一種無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器的構造方法
2023-11-01 09:33:57 1
一種無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器的構造方法
【專利摘要】本發明公開了一種無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器的構造方法，構造由電流內環和速度外環構成的轉速控制器，設計以轉矩繞組實際直軸、交軸電流和永磁薄片轉子位置角為輸入，以轉矩繞組氣隙磁鏈幅值及相位為輸出的轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊；由轉子偏心位移和偏心角度計算模塊、微分先行PID控制器、懸浮力繞組電流計算模塊、CRPWM逆變器、徑向位移傳感器和徑向位移計算模塊構成徑向位移控制器；由轉速控制器、徑向位移控制器和轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊構成電機轉子徑向位移控制器；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，有效提高了整個系統的控制性能。
【專利說明】一種無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器的構造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種直接對無軸承永磁薄片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，適用於密封泵、高速或超高速數控工具機、工業機器人、航空航天、生命科學等眾多使用無軸承永磁薄片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穩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和缺點: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。
[0003]無軸承永磁薄片電機是一種新型的無軸承電機，它可以利用自身磁阻力巧妙地實現轉子軸向平移與左右、前後翻轉運動三個自由度的被動懸浮控制，在此基礎上，再對其徑向位移進行主動控制。 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其轉子徑向穩定懸浮且簡單可行的主動懸浮控制器。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器的構造方法，所構造的的無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器結構簡單、性能可靠，實現無軸承永磁薄片電機電磁轉矩和徑向懸浮力之間的獨立控制，提高無軸承永磁薄片電機的懸浮性能指標，使無軸承永磁薄片電機具有優良的動、靜態控制性能。
[0005]本發明所述一種無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器的構造方法採用的技術方案是包括以下步驟:
O構造由電流內環和速度外環構成的轉速控制器，電流內環由電流閉環調節器、坐標變換、CRPWM逆變器和電流傳感器構成，速度外環由速度閉環調節器、霍爾傳感器構成；採用PI控制器作為速度閉環調節器，採用兩個PI控制器組成電流閉環調節器，利用霍爾傳感器檢測轉子位置角:T汁算得到轉子實際轉速ο，以轉子實際轉速?和轉速給定值作為速度閉環
調節器的輸入，得到轉矩繞組交軸電流給定值i ；由電流傳感器對三相轉矩繞組實際驅動電
流採樣，經過第一坐標變換得到轉矩繞組實際直軸、交軸電流&,以轉矩繞組
交軸電流給定值^轉矩繞組直軸電流給定值Ci和轉矩繞組實際直軸、交軸電流t\作為電流閉環調節器的輸入，得到轉矩繞組直軸、交軸電流命令值&、? ;第二坐標變換以轉矩繞組直軸、交軸電流命令值、4為輸入，以三相轉矩繞組電流命令值、孌為輸出，三相轉矩繞組電流命令值&，C，i輸入到CRPWM逆變器後得到輸入無軸承永磁薄片電機的三相轉矩繞組驅動電流*L1、;
2)設計以轉矩繞組實際直軸、交軸電流和永磁薄片轉子位置角:T為輸入，以轉矩繞組氣隙磁鏈幅值F1及相位力輸出的轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊；
3)由轉子偏心位移和偏心角度計算模塊、微分先行PID控制器、懸浮力繞組電流計算模塊、CRPWM逆變器、徑向位移傳感器和徑向位移計算模塊組成徑向位移控制器;徑向位移傳感器對轉子徑向位移採集，經過徑向位移計算模塊差分處理輸出轉子實際徑向位移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，經計算得出轉子偏心位
移M和偏心角度《Γ，轉子偏心位移H輸入到微分先行PID控制器得到轉子穩定懸浮所需的
徑向懸浮力幅值^ ;懸浮力繞組電流計算模塊以JL、《 u、r五個變量作為輸入，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的轉子穩定懸浮所需的三相懸浮力繞組驅動
4)調整微分先行PID控制器、速度閉環調節器和電流閉環調節器的參數，並計算懸浮力繞組電流；
5)由所述轉速控制器、徑向位移控制器和轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊構成無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器。
[0006]本發明的優點在於: 1.無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器將徑向位移傳感器檢測的轉子實際徑向位移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電流值，使永磁薄片轉子穩定懸浮，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.無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器對永磁薄片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.無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器中速度閉環實現過程中，轉矩繞組氣隙磁鏈與轉矩繞組定子磁鏈及永磁薄片轉子磁鏈存在矢量關係，該轉矩繞組氣隙磁鏈估算方法簡單可行，易於懸浮力繞組電流計算模塊的實現，降低了徑向位移控制器的軟/硬體設計複雜度，減少了控制系統佔用的系統時鐘周期。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器的結構原理圖；
圖2是圖1中轉速控制器I的結構原理圖；圖3是圖1中徑向位移控制器2的結構原理圖；
圖4是圖1中轉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轉子偏心示意圖；
圖6是圖3中懸浮力繞組電流計算模塊52的原理示意圖；
圖7是無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器總體實現原理圖。
[0010]圖中:1.轉速控制器；2.徑向位移控制器；3.無軸承永磁薄片電機；50.轉子偏心位移和偏心角度計算模塊；51.微分先行PID控制器；52.懸浮力繞組電流計算模塊；53.轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊；54.徑向位移計算模塊；55.CRPWM逆變器；56.徑向位移傳感器；57.霍爾傳感器；60.速度閉環調節器；61.PI控制器；70.電流閉環調節器；71、72.PI控制器；73、74.坐標變換；75.CRPWM逆變器；76.電流傳感器。
【具體實施方式】
[0011]如圖1所示，本發明所述無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器由轉速控制器
1、徑向位移控制器2和轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53組成。如圖2所示，對於轉速控制器1，採用電流和速度雙閉環控制，主要由電流內環和速度外環構成，電流內環由電流閉環調節器70、坐標變換73、74、CRPWM逆變器75和電流傳感器76構成，其中電流閉環調節器70由PI控制器71和PI控制器72組成，坐標變換73由Park變換和Clark變換串接組成，坐標變換74由Park逆變換和Clark逆變換串接組成。速度外環由速度閉環調節器60、霍爾傳感器57構成，其中速度閉環調節器60由PI控制器61組成。再參見圖3，徑向位移控制器2採用位移閉環控制，主要由轉子偏心位移和偏心角度計算模塊50、微分先行PID控制器51、懸浮力繞組電流計算模塊52、CRPWM逆變器55、徑向位移傳感器56和徑向位移計算模塊54組成。對於徑向 位移閉環控制，首先採用轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53獲取轉矩繞組氣隙磁鏈幅值及相位，然後將獲得的轉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、轉子偏心位移和偏心角度計算模塊50輸出的轉子偏心角度及霍爾傳感器57輸出的的轉子位置角一併應用於懸浮力繞組電流計算模塊52，由其生成無軸承永磁薄片電機轉子穩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轉子徑向位移控制器的構造方法按以下步驟實施:
第I步，構造轉速控制器I。如圖2所示，首先採用PI控制器61作為速度閉環調節器60，採用PI控制器71和PI控制器72組成電流閉環調節器70，採用一個Clark變換和一個Park變換組成坐標變換73，採用一個Park逆變換和一個Clark逆變換組成坐標變換
74。利用霍爾傳感器57檢測轉子位置角:T，由關係式&=—十(ft為轉矩繞組極對數)
Λ *
計算得到轉子實際轉速0。以β和轉速給定值fiT作為速度閉環調節器60的輸入，得到轉矩繞組交軸電流給定值ζ。由電流傳感器76對三相轉矩繞組實際驅動電流Lbk進行採樣，經過坐標變換73得到轉矩繞組實際直軸、交軸電流&,其中，由坐標變換73的Clark變換得到兩相靜止坐標系下實際電流4?、華，由坐標變換73的Park變換得到壑、&。以轉矩繞組交軸電流給定值1、轉矩繞組直軸電流給定值4 (『設定為O)和轉矩繞組實際直軸、交軸電流&、4作為電流閉環調節器70的輸入，得到轉矩繞組直軸、交軸電流命令值4、綣。
[0012]坐標變換74以轉矩繞組直軸、交軸電流命令值;C、『為輸入，以三相轉矩繞組電流命令值C1、C、4為輸出；其中，由坐標變換74的Park逆變換生成兩相靜止坐標系下轉矩繞組電流命令值t，由坐標變換74的Clark逆變換生成三相轉矩繞組電流命令值&、4、4。三相轉矩繞組電流命令值& H輸入到CRPWM逆變器75後得到三相轉矩繞組驅動電流JP、4c。
[0013]第2步，設計轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53。如圖4所示，轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53以轉矩繞組實際直軸、交軸電流和永磁薄片轉子位置角:T為輸入，以轉矩繞組氣隙磁鏈幅值朽及相位#為輸出。轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊53內部估算原理為
【權利要求】
1.一種無軸承永磁薄片電機轉子徑向位移控制器的構造方法，其特徵是包括以下步驟: 1)構造由電流內環和速度外環構成的轉速控制器1，電流內環由電流閉環調節器70、坐標變換73、74、CRPWM逆變器75和電流傳感器76構成，速度外環由速度閉環調節器60、霍爾傳感器57構成；採用PI控制器61作為速度閉環調節器60，採用兩個PI控制器71、72組成電流閉環調節器70，利用霍爾傳感器57檢測轉子位置角7，計算得到轉子實際轉速《，以轉子實際轉速?和轉速給定值?Γ作為速度閉環調節器60的輸入，得到轉矩繞組交軸電流給定值^ ;由電流傳感器76對三相轉矩繞組實際驅動電流Lt、4c採樣，經過第一坐標變換73得到轉矩繞組實際直軸、交軸電流&、^，以轉矩繞組交軸電流給定值『、轉矩繞組直軸電流給定值4和轉矩繞組實際直軸、交軸電流1、作為電流閉環調節器70的輸入，得到轉矩繞組直軸、交軸電流命令值C1、『 ；第二坐標變換74以轉矩繞組直軸、交軸電流命令值羲、『為輸入，以三相轉矩繞組電流命令值、&、?:為輸出，三相轉矩繞組電流命令值& K輸入到CRPWM逆變器75後得到輸入無軸承永磁薄片電機3的三相轉矩繞組驅動電流U； 2)設計以轉矩繞組實際直軸、交軸電流
2.根據權利要求1所述的構造方法，其特徵是:步驟2)中，所述轉矩繞組氣隙磁鏈幅值相位
3.根據權利要求1所述的構造方法，其特徵是:步驟3)中，轉子位移給定值X*、Y*均 設定為O,轉子偏心位移
4.根據權利要求1所述的構造方法，其特徵是:步驟3)中，利用關係式
【文檔編號】H02P25/02GK103427755SQ201310335997
【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, 陳金海, 許波, 汪志群 申請人:江蘇大學