘周期。
[0009]4.本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器的結構簡單可行，實現了無軸承異步電機電磁轉矩和徑向懸浮力之間的獨立控制，有效提高了整個系統的控制性倉泛。.
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器結構原理圖；
圖2是圖1中轉速控制器I的結構原理圖；
圖3是圖1中徑向位移閉環控制器2的結構原理圖；
圖4是圖1中轉矩繞組氣隙磁鏈模塊60的結構原理圖；
圖5是圖4中U-1模型磁鏈觀測器的構造原理圖；
圖6是無軸承異步電機轉子偏心示意圖；
圖7是圖3中懸浮力繞組電流計算模塊53的內部原理圖；
圖8是本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器的總體實現原理圖。
[0011]圖中:1.轉速控制器；2.徑向位移閉環控制器；3.無軸承異步電機；51.轉子偏心位移和偏心角度計算模塊；52.神經元PID控制器；53.懸浮力繞組電流計算模塊；54.三相功率PWM逆變器；55.徑向位移傳感器；56.光電編碼器；60.轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊；61.U-1模型磁鏈觀測器；62、63.Clark變換；64.極坐標變換；70.通用變頻器。【具體實施方式】
[0012]如圖1，本發明無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器由轉速控制器1、徑向位移閉環控制器2和轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊60組成。如圖2，轉速控制器I直接採用通
用變頻器70實現，通用變頻器70直接生成三相電流{ L , b , }，驅動無軸承異步電機
3的轉矩繞組，確保電機轉速具有優良的響應性能指標，實現電磁轉矩的穩定控制。
[0013]轉速控制器I輸出的三相電流}給無軸承異步電機3轉矩繞組，轉
矩繞組氣隙磁鏈估算模塊60以轉矩繞組三相相電壓！《U、*%*、％； ?和三相相電流{ y，b, k }為輸入，以轉矩繞組氣隙磁鏈幅值F1及相位/*為輸出，以！ F1, /? }和轉子位移給定值(X*，Y*)作為徑向位移閉環控制器2的輸入，得到三相懸浮力繞組驅動電流{ b , k
^hc } ο
[0014]如圖3，徑向位移閉環控制器2由轉子偏心位移和偏心角度計算模塊51、神經元PID控制器52、懸浮力繞組電流計算模塊53、三相功率PWM逆變器54 (CRPWM逆變器54)、徑向位移傳感器55和光電編 碼器56組成。其中，轉子偏心位移和偏心角度計算模塊51、神經元PID控制器52、懸浮力繞組電流計算模塊53、三相功率PWM逆變器54和無軸承異步電機3依次串接，無軸承異步電機3通過徑向位移傳感器55檢測其轉子實際位移反饋值(X、Y)，轉子實際位移(X、Y)與轉子位移給定值(X*、Y*) —並輸入到轉子偏心位移和偏心角度計算模塊51，經轉子偏心位移和偏心角度計算模塊51計算，得出轉子偏心位移M和偏心
角度轉子位移給定值均設定為O。轉子偏心位移M輸入到神經元PID控制器52，得到轉子穩定懸浮所需的徑向懸浮力幅值&。神經元PID控制器52採用神經元與傳統線性理論中的PID相結合的方法來設計，以轉子偏心位移M作為神經元PID控制器52輸入，以無軸承異步電機3的轉子穩定懸浮所需的徑向懸浮力幅值&為輸出。通過調整神經元PID控制器52參數，實現無軸承異步電機轉子位移的直接控制。徑向懸浮力幅值JL輸入到懸浮力繞組電流計算模塊53，轉子偏心角度《直接輸入到懸浮力繞組電流計算模塊53。無軸承異步電機3通過光電編碼器56檢測其轉子位置角r，光電編碼器56將檢測的轉子位置角;T輸入到懸浮力繞組電流計算模塊53。這樣，懸浮力繞組電流計算模塊53就以{ ^ , P1, /*
，r I五個變量作為輸入，以三相懸浮力繞組電流命令值I為輸出。以三相懸浮力繞組電流命令值{ ?』4 }作為三相功率PWM逆變器54的輸入，經三相功率PWM
逆變器54得到無軸承異步電機轉子穩定懸浮所需的三相懸浮力繞組電流{ ^ ,}。
[0015]如圖4，轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊60由U-1模型磁鏈觀測器61 (電壓-電流模型磁鏈觀測器61)串接極坐標變換64共同組成。U-1模型磁鏈觀測器61採用電壓-電流
模型磁鏈觀測方法，其內部原理如圖5所示，以三相轉矩繞組相電壓{ Hu、Iti3、Hic j++和相電流{ Iu ? I13 Iic }作為輸入，分別經過Clark變換62和Clark變換63得到兩相.靜止坐標系下分量(I，和(&，&)，由關係式:
【權利要求】
1.一種無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器，其特徵是:由轉速控制器(I)、徑向位移閉環控制器(2)和轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊(60)組成；所述轉速控制器(I)輸出三相電流、4給電機轉矩繞組；所述徑向位移閉環控制器(2)由轉子偏心位移和偏心角度計算模塊(51)、神經元PID控制器(52)、懸浮力繞組電流計算模塊(53)、三相功率PWM逆變器(54)、徑向位移傳感器(55)和光電編碼器(56)組成；所述轉子偏心位移和偏心角度計算模塊(51)、神經元PID控制器(52 )、懸浮力繞組電流計算模塊(53 )、三相功率PWM逆變器(54)依次串接；所述光電編碼器(56)檢測無軸承異步電機的轉子位置角Γ，所述徑向位移傳感器(55)檢測轉子實際位移反饋值X、Y，轉子實際位移X、Y與轉子位移給定值X*、Y* —並輸入轉子偏心位移和偏心角度計算模塊(51)，轉子偏心位移和偏心角度計算模塊(51)計算得出轉子偏心位移M和轉子偏心角度《，轉子偏心位移M輸入到神經元PID控制器(52)得到轉子穩定懸浮所需的徑向懸浮力幅值^ ,所述轉子偏心角度《直接輸入懸浮力繞組電流計算模塊(53);所述轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊(60)由U-1模型磁鏈觀測器(61)串接極坐標變換(64)共同組成，轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊(60)以轉矩繞組三相相電壓 和相電流L * I3.&為輸入，以轉矩繞組氣隙磁鏈幅值Λ及相位#為輸出；所述懸浮力繞組電流計算模塊(53)以徑向懸浮力幅值弋、轉子偏心角度《、轉矩繞組氣隙磁鏈幅值1?、相位/*、轉子位置角7五個變量為輸入，以三相懸浮力繞組電流命令值C1、44為輸出，經三相功率PWM逆變器(54)得到轉子穩定懸浮所需的三相懸浮力繞組電流、^2B、。
2.根據權利要求1所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器，其特徵是:所述U-1模型磁鏈觀測器(61)以三相轉矩繞組相電壓 和相電流1.113.Zic作為輸入，分別經過兩個Clark變換得到兩相靜止坐標系下分量 由關係
3.根據權利要求1所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器，其特徵是:轉子位移給定值X*、Y*均設定為O，轉子偏心位移和偏心角度計算模塊(51)由關係式
【文檔編號】H02P23/12GK103427754SQ201310335273
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年8月5日 優先權日:2013年8月5日
【發明者】朱熀秋, 祝蘇明, 潘偉, 朱利東, 刁小燕 申請人:江蘇大學