CN103427755B

CN103427755B - 一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法

Info

Publication number: CN103427755B
Application number: CN201310335997.1A
Authority: CN
Inventors: 朱熀秋; 祝苏明; 陈金海; 许波; 汪志群
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-08-05
Also published as: CN103427755A

Abstract

本发明公开了一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法，构造由电流内环和速度外环构成的转速控制器，设计以转矩绕组实际直轴、交轴电流和永磁薄片转子位置角为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为输出的转矩绕组气隙磁链估算模块；由转子偏心位移和偏心角度计算模块、微分先行PID控制器、悬浮力绕组电流计算模块、CRPWM逆变器、径向位移传感器和径向位移计算模块构成径向位移控制器；由转速控制器、径向位移控制器和转矩绕组气隙磁链估算模块构成电机转子径向位移控制器；省去了中间复杂的坐标矢量变换，降低了控制***的复杂程度及控制算法耗用的***时钟周期，有效提高了整个***的控制性能。

Description

一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法

技术领域

本发明涉及一种直接对无轴承永磁薄片电机转子径向位移进行控制使其达到稳定悬浮并且高速旋转的控制器，适用于密封泵、高速或超高速数控机床、工业机器人、航空航天、生命科学等众多使用无轴承永磁薄片电机的特殊电气传动领域，属于电力传动控制的技术领域。

背景技术

利用电磁轴承支撑无轴承电机的转子，并对转子径向位移进行精确控制实现电机转子的稳定悬浮一直是无轴承电机研究的重点及难点。现已提出的电机转子稳定悬浮控制方法主要有两种：矢量控制方法和直接悬浮力控制方法，基本上能够实现电机转子径向悬浮力的控制，但这两种控制方法均存在明显的不足和缺点：矢量控制方法需要繁琐的坐标变换，增加了控制***软件的复杂程度，占用了过多的***时钟周期；直接悬浮力控制方法则需要对电机转子径向悬浮力进行在线辨识，不但增加了***硬件设计成本，而且径向悬浮力辨识精度也决定了***的整体控制性能。

无轴承永磁薄片电机是一种新型的无轴承电机，它可以利用自身磁阻力巧妙地实现转子轴向平移与左右、前后翻转运动三个自由度的被动悬浮控制，在此基础上，再对其径向位移进行主动控制。为了实现这种电机转子的稳定悬浮与高速旋转，使这种电机能够得到广泛应用并发挥其所具有的独特优势，需要设计一种能够实现其转子径向稳定悬浮且简单可行的主动悬浮控制器。

发明内容

本发明提供一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法，所构造的的无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器结构简单、性能可靠，实现无轴承永磁薄片电机电磁转矩和径向悬浮力之间的独立控制，提高无轴承永磁薄片电机的悬浮性能指标，使无轴承永磁薄片电机具有优良的动、静态控制性能。

本发明所述一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法采用的技术方案是包括以下步骤：

1）构造由电流内环和速度外环构成的转速控制器，电流内环由电流闭环调节器、坐标变换、CRPWM逆变器和电流传感器构成，速度外环由速度闭环调节器、霍尔传感器构成；采用PI控制器作为速度闭环调节器，采用两个PI控制器组成电流闭环调节器，利用霍尔传感器检测转子位置角，计算得到转子实际转速，以转子实际转速和转速给定值作为速度闭环调节器的输入，得到转矩绕组交轴电流给定值；由电流传感器对三相转矩绕组实际驱动电流、、采样，经过第一坐标变换得到转矩绕组实际直轴、交轴电流、，以转矩绕组交轴电流给定值、转矩绕组直轴电流给定值和转矩绕组实际直轴、交轴电流、作为电流闭环调节器的输入，得到转矩绕组直轴、交轴电流命令值、；第二坐标变换以转矩绕组直轴、交轴电流命令值、为输入，以三相转矩绕组电流命令值、、为输出，三相转矩绕组电流命令值，，输入到CRPWM逆变器后得到输入无轴承永磁薄片电机的三相转矩绕组驱动电流、、；

2）设计以转矩绕组实际直轴、交轴电流、和永磁薄片转子位置角为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为输出的转矩绕组气隙磁链估算模块；

3）由转子偏心位移和偏心角度计算模块、微分先行PID控制器、悬浮力绕组电流计算模块、CRPWM逆变器、径向位移传感器和径向位移计算模块组成径向位移控制器；径向位移传感器对转子径向位移采集，经过径向位移计算模块差分处理输出转子实际径向位移X、Y，与转子位移给定值X*、Y*一并输入到转子偏心位移和偏心角度计算模块，经计算得出转子偏心位移和偏心角度，转子偏心位移输入到微分先行PID控制器得到转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值；悬浮力绕组电流计算模块以、、、、五个变量作为输入，以三相悬浮力绕组电流命令值、、为输出，以三相悬浮力绕组电流命令值，，作为CRPWM逆变器输入，得到无轴承永磁薄片电机的转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组驱动电流、、；

4）调整微分先行PID控制器、速度闭环调节器和电流闭环调节器的参数，并计算悬浮力绕组电流；

5）由所述转速控制器、径向位移控制器和转矩绕组气隙磁链估算模块构成无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器。

本发明的优点在于：

1．无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器将径向位移传感器检测的转子实际径向位移X、Y与位移给定值X^*、Y^*进行比较，通过悬浮力绕组电流计算模块直接生成控制径向位移所需要的电流值，使永磁薄片转子稳定悬浮，与矢量控制方法相比，省去了中间复杂的坐标矢量变换，降低了控制***的复杂程度及控制算法耗用的***时钟周期，控制***响应更快。

2．无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器对永磁薄片转子径向位移进行直接控制，与直接悬浮力控制方法相比，不需要对转子径向悬浮力进行在线辨识，避免了使用直接悬浮力控制方法时，由于辨识精度而影响控制***性能的问题。

3．无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器中速度闭环实现过程中，转矩绕组气隙磁链与转矩绕组定子磁链及永磁薄片转子磁链存在矢量关系，该转矩绕组气隙磁链估算方法简单可行，易于悬浮力绕组电流计算模块的实现，降低了径向位移控制器的软/硬件设计复杂度，减少了控制***占用的***时钟周期。

附图说明

图1是无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的结构原理图；

图2是图1中转速控制器1的结构原理图；

图3是图1中径向位移控制器2的结构原理图；

图4是图1中转矩绕组气隙磁链估算模块53的原理示意图；

图5是无轴承永磁薄片电机转子偏心示意图；

图6是图3中悬浮力绕组电流计算模块52的原理示意图；

图7是无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器总体实现原理图。

图中：1.转速控制器；2.径向位移控制器；3.无轴承永磁薄片电机；50.转子偏心位移和偏心角度计算模块；51.微分先行PID控制器；52.悬浮力绕组电流计算模块；53.转矩绕组气隙磁链估算模块；54.径向位移计算模块；55. CRPWM逆变器；56.径向位移传感器；57.霍尔传感器；60.速度闭环调节器；61. PI控制器；70.电流闭环调节器；71、72. PI控制器；73、74.坐标变换；75. CRPWM逆变器；76.电流传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器由转速控制器1、径向位移控制器2和转矩绕组气隙磁链估算模块53组成。如图2所示，对于转速控制器1，采用电流和速度双闭环控制，主要由电流内环和速度外环构成，电流内环由电流闭环调节器70、坐标变换73、74、CRPWM逆变器75和电流传感器76构成，其中电流闭环调节器70由PI控制器71和PI控制器72组成，坐标变换73由Park变换和Clark变换串接组成，坐标变换74由Park逆变换和Clark逆变换串接组成。速度外环由速度闭环调节器60、霍尔传感器57构成，其中速度闭环调节器60由PI控制器61组成。再参见图3，径向位移控制器2采用位移闭环控制，主要由转子偏心位移和偏心角度计算模块50、微分先行PID控制器51、悬浮力绕组电流计算模块52、CRPWM逆变器55、径向位移传感器56和径向位移计算模块54组成。对于径向位移闭环控制，首先采用转矩绕组气隙磁链估算模块53获取转矩绕组气隙磁链幅值及相位，然后将获得的转矩绕组气隙磁链信息和微分先行PID控制器51输出的径向悬浮力幅值、转子偏心位移和偏心角度计算模块50输出的转子偏心角度及霍尔传感器57输出的的转子位置角一并应用于悬浮力绕组电流计算模块52，由其生成无轴承永磁薄片电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流命令值。所述无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法按以下步骤实施：

第1步，构造转速控制器1。如图2所示，首先采用PI控制器61作为速度闭环调节器60，采用PI控制器71和PI控制器72组成电流闭环调节器70，采用一个Clark变换和一个Park变换组成坐标变换73，采用一个Park逆变换和一个Clark逆变换组成坐标变换74。利用霍尔传感器57检测转子位置角，由关系式（为转矩绕组极对数）计算得到转子实际转速。以和转速给定值作为速度闭环调节器60的输入，得到转矩绕组交轴电流给定值。由电流传感器76对三相转矩绕组实际驱动电流、、进行采样，经过坐标变换73得到转矩绕组实际直轴、交轴电流、，其中，由坐标变换73的Clark变换得到两相静止坐标系下实际电流、，由坐标变换73的Park变换得到、。以转矩绕组交轴电流给定值、转矩绕组直轴电流给定值（设定为0）和转矩绕组实际直轴、交轴电流、作为电流闭环调节器70的输入，得到转矩绕组直轴、交轴电流命令值、。

坐标变换74以转矩绕组直轴、交轴电流命令值、为输入，以三相转矩绕组电流命令值、、为输出；其中，由坐标变换74的Park逆变换生成两相静止坐标系下转矩绕组电流命令值、，由坐标变换74的Clark逆变换生成三相转矩绕组电流命令值、、。三相转矩绕组电流命令值，，输入到CRPWM逆变器75后得到三相转矩绕组驱动电流、、。

第2步，设计转矩绕组气隙磁链估算模块53。如图4所示，转矩绕组气隙磁链估算模块53以转矩绕组实际直轴、交轴电流、和永磁薄片转子位置角为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为输出。转矩绕组气隙磁链估算模块53内部估算原理为，其中、分别为转矩绕组线圈的直轴、交轴自感，为永磁薄片转子等效磁链。

第3步，构造径向位移控制器2。如图3所示，径向位移控制器2采用位移闭环控制，主要由转子偏心位移和偏心角度计算模块50、微分先行PID控制器51、悬浮力绕组电流计算模块52、CRPWM逆变器55、径向位移传感器56和径向位移计算模块54组成。其中转子偏心位移和偏心角度计算模块50、微分先行PID控制器51、悬浮力绕组电流计算模块52和CRPWM逆变器55依次串接。径向位移传感器56对转子径向位移进行采集，经过径向位移计算模块54差分处理输出转子实际径向位移X、Y，与转子位移给定值X*、Y*一并输入到转子偏心位移和偏心角度计算模块50，经计算得出转子偏心位移和偏心角度。转子偏心位移输入到微分先行PID控制器51后得到转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值。悬浮力绕组电流计算模块52以、、、、五个变量作为输入，以三相悬浮力绕组电流命令值、、为输出。以三相悬浮力绕组电流命令值，，作为CRPWM逆变器55的输入，得到无轴承永磁薄片电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组驱动电流、、。

图5为无轴承永磁薄片电机转子偏心示意图，转子偏心位移和偏心角度计算模块50以转子位移给定值X*、Y*和转子实际位移反馈值X、Y作为输入，转子位移给定值X*、Y*均设定为0，由关系式得到转子偏心位移和偏心角度。

第4步，调整微分先行PID控制器51、速度闭环调节器60和电流闭环调节器70的参数。微分先行PID控制器51采用不完全微分和积分分离方法来设计，以转子偏心位移作为其输入，以无轴承永磁薄片电机转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值为输出。速度闭环调节器60和电流闭环调节器70采用线性理论中的比例积分方法设计，通过调整电流内环PI控制器71、72参数，速度外环PI控制器61参数和微分先行PID控制器51参数，实现无轴承永磁薄片电机3转子稳定悬浮和高速旋转。

第5步，计算悬浮力绕组电流。如图6所示，悬浮力绕组电流计算模块52以，，，，五个变量为输入，利用关系式得到三相悬浮力绕组电流命令值的幅值及初始相位，其中C为常数，则三相静止坐标系下无轴承永磁薄片电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流命令值可表示为，式中。依据悬浮力绕组电流计算模块52的输出，即三相悬浮力绕组电流命令值，输出PWM控制信号至CRPWM逆变器55得到三相悬浮力绕组驱动电流、、。

第6步，构造无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器。如图1所示，无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器由转速控制器1、转矩绕组气隙磁链估算模块53和径向位移控制器2组成。转速控制器1以转速给定值为输入，以三相转矩绕组驱动电流、、为输出。转矩绕组气隙磁链估算模块53以转矩绕组实际直轴、交轴电流，和转子位置角为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为输出。径向位移控制器2以，、转子位移给定值X*，Y*及转子位置角为输入，得到三相悬浮力绕组驱动电流，，。

图7给出了无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器总体实现原理图，所述无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器利用电流传感器76检测转矩绕组三相实际电流、、，经坐标变换73运算和处理得到转矩绕组实际直、交轴电流、，与转矩绕组给定直、交轴电流、进行比较，调整电流闭环调节器70中PI控制器71、72参数实现电流闭环控制；利用霍尔传感器57检测转子位置角，经过计算得到转子实际转速，与转速给定值进行比较，调整速度闭环调节器60中PI控制器61的参数实现速度闭环控制，确保无轴承永磁薄片电机3转速具有优良的响应性能指标；通过径向位移传感器56检测转子实际径向位移X、Y，与位移给定值X*，Y*进行比较，调整微分先行PID控制器51的参数实现无轴承永磁薄片电机3径向位移闭环控制，确保无轴承永磁薄片电机转子稳定悬浮，具有优良的动静态性能指标。

Claims

1.一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法，其特征是包括以下步骤：

1）构造由电流内环和速度外环构成的转速控制器（1），电流内环由电流闭环调节器（70）、坐标变换（73、74）、第一CRPWM逆变器（75）和电流传感器（76）构成，速度外环由速度闭环调节器（60）、霍尔传感器（57）构成；采用PI控制器（61）作为速度闭环调节器（60），采用两个PI控制器（71、72）组成电流闭环调节器（70），利用霍尔传感器（57）检测转子位置角，计算得到转子实际转速，以转子实际转速和转速给定值作为速度闭环调节器（60）的输入，得到转矩绕组交轴电流给定值；由电流传感器（76）对三相转矩绕组实际驱动电流、、采样，经过第一坐标变换（73）得到转矩绕组实际直轴、交轴电流、，以转矩绕组交轴电流给定值、转矩绕组直轴电流给定值和转矩绕组实际直轴、交轴电流、作为电流闭环调节器（70）的输入，得到转矩绕组直轴、交轴电流命令值、；第二坐标变换（74）以转矩绕组直轴、交轴电流命令值、为输入，以三相转矩绕组电流命令值、、为输出，三相转矩绕组电流命令值，，输入到第一CRPWM逆变器（75）后得到输入无轴承永磁薄片电机（3）的三相转矩绕组驱动电流、、；

2）设计以转矩绕组实际直轴、交轴电流、和永磁薄片转子位置角为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为输出的转矩绕组气隙磁链估算模块（53）；

3）由转子偏心位移和偏心角度计算模块（50）、微分先行PID控制器（51）、悬浮力绕组电流计算模块（52）、第二CRPWM逆变器（55）、径向位移传感器（56）和径向位移计算模块（54）构成径向位移控制器（2）；径向位移传感器（56）对转子径向位移采集，经过径向位移计算模块（54）差分处理输出转子实际径向位移X、Y，与转子位移给定值X*、Y*一并输入到转子偏心位移和偏心角度计算模块（50），经计算得出转子偏心位移和偏心角度，转子偏心位移输入到微分先行PID控制器（51）得到转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值；悬浮力绕组电流计算模块（52）以、、、、五个变量作为输入，以三相悬浮力绕组电流命令值、、为输出，以三相悬浮力绕组电流命令值，，作为第二CRPWM逆变器（55）输入，得到无轴承永磁薄片电机（3）的转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组驱动电流、、；

4）调整微分先行PID控制器（51）、速度闭环调节器（60）和电流闭环调节器（70）的参数，并计算悬浮力绕组电流；

5）由所述转速控制器（1）、径向位移控制器（2）和转矩绕组气隙磁链估算模块（53）构成无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器。

2.根据权利要求1所述的构造方法，其特征是：步骤2）中，所述转矩绕组气隙磁链幅值，相位，、分别为转矩绕组线圈的直轴、交轴自感，为永磁薄片转子等效磁链。

3.根据权利要求1所述的构造方法，其特征是：步骤3）中，转子位移给定值X*、Y*均设定为0，转子偏心位移，偏心角度。

4.根据权利要求1所述的构造方法，其特征是：步骤3）中，利用关系式得到三相悬浮力绕组电流命令值的幅值及初始相位，C为常数，则三相静止坐标系下无轴承永磁薄片电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流命令值，。