专利名称：无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法
技术领域：
本发明涉及应用于高速超高速数控机床、涡轮分子泵、离心机、压缩机、机电贮能、 航空航天等特殊电气传动领域中的无轴承同步磁阻电机，尤其涉及无轴承同步磁阻电机转 矩和悬浮力直接控制器及构造方法，对无轴承同步磁阻电机进行高性能控制。
背景技术：
无轴承同步磁阻电机是一种多变量、非线性、强耦合的被控对象，其径向位置、转 速难以通过外加的信号准确地控制。若要实现电机转子稳定悬浮和运行，必须对电机转矩 力和悬浮力进行解耦控制。目前，无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力解耦控制主要采用开关频率高、容量利 用率不高的电流跟踪型逆变器，采用矢量控制，系统过多依赖于复杂的电机参数和矢量坐 标变换，对悬浮力的控制处于开环状态，限制了悬浮力控制的精度和动态响应性能，使得实 际的控制效果难以达到理论分析的结果。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种既可使无轴承同步磁阻电机实现转矩与悬浮力动 态解耦，又使无轴承同步磁阻电机具有优良的动、静态控制性能和抗电机参数变化及抗负 载扰动能力的无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器。本发明的另一目的是提供上述直接控制器的构造方法，进一步提高无轴承同步磁 阻电机的动态工作性能，更好地实现无轴承同步磁阻电机的转矩和径向悬浮力的解耦控 制。本发明无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器采用技术方案是由直接 转矩控制器和悬浮力直接控制器组成，直接转矩控制器由转矩绕组磁链和转矩观测器及依 次串接的两个PI控制器、参考磁链生成模块、空间矢量脉宽调制模块组成；空间矢量脉宽 调制模块经外部的电压源逆变器接入无轴承同步磁阻电机，转矩绕组磁链和转矩观测器的 输入连接无轴承同步磁阻电机，输出分别连接一 PI控制器、参考磁链生成模块和悬浮力直 接控制器中的悬浮力估算模型；所述悬浮力直接控制器由两个PID控制器、悬浮力绕组磁 链观测器、悬浮力估算模块、力/磁链转换模块和空间矢量脉宽调制模块组成，两PID控制 器并接后通过力/磁链转换模块串接空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块通过 外部的电压源逆变器连接无轴承同步磁阻电机，悬浮力估算模块串接在力/磁链转换模块 和悬浮力绕组磁链观测器之间，悬浮力绕组磁链观测器直接连接外部的无轴承同步磁阻电 机。本发明无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器的构造方法是采用如下步 骤1)构造由两个PI控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、参考磁链生成模块和空间矢量 脉宽调制模块组成的带有转速和转矩双闭环的直接转矩控制器，首先采用转矩绕组磁链和 转矩观测器来获取直接转矩控制所需的转矩绕组磁链和转矩信息，然后将所观测的转矩绕组实时磁链和转矩信息应用于直接转矩控制器，生成转矩绕组控制电压源逆变器开关信号 以驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行直接控制；2)构造由两个PID控制器、转矩绕组 磁链和转矩观测器、悬浮力绕组磁链观测器、悬浮力估算模块、力/磁链转换模块和空间矢 量脉宽调制模块组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制器，首先采用悬浮 力绕组磁链观测器来获取悬浮力绕组磁链信息，然后由悬浮力估算模块根据转矩绕组和悬 浮力绕组磁链在线计算出悬浮力；由悬浮力直接控制器直接生成悬浮力绕组控制电压源逆 变器开关信号以驱动逆变器对转子径向悬浮力进行直接控制；3)由直接转矩控制器和悬浮 力直接控制器共同构成无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器，对电机转矩和径向 悬浮力进行独立控制。本发明的优点在于
1.实现无轴承同步磁阻电机的转矩和转子径向悬浮力直接独立控制，将无轴承同步磁 阻电机系统的转矩和转子径向悬浮力控制问题转化为简单的直接转矩控制和直接悬浮力 控制两个直接控制子系统的独立控制问题，容易实现电机转矩和悬浮力之间的独立控制， 确保电机转子稳定悬浮和运行，获得优良的电机运行性能。2.用转矩和悬浮力直接控制方法来实现无轴承同步磁阻电机高性能控制，具有控 制结构简单，转速响应快，优良的动静态性能，对电机参数表现出强的鲁棒性，完全克服了 传统矢量控制过多依赖于电机参数、复杂的矢量坐标变换、电流跟踪型逆变器开关频率高 和逆变器容量利用率不高的缺点，也克服了处于开环状态的悬浮力矢量控制对悬浮力控制 精度和动态响应性能的限制。3.本发明改变无轴承同步磁阻电机采用矢量控制的策略，提高了无轴承同步磁阻 电机控制性能，而且可推广到其它无轴承电机控制系统，在其它类型的无轴承电机中也具 有参考应用价值。
图1是由直接转矩控制器20和悬浮力直接控制器40组成的转矩和悬浮力直接控制器 50的原理框图2是由坐标变换11、转矩绕组电压计算模块12、转矩绕组磁链观测模型13以及转矩 观测模型14组成的转矩绕组磁链和转矩观测器10的原理图3是由两个PI控制器对、25、转矩绕组磁链和转矩观测器10、参考磁链生成模块21 和空间矢量脉宽调制模块22组成的直接转矩控制器20的原理图4是由坐标变换31、悬浮力绕组电压计算模块32和悬浮力绕组磁链观测模型33组 成的悬浮力绕组磁链观测器30的原理图及悬浮力估算模型34的原理图5是由两个PID控制器43、44、转矩绕组磁链和转矩观测器10、悬浮力绕组磁链观测 器30、悬浮力估算模型34、力/磁链转换模块41和空间矢量脉宽调制模块42组成的悬浮 力直接控制器40的原理图6是采用单DSP作为转矩和悬浮力直接控制器50实现的硬件结构示意图； 图7是采用DSP作为转矩和悬浮力直接控制器50实现的系统软件框图。
具体实施例方式如图1，本发明无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器50由直接转矩控制器20和悬浮力直接控制器40组成。其中，直接转矩控制器20由两个PI控制器对、25、转 矩绕组磁链和转矩观测器10、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块22组成；两 个PI控制器对、25、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块22依次串接，空间矢 量脉宽调制模块22连接外部的电压源逆变器15，电压源逆变器15接入无轴承同步磁阻电 机。转矩绕组磁链和转矩观测器10的输入连接无轴承同步磁阻电机，输出分别连接PI控 制器25、参考磁链生成模块21和悬浮力直接控制器40中的悬浮力估算模型34。转矩和悬 浮力直接控制器50外部的光电编码器23连接无轴承同步磁阻电机，用于检测无轴承同步 磁阻电机的实时转速『。将无轴承同步磁阻电机的转速指令值/和实时转速『的比较差值 经PI控制器M调节后生成转矩指令值T:，T与转矩实时值Te的比较差值经PI控制器25 调节后生成转矩绕组定子磁链相位角增量DA然后输入参考磁链生成模块21，根据Di/与转 矩绕组定子磁链幅值指令值及实时磁链幅值和相位q生成电压指令值Ua和Ub,再经 空间矢量脉宽调制模块22调制后生成电压源逆变器15开关信息，驱动逆变器实现无轴承 同步磁阻电机直接转矩控制。悬浮力直接控制器40由两个PID控制器43、44、悬浮力绕组磁链观测器30、悬浮 力估算模块；34、力/磁链转换模块41和空间矢量脉宽调制模块42组成。PID控制器43、 44并接后通过力/磁链转换模块41串接空间矢量脉宽调制模块42，空间矢量脉宽调制模 块42连接外部的电压源逆变器35。悬浮力估算模块34串接在力/磁链转换模块41和悬 浮力绕组磁链观测器30之间，悬浮力绕组磁链观测器30连接外部的无轴承同步磁阻电机。 由悬浮力估算模块34计算出悬浮力静止坐标分量兄和&。转子位置指令值Z和/分别 与传感器获得的位移值χ和_7的比较差值分别经PID控制器43、44调制后生成悬浮力指令 值/T和厂/，然后/C和Z7/分别与兄和巧的比较差值经力/磁链转换模块41生成悬浮力 绕组磁链增量，再经空间矢量脉宽调制模块42调制后得到电压源逆变器35开关信息，驱动 逆变器实现无轴承同步磁阻电机悬浮力直接控制。本发明无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器50是基于无轴承同步磁阻 电机样机本体构造的，将转矩和悬浮力直接控制系统等效为转矩直接控制和悬浮力直接控 制两个子系统。对于转矩直接控制子系统，构造由两个PI控制器对、25、转矩绕组磁链和转 矩观测器10、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块22组成的带有转速和转矩双 闭环的直接转矩控制器20，首先采用转矩绕组磁链和转矩观测器10来获取直接转矩控制 所需的转矩绕组磁链和转矩信息；然后将所观测的转矩绕组实时磁链和转矩信息应用于直 接转矩控制器20，生成转矩绕组控制电压源逆变器15开关信号，驱动逆变器对转矩绕组磁 链和转矩进行直接控制。对于悬浮力直接控制子系统，构造由两个PID控制器43、44、转矩 绕组磁链和转矩观测器10、悬浮力绕组磁链观测器30、悬浮力估算模块34、力/磁链转换模 块41和空间矢量脉宽调制模块42组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制 子系统，首先采用悬浮力绕组磁链观测器30来获取悬浮力绕组磁链信息；然后由悬浮力估 算模块34根据转矩绕组和悬浮力绕组磁链在线计算出悬浮力；在此基础上，由悬浮力直接 控制器40直接生成悬浮力绕组控制电压源逆变器35开关信号，驱动逆变器对转子径向悬 浮力进行直接控制。由直接转矩控制器20和悬浮力直接控制器40共同构成无轴承同步磁 阻电机转矩和悬浮力直接控制器50，对电机转矩和径向悬浮力进行独立控制。具体的构造 方法分以下5步1.如图2所示，构造转矩绕组磁链和转矩观测器10，将无轴承同步磁阻电机分别连 接转矩绕组磁链和转矩观测器10和电压源逆变器15，转矩绕组磁链和转矩观测器10由 电流Clark坐标变换11、转矩绕组电压计算模块12、转矩绕组磁链观测模型13和转矩观 测模型14构造。转矩绕组磁链和转矩观测器10的输入为电机转矩绕组定子相电流il3、 、电压源逆变器15的直流电压Vdc及其开关状态，通过转矩绕组定子磁链估计公式为
权利要求
1.一种无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器，由直接转矩控制器(20)和悬 浮力直接控制器(40)组成，其特征是所述直接转矩控制器(20)由转矩绕组磁链和转矩观 测器(10)及依次串接的两个PI控制器(24、25)、参考磁链生成模块(21)、空间矢量脉宽调 制模块(22)组成；空间矢量脉宽调制模块(22)经外部的电压源逆变器(15)接入无轴承同 步磁阻电机，转矩绕组磁链和转矩观测器(10)的输入连接无轴承同步磁阻电机，输出分别 连接一 PI控制器(25 )、参考磁链生成模块(21)和悬浮力直接控制器(40 )中的悬浮力估算 模型(34);所述悬浮力直接控制器(40)由两个PID控制器(43、44)、悬浮力绕组磁链观测器 (30)、悬浮力估算模块(34)、力/磁链转换模块(41)和空间矢量脉宽调制模块(42)组成，两 PID控制器(43、44)并接后通过力/磁链转换模块(41)串接空间矢量脉宽调制模块(42)， 空间矢量脉宽调制模块(42)通过外部的电压源逆变器(35)连接无轴承同步磁阻电机，悬 浮力估算模块(34)串接在力/磁链转换模块(41)和悬浮力绕组磁链观测器(30)之间，悬 浮力绕组磁链观测器(30)直接连接外部的无轴承同步磁阻电机。
2.一种如权利要求1所述控制器的构造方法，其特征是采用如下步骤1)构造由两个PI控制器(24、25)、转矩绕组磁链和转矩观测器(10)、参考磁链生成模 块(21)和空间矢量脉宽调制模块(22)组成的带有转速和转矩双闭环的直接转矩控制器(20)，首先采用转矩绕组磁链和转矩观测器(10)来获取直接转矩控制所需的转矩绕组磁链 和转矩信息，然后将所观测的转矩绕组实时磁链和转矩信息应用于直接转矩控制器(20)， 生成转矩绕组控制电压源逆变器(15)开关信号以驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行 直接控制；2)构造由两个PID控制器(43、44)、转矩绕组磁链和转矩观测器(10)、悬浮力绕组磁链 观测器(30)、悬浮力估算模块(34)、力/磁链转换模块(41)和空间矢量脉宽调制模块(42) 组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制器(40)，首先采用悬浮力绕组磁链 观测器(30)来获取悬浮力绕组磁链信息，然后由悬浮力估算模块(34)根据转矩绕组和悬 浮力绕组磁链在线计算出悬浮力；由悬浮力直接控制器(40)直接生成悬浮力绕组控制电 压源逆变器(35)开关信号以驱动逆变器对转子径向悬浮力进行直接控制；3)由直接转矩控制器(20)和悬浮力直接控制器(40)共同构成无轴承同步磁阻电机转 矩和悬浮力直接控制器(50 )，对电机转矩和径向悬浮力进行独立控制。
3.根据权利要求2所述的构造方法，其特征是具体步骤为A、由电流Clark坐标变换(11)、转矩绕组电压计算模块(12)、转矩绕组磁链观测模型 (13)和转矩观测模型(14)构造转矩绕组磁链和转矩观测器(10)，转矩绕组磁链和转矩观 测器(10)的输入为电机转矩绕组定子相电流ila、i1A、电压源逆变器(15)的直流电压Vdc及 其开关状态，输出是用于参考磁链生成模块(21)的转矩绕组定子磁链幅值Α和相位7、用 于转子径向悬浮力估算的转矩绕组气隙磁链幅值J^1和相位 、用于转矩闭环控制反馈量的 转矩实时值Te ；B、由两个PI控制器(24、25)、转矩绕组磁链和转矩观测器(10)、参考磁链生成模块(21)和空间矢量脉宽调制模块(22)构造直接转矩控制器(20)，转矩绕组磁链和转矩观测 器(10)在线计算出转矩绕组定子磁链幅值^和相位7及电机转矩Te,先将转速指令值Z 和实时转速『的比较差值输入一 PI控制器(24)调节后生成转矩指令值71/，将转矩指令值 T与转矩实时值Te的比较差值输入另一 PI控制器(25)调节后生成转矩绕组定子磁链相位角增量Di/，再将Di/与转矩绕组定子磁链幅值指令值及实时磁链幅值和相位d输入 参考磁链生成模块(21)生成电压指令值V3和^，再输入空间矢量脉宽调制模块(22)调制 后输入电压源逆变器(15)生成开关信息以驱动逆变器实现无轴承同步磁阻电机直接转矩 控制；C、由电流Clark坐标变换(31)、悬浮力绕组电压计算模块(32)和悬浮力绕组磁链观测 模型(33)构造悬浮力绕组磁链观测器(30)，悬浮力绕组磁链观测器(30)的输入为电机悬 浮力绕组定子相电流i23、ia，电压源逆变器(35)直流电压仏。和其开关状态，输出为悬浮力 绕组磁链幅值A2及相位1，磁链幅值及相位1与转矩绕组气隙磁链幅值Tffil和相位 输 入根据无轴承电机转子径向悬浮力公式构造悬浮力估算模型(34)；D、由两个PID控制器(43、44)、转矩绕组磁链和转矩观测器(10)、悬浮力绕组磁链观测 器(40)、悬浮力估算模块(34)、力/磁链转换模块(41)和空间矢量脉宽调制模块(42)构造 悬浮力直接控制器(40 )，悬浮力估算模型(34 )计算出悬浮力静止坐标分量Fa和Fb。
4.，转子位置指令值Z和/分别与传感器获得的位移值的比较差值分别输入两 PID控制器(43、44)调制后生成悬浮力指令值/T和F:,然后F:和F:分别与兄和Fb的比 较差值输入力/磁链转换模块(41)生成悬浮力绕组磁链增量，再经空间矢量脉宽调制模块 (42)调制后得到电压源逆变器(35)开关信息，将电压源逆变器(35)与空间矢量脉宽调制 模块(42)分别连接无轴承同步磁阻电机，驱动逆变器实现无轴承同步磁阻电机悬浮力直接 控制。
全文摘要
本发明公开一种无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法，由两个PI控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、参考磁链生成模块和空间矢量脉宽调制模块组成带有转速和转矩双闭环的直接转矩控制器，由两个PID控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、悬浮力绕组磁链观测器、悬浮力估算模块、力/磁链转换模块和空间矢量脉宽调制模块组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制器，由直接转矩控制器和悬浮力直接控制器共同构成无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器，对电机转矩和径向悬浮力进行独立控制，确保电机转子稳定悬浮和运行，获得优良的电机运行性能。
文档编号H02P27/08GK102082544SQ20101055964
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者吴熙, 张婷婷, 朱熀秋, 朱睿智, 胡维超, 陆静 申请人:江苏大学