专利名称：永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法
技术领域：
本发明涉及一种无轴承电机的控制方法，尤其涉及一种永磁型无轴承电机 直接悬浮力控制方法。
背景技术：
永磁型无轴承电机的控制通常分为两部分转矩控制和悬浮力控制。 目前，国内外学者对于无轴承电机控制的研究均集中在如何实现转矩绕组 和悬浮绕组的解耦上,其解耦控制算法均是建立在转矩绕组控制采用d轴电流 为零的转子磁场定向矢量控制的基础上，其悬浮效果不仅依赖于转矩绕组磁场 定向控制的准确性，同时也受悬浮绕组自身磁场定向控制准确性的约束。
传统的悬浮绕组控制是通过控制悬浮绕组电流来控制悬浮绕组磁场，从而 间接的控制所需悬浮力的大小和方向，是对悬浮力的开环控制，使得悬浮力控 制的准确性和快速性受到限制，存在着动态悬浮响应慢的缺点。
传统的悬浮绕组矢量控制需要定转子的旋转坐标变换，控制算法复杂。
传统的悬浮绕组控制采用电流跟踪型逆变器和正弦脉宽调制方法 (SPWM)，直流母线电压利用率不高，逆变器开关器件开关次数多，开关损 耗较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制 方法。
本发明永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，其特征在于采用X轴位移 传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的横向实时位移信号x，采用Y轴位移 传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的纵向实时位移信号y，将所述横向实 时位移信号x和给定的永磁型无轴承电机转子的横向参考位移信号x'经过x方 向位置环得到横向位移差Ax ，将所述纵向实时位移信号y和给定的永磁型无轴 承电机转子的纵向参考位移信号/经过y方向位置环得到纵向位移差A^ ，将所 述横向位移差Ax经过PIDl调节器得到给定的"轴悬浮力《，将所述纵向位移
差A;;经过PID2调节器得到给定的/ 轴悬浮力《；采用悬浮绕组定子磁链幅值
与相位计算模块检测永磁型无轴承电机的三相输入电流和三相输入电压即A 相电流Ia、 A相电压Ua， B相电流Ib、 B相电压Ub， C相电流Ic、 C相电压 Uc，输出悬浮绕组定子磁链幅值|^2|与相位;1;采用转矩控制系统输出转矩绕
组合成气隙磁链的幅值l^g和相角//;将所述悬浮绕组定子磁链幅值|^2|与相
位义和转矩绕组合成气隙磁链的幅值KJ和相角经过悬浮力估算模块得到反 馈的"轴悬浮力Fa和反馈的^轴悬浮力^;将所述给定的"轴悬浮力《与反 馈的"轴悬浮力&经过X方向力环得到"轴的悬浮力矢量差A^ ，将所述给定 的y9轴悬浮力《与反馈的-轴悬浮力&经过y方向力环得到"轴悬浮力矢量
差AFp，将所述"轴悬浮力矢量差AF。、 / 轴的悬浮力矢量差AFp和转矩绕组合
成气隙磁链的相角经过直接悬浮力计算模块得到悬浮绕组磁链矢量差，将所 述悬浮绕组磁链矢量差经过空间电压矢量模块SVM得到功率变换器的三相开 关信号，将功率变换器的三相开关信号经过功率变换器VSI得到永磁型无轴承 电机的三相驱动电流和电压即永磁型无轴承电机悬浮绕组的三相输入电流和 三相输入电压；其中直接悬浮力计算模块的构建包括如下步骤
Fa=kMUs2cosOP)
其中、为
e)构建磁链表达的悬浮力数学模型<formula>formula see original document page 5</formula>悬浮力常量，v^为悬浮控制绕组定子磁链； 0构建悬浮力矢量模型当永磁同步电动机的磁路是线性的，参数不随
温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子为无阻尼绕组，保持 转矩绕组气隙磁链恒定，得到当前时刻k和下一时刻k+l的合成悬浮力
矢量在ap坐标系下的分量 <formula>formula see original document page 5</formula>式中的kp为悬浮力系数，Ae为悬浮力变化的方向角，Rk)为当前时刻k
的悬浮力，P(k+l)为下一时刻k+l的悬浮力，Af(k)为当前时刻k与下一 时刻k+l悬浮力的矢量差，l(k)为当前时刻k的悬浮绕组磁链，&2(k+l) 为下一时刻k+1的悬浮绕组磁链，A^(k)为当前时刻k与下一时刻k+1
悬浮绕组磁链矢量差；则合成悬浮力矢量差在"I3坐标系下的分量为 <formula>formula see original document page 5</formula>g)构建悬浮绕组磁链矢量模型当前时刻k和下一时刻k+l悬浮绕组磁链 矢量在aP坐标系下的分量为< Vs2a(k)=frs2(k)|CosX l化2a(k+l)叫vjis2(k+l)lcos(X+Ae) 、Vs2(3(k)=|^s2(k)|sinX ， l\)/s2p(k+i;H$s2(k+l)|sin(X+Ae)'
其中W^W为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在"轴上的分量，^2/"为
当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在P轴上的分量，W^Ot + l)为下一时刻k+l 悬浮绕组磁链矢量在"轴上的分量，^"hl)为下一时刻k+l悬浮绕组
磁链矢量在P轴上的分量；则悬浮绕组磁链矢量差在otp坐标系下的分量 即悬浮绕组磁链"轴矢量差A^^ 、悬浮绕组磁链々轴矢量差A^^为
=|$s2 (k+1)| c。s(人+A0)- |ij>s2 (k)| cos人 △Vs2n2fi(k+l)-v(/s2p(k) ' =|$s2 (k+l)| sin(X+Ae)-|ij>s2 (k)| sinX h)采用所述悬浮绕组磁链矢量差在ap坐标系下的分量代入合成悬浮力矢 量差在aP坐标系下的分量得到合成悬浮力的矢量差与悬浮绕组磁链矢
量差的关系式为:
_AFa-COS)Isi叫— :
-si叫COSJLl
本发明的永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法具有以下特点①本控 制方法是对悬浮力的闭环控制，提高了悬浮力的准确性和动态响应速度；②悬
浮力控制无需旋转坐标变换，不依赖于转矩控制绕组磁场定向控制的准确性，
控制算法简单，进一步对转矩控制绕组和悬浮力绕组解耦；③悬浮力控制不 再受悬浮控制绕组参数的影响。总的来说，永磁型无轴承电机直接悬浮力控制 方法是一种对悬浮力控制准确性高，动态响应快，受电机参数影响小的控制方 法。
图1:本发明控制系统框图2:本发明的直接悬浮力控制矢量图3:本发明悬浮力与悬浮控制绕组定子磁链矢量图。
图中标号V)V为转矩绕组合成气隙磁链；v^为转矩控制绕组定子磁链；Vs2 为悬浮控制绕组定子磁链；X为v^与a轴夹角；NV为转矩控制绕组定子磁链^ 在q轴上的分量；v)/f永磁体磁链； 为d轴与A相、晃组轴线夹角；S为转矩控制
绕组定子磁链^与v)/f的夹角。
J^《施力《
如图1所示。 一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，其特征在于采 用X轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的横向实时位移信号x，采 用Y轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的纵向实时位移信号y，将
所述横向实时位移信号X和给定的永磁型无轴承电机转子的横向参考位移信号
Z经过x方向位置环得到横向位移差Ax ，将所述纵向实时位移信号y和给定的 永磁型无轴承电机转子的纵向参考位移信号/经过y方向位置环得到纵向位移 差 ，将所述横向位移差Ax经过PID1调节器得到给定的"轴悬浮力《，将
所述纵向位移差Ay经过PID2调节器得到给定的々轴悬浮力《；采用悬浮绕组
定子磁链幅值与相位计算模块检测永磁型无轴承电机的三相输入电流和三相 输入电压即A相电流Ia、 A相电压Ua， B相电流Ib、 B相电压Ub， C相电流 Ic、 C相电压Uc，输出悬浮绕组定子磁链幅值|^2|与相位/1;采用转矩控制系
统输出转矩绕组合成气隙磁链的幅值KJ和相角a ;将所述悬浮绕组定子磁链 幅值|^2|与相位/1和转矩绕组合成气隙磁链的幅值|^1|和相角//经过悬浮力估 算模块得到反馈的"轴悬浮力Fa和反馈的/ 轴悬浮力;将所述给定的《轴悬 浮力《与反馈的"轴悬浮力&经过x方向力环得到"轴的悬浮力矢量差AFa ， 将所述给定的"轴悬浮力《与反馈的々轴悬浮力&经过y方向力环得到々轴 悬浮力矢量差A^，将所述"轴悬浮力矢量差A^、"轴的悬浮力矢量差A^和
转矩绕组合成气隙磁链的相角//经过直接悬浮力计算模块得到悬浮绕组磁链 矢量差，将所述悬浮绕组磁链矢量差经过空间电压矢量模块SVM得到功率变 换器的三相开关信号，将功率变换器的三相开关信号经过功率变换器VSI得到 永磁型无轴承电机的三相驱动电流和电压即永磁型无轴承电机悬浮绕组的三 相输入电流和三相输入电压；其中直接悬浮力计算模块的构建包括如下步骤
FjkMUs2Cos( i卞)
其中、为
i)构謹表达的悬浮力数對莫型m VmlVs2sin(h)
悬浮力常量，化2为悬浮控制绕组定子磁链；
j)构建悬浮力矢量模型当永磁同步电动机的磁路是线性的，参数不随 温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子为无阻尼绕组，保持 转矩绕组气隙磁链恒定，得到当前时刻k和下一时刻k+l的合成悬浮力 矢量在al3坐标系下的分量 Fa(k)= f(k) cos(X-jx"kF |ij>s2(k)|cos(X-[i)
Fp(k)= f (k) sin(>^i)=kF |$s2(k)|sinO|i)
「Fa (k+1 )= |f (k+1)| cos(X卞+竭
=kF (k+l)|cos(X-|i)cosA0-kF iKk+l)lsin(人卞)sinA9
Fp (k+l),(k+l)| sin(X卞+Ae) ，
=kF |ij>s2(k+l)|sin(Ar(i)cosAQ+kF iKk+l)lcos(X卞)sinA9
式中的kF为悬浮力系数，A9为悬浮力变化的方向角，f(k)为当前时刻k 的悬浮力，f(k+l)为下一时刻k+l的悬浮力，Af(k)为当前时刻k与下一
时刻k+l悬浮力的矢量差，t(k)为当前时刻k的悬浮绕组磁链，&2(k+l) 为下一时刻k+l的悬浮绕组磁链，Aij>s2(k)为当前时刻k与下一时刻k+l
悬浮绕组磁链矢量差；则合成悬浮力矢量差在aP坐标系下的分量为 <formula>formula see original document page 8</formula>
构建悬浮绕组磁链矢量模型当前时刻k和下一时刻k+l悬浮绕组磁链 矢量在aP坐标系下的分量为 Vs2a (k),s2 (k)| cos人Jvs2a (k+1 )= |ij>s2 (k+1 )| cos(X+A9) ，s2p(k)=fe2(k)|sinl ， lvs2p(k+l)=|ij>s2(k+l)|sin( i+Ae)'
其中^^(Q为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在"轴上的分量，^2/ ("为 当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在"轴上的分量，^ j + l)为下一时刻k+l 悬浮绕组磁链矢量在"轴上的分量，^^Ot + l)为下一时刻k+l悬浮绕组
磁链矢量在々轴上的分量；则悬浮绕组磁链矢量差在ap坐标系下的分量 即悬浮绕组磁链"轴矢量差A^^ 、悬浮绕组磁链-轴矢量差A^^为
<formula>formula see original document page 8</formula>
1)采用所述悬浮绕组磁链矢量差在a(3坐标系下的分量代入合成悬浮力矢 量差在aP坐标系下的分量得到合成悬浮力的矢量差与悬浮绕组磁链矢
量差的关系式为<formula>formula see original document page 8</formula>
所述悬浮绕组定子磁链幅值与相位计算模块将转矩绕组的三相电压和三
相电流经过3/2变换转换为"，"坐标下的电压和电流Ua、
<formula>formula see original document page 8</formula>
再由:
<formula>formula see original document page 8</formula>计算出""坐标系下
的悬浮绕组定子磁链幅值|^2|与相位义，i 为转矩绕组电阻，悬浮绕组定子磁 链幅值lvg包括"轴的转矩绕组定子磁链幅值和"轴的转矩绕组定子磁链幅 值。
所述转矩系统控制模块将转矩绕组的三相电压和三相电流经过3/2变换转
换为a,^坐标下的电压和电流U^ U
pi贯
LP1
再由:
< : ，《为悬浮绕组电阻，将C^坐标系下的转矩绕组定子磁
链减去漏磁链得到转矩绕组的气隙磁链^^"-^"一t， ， (C为漏电感)，
<formula>formula see original document page 9</formula>2计算出"々坐标系下的转矩绕组定子磁链
幅值KJ与相位//。
本发明在保持转矩绕组合成气隙磁链近似恒定的同时，通过适当选择逆变 器的开关状态来控制悬浮绕组定子磁链空间矢量的幅值与方向，控制无轴承永 磁同步电机悬浮力的大小和方向。
本发明的工作原理是通过位移传感器检测出转子的实时位移信号，经过位
移环PID的调节作用得到控制所需的悬浮力给定，与直接悬浮力估算模块计算 所得的反馈力作差，得到需要的悬浮力的矢量差，再通过直接悬浮力计算模块 计算出悬浮绕组所需要的磁链矢量，并通过基本空间电压矢量(SVPWM)算 法得到逆变器的开关信号来合成所需的磁链，从而实现悬浮力的快速准确控制 和电机的稳定悬浮。
如图2、图3所示。根据用磁链表达的悬浮力数学模型，悬浮力可以看做 一个幅值大小为kMv^v^，以悬浮绕组磁链v^与转矩绕组合成气隙磁链v^的夹
角即X卞角度旋转的空间矢量。当转矩负载恒定且稳态运行时，转矩绕组合成 气隙磁链L的幅值及定、转子磁链夹角S基本保持恒定不变，则悬浮力的控制 可以通过调节悬浮绕组磁链化2的幅值大小和相位来实现。
权利要求
1. 一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，其特征在于采用X轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的横向实时位移信号x，采用Y轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的纵向实时位移信号y，将所述横向实时位移信号x和给定的永磁型无轴承电机转子的横向参考位移信号x*经过x方向位置环得到横向位移差Δx，将所述纵向实时位移信号y和给定的永磁型无轴承电机转子的纵向参考位移信号y*经过y方向位置环得到纵向位移差Δy，将所述横向位移差Δx经过PID1调节器得到给定的α轴悬浮力将所述纵向位移差Δy经过PID2调节器得到给定的β轴悬浮力采用悬浮绕组定子磁链幅值与相位计算模块检测永磁型无轴承电机的三相输入电流和三相输入电压即A相电流Ia、A相电压Ua，B相电流Ib、B相电压Ub，C相电流Ic、C相电压Uc，输出悬浮绕组定子磁链幅值|ψs2|与相位λ；采用转矩控制系统输出转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψm1|和相角μ；将所述悬浮绕组定子磁链幅值|ψs2|与相位λ和转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψm1|和相角μ经过悬浮力估算模块得到反馈的α轴悬浮力Fα和反馈的β轴悬浮力Fβ；将所述给定的α轴悬浮力与反馈的α轴悬浮力Fα经过x方向力环得到α轴的悬浮力矢量差ΔFα，将所述给定的β轴悬浮力与反馈的β轴悬浮力Fβ经过y方向力环得到β轴悬浮力矢量差ΔFβ，将所述α轴悬浮力矢量差ΔFα、β轴的悬浮力矢量差ΔFβ和转矩绕组合成气隙磁链的相角μ经过直接悬浮力计算模块得到悬浮绕组磁链矢量差，将所述悬浮绕组磁链矢量差经过空间电压矢量模块SVM得到功率变换器的三相开关信号，将功率变换器的三相开关信号经过功率变换器VSI得到永磁型无轴承电机的三相驱动电流和电压即永磁型无轴承电机悬浮绕组的三相输入电流和三相输入电压；其中直接悬浮力计算模块的构建包括如下步骤a)构建磁链表达的悬浮力数学模型其中kM为悬浮力常量，ψs2为悬浮控制绕组定子磁链；b)构建悬浮力矢量模型当永磁同步电动机的磁路是线性的，参数不随温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子为无阻尼绕组，保持转矩绕组气隙磁链恒定，得到当前时刻k和下一时刻k+1的合成悬浮力矢量在αβ坐标系下的分量式中的kF为悬浮力系数，Δθ为悬浮力变化的方向角，为当前时刻k的悬浮力，为下一时刻k+1的悬浮力，为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮力的矢量差，为当前时刻k的悬浮绕组磁链，为下一时刻k+1的悬浮绕组磁链，为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量差；则合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量为c)构建悬浮绕组磁链矢量模型当前时刻k和下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在αβ坐标系下的分量为 其中ψs2α(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψs2β(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量，ψs2α(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψs2β(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量；则悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量即悬浮绕组磁链α轴矢量差Δψs2α、悬浮绕组磁链β轴矢量差Δψs2β为d)采用所述悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量代入合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量得到合成悬浮力的矢量差与悬浮绕组磁链矢量差的关系为
全文摘要
本发明公布了一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，属无轴承电机的控制方法。本发明在保持转矩绕组合成气隙磁链恒定的同时，通过适当选择逆变器的开关状态来控制悬浮绕组定子磁链空间矢量的幅值与方向，控制无轴承永磁同步电机悬浮力的大小和方向，对悬浮力采用闭环控制，进一步对转矩控制绕组和悬浮力绕组解耦。本发明是一种对悬浮力控制准确性高，动态响应快，受电机参数影响小的控制方法。
文档编号H02N15/00GK101383573SQ200810155789
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者仇志坚, 楠 李, 王晓琳, 邓智泉 申请人:南京航空航天大学