专利名称：无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法及控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力传动控制技术领域，特别是一种正弦波表面式无轴承永磁同步电机的悬浮力前馈补偿解耦方法及控制装置，适用于表面式无轴承永磁同步电机高性能悬浮运行与变频调速控制。
背景技术：
无轴承永磁同步电机是利用磁轴承与普通永磁同步电机在结构上的相似性，将用于产生径向悬浮力的悬浮绕组和普通永磁同步电机固有的转矩绕组一起叠放在定子中，从而实现转子的稳定悬浮和电磁转矩输出。由于省略了机械轴承对转子的支承，具有一系列突出的高品质超高速、无磨损、无润滑、大功率等。相比感应型和磁阻型(同步磁阻型和开关磁阻型)等其他无轴承电机，无轴承永磁同步电机具有控制简单、体积小、功率密度大等优点。无轴承永磁同步电机是一个复杂的多变量、强耦合、非线性系统，电机负载条件下其径向悬浮力和电磁转矩之间以及两个径向悬浮力分量之间存有交叉耦合关系，严重时会导致转子悬浮失败，因此无轴承电机永磁同步电机的解耦控制是实现其稳定悬浮和调速运行的关键环节。经对现有专利和文献的检索发现，费德成等人提出了 “基于逆系统理论的无轴承永磁同步电机解耦控制研究”(中国工程科学，2005年第7卷第11期，第48页 M页)、孙玉坤等人提出了“基于α阶逆系统五自由度无轴承永磁电机解耦控制”(中国电机工程学报，2006年第沈卷第1期，第120页 1 页)，上述解耦控制采用完全依赖于被控电机精确模型的解析逆系统方法，该方法对电机参数变化和负载扰动的鲁棒性较差；孙晓东等人申请了 “神经网络广义逆无轴承永磁同步电机解耦控制器构造方法”的国家发明专利(专利号200710190554. 2)、朱煶秋等人申请了 “基于神经网络逆五自由度无轴承永磁同步电机控制系统及控制方法”(专利号200510040065. X)，上述解耦方法是在逆系统基础上融入了复杂的神经网络算法，该方法导致控制算法更加复杂，工程实现难度加大，动态响应变慢；黄守道等人在“永磁型无轴承电机解耦控制策略”论文中(控制工程，2010年第17卷第 5期，第603页 606页)，提出了一种基于转矩绕组气隙磁场定向的解耦控制算法，该方法中转矩绕组气隙磁链幅值和相位的检测值与实际值之间误差较大，导致解耦效果不佳。为了从本质上提高无轴承永磁同步电机对负载扰动的适应性，实现不同工况下的高性能动态解耦控制，必需采用一些新的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法，以实现具有优越动、静态调节性能的无轴承永磁同步电机多变量解耦；本发明的另一个目的还在于提供一种基于上述方法对无轴承永磁同步电机悬浮力进行前馈补偿解耦的控制装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为一种无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法，其包括以下步骤1)构造扩展的电流滞环PWM逆变器，其以被控电机转矩绕组定子电流的两个分量 ^和^、以及转速检测值ω作为输入信号，其输出三相实际电流iA1、iB1、icl连接被控电机转矩绕组，用于调节转速；2)构造扩展的耦合悬浮力模型其中包括构造扩展的坐标变换、耦合悬浮力模型和悬浮运动模型；扩展的坐标变换包括积分运算、反正切运算、Cark变换和Park变换，将该扩展的坐标变换与耦合悬浮力模型、悬浮运动模型依次连接组成扩展的耦合悬浮力模型；3)构造扩展的前馈补偿解耦控制器，其中包括构造前馈补偿解耦控制器和广义坐标变换；该广义坐标变换包括反正切运算、积分运算、Park逆变换和Cark逆变换，该扩展的前馈补偿解耦控制器以两个悬浮力分量参考值Glni^、转矩电流分量i,、永磁体等效励磁电流if和转速ω为其输入信号，其输出悬浮绕组三相电流参考值/〗2、ζ2、^2，经一个电流滞环PWM逆变器后输出实际三相电流iA2、iB2、iC2,作为步骤2)中扩展的耦合悬浮力模型的输入信号，扩展的耦合悬浮力模型输出两轴方向上的转子径向位移x、y;4)对两个已解耦的悬浮力子系统和转速子系统分别设计闭环调节器。优选的，本发明步骤1)中扩展的电流滞环PWM逆变器包括坐标变换、积分运算和电流滞环PWM逆变器；被控电机转矩绕组定子电流的两个分量经坐标变换后输出转矩绕组三相参考电流，将三相参考电流与检测得到的三相实际电流的偏差送至电流滞环PWM逆变器的输入端；最后输出三相实际电流向被控电机转矩绕组供电。具体的，坐标变换部分由一个Park逆变换和一个Clark逆变换连接组成，Park逆变换的输出端连接Clark逆变换的输入端，转速检测值ω经积分运算后获得转子角θ分别作为上述Park逆变换和Clark逆变换的另外一个输入信号；优选的，本发明步骤2、中，构造扩展的耦合悬浮力模型方法包括以下步骤2. 1)建立电机的耦合悬浮力模型，在同步旋转d、q坐标系下，由于电机转矩绕组采用励磁电流分量id = 0的转子磁场定向控制，故转子所受两垂直方向上的径向悬浮力分量FX、FV为
权利要求
1.一种无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法，其特征是，包括以下步骤1)构造扩展的电流滞环PWM逆变器，其以被控电机转矩绕组定子电流的两个分量^和 ^、转速检测值ω作为输入信号，输出三相实际电流iA1、iB1、icl至被控电机转矩绕组，用于调节转速；2)构造扩展的耦合悬浮力模型其中包括构造扩展的坐标变换、耦合悬浮力模型和悬浮运动模型；扩展的坐标变换包括积分运算、反正切运算、Cark变换和Park变换，将该扩展的坐标变换与耦合悬浮力模型、悬浮运动模型依次连接组成扩展的耦合悬浮力模型；3)构造扩展的前馈补偿解耦控制器，其中包括构造前馈补偿解耦控制器和广义坐标变换；该广义坐标变换包括反正切运算、积分运算、Park逆变换和Cark逆变换，该扩展的前馈补偿解耦控制器以两个悬浮力分量参考值^和巧丨、转矩电流分量i,、永磁体等效励磁电流 if和转速ω为其输入信号，其输出悬浮绕组三相电流参考值/〗2、ζ2、^2，经一个电流滞环 PWM逆变器后输出实际三相电流iA2、iB2、iC2，作为步骤2)中扩展的耦合悬浮力模型的输入信号，扩展的耦合悬浮力模型输出两轴方向上的转子径向位移x、y;4)对两个已解耦的悬浮力子系统和转速子系统分别设计闭环调节器。
2.根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法，其特征是， 步骤1)中扩展的电流滞环PWM逆变器包括坐标变换、积分运算和电流滞环PWM逆变器；被控电机转矩绕组定子电流输入至坐标变换部分中，其中坐标变换所需转子角θ由转速检测值ω经积分运算后获得，坐标变换部分的输出端连接电流滞环PWM逆变器的输入端；最后由电流滞环PWM逆变器输出三相电流向被控电机转矩绕组供电。
3.根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法，其特征是， 步骤2、中，构造扩展的耦合悬浮力模型方法包括以下步骤·2. 1)建立电机的耦合悬浮力模型，在同步旋转d、q坐标系下，由于电机转矩绕组采用励磁电流分量id = 0的转子磁场定向控制，故转子所受两垂直方向上的径向悬浮力分量Fx、 Fi为式中“为电机永磁体的等效励磁电流常数，i,为等效转矩电流分量；ix、iy分别为悬浮 π/zW N u绕组等效两相电流 ’K = ~f^1，其中^ = 4 π X 10_7H/m，1为电机有效铁心长度，r为转子外径，N2, N4分别为悬浮绕组和转矩绕组每相串联有效匝数，δ ^为气隙长度，在本发明例中经估算K = 272Ν/Α ； 上述式(1)可变换为\Fx=K(ifix+iqiy)(2)[Fy =K(iqix-ifiy)·2. 2)构造悬浮运动模型，该悬浮运动模型的构造包括·2. 2. 1)构造单边磁拉力模型当电机转子偏离中心位置时，转子上会产生同径向位移 x、y成正比的单边磁拉力Fxs、Fre，其大小为
4.根据权利要求3所述的无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法，其特征是， 步骤幻中扩展的前馈补偿解耦控制器的构造方法包括以下步骤·3.1)构造悬浮力前馈补偿解耦控制器假定悬浮力的参考值为、巧‘，依据式(D可求得同步旋转坐标下悬浮绕组两相参考电流G、ζ为:
5.根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法，其特征是， 步骤4)中所述闭环调节器包括两个悬浮力调节器以及一个转速调节器；两个悬浮力调节器选用常规PID调节器；转速调节器选用PI调节器；PID和PI调节器的参数根据实际控制对象和控制要求进行修正。
6.一种应用权利要求1至5任一项所述的无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法的控制装置，其特征是，包括信号处理器、第一电流滞环PWM逆变器、第二电流滞环PWM 逆变器、光电解码器、位移传感器和电流传感器；信号处理器中包括闭环调节器、前馈补偿解耦控制器、坐标变换、积分运算、反正切运算以及电流滞环控制部分；第一电流滞环PWM 逆变器的输入端连接信号处理器，输出端用于连接电机转矩绕组；第二电流滞环PWM逆变器的输入端连接信号处理器，输出端用于连接电机悬浮绕组；位移传感器检测电机悬浮绕组的两个转子径向位移，并将检测值输出至信号处理器中；电流传感器包括第一电流传感器和第二电流传感器第一电流传感器检测电机转矩绕组的三相电流，并将检测值输出至 DSP微处理中；第二电流传感器检测电机悬浮绕组的三相电流，并将检测值输出至信号处理器中；光电解码器检测电机转矩绕组的转速，并将检测值传输至信号处理器中。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征是，还包括Park逆变换、Clark逆变换和积分运算，前两者与第一电流滞环PWM逆变器依次连接，与积分运算共同组成扩展的电流滞环PWM逆变器。
8.根据权利要求6或7所述的控制装置，其特征是，所述信号处理器为数字信号微处理器DSP ；光电编码器检测转子转速送入DSP中的正交编码脉冲接口 QEP，获取转子机械位置角，实现坐标变换；位移传感器和电流传感器将检测到的位移和电流分别送入DSP中的模 /数转换ADC单元，在DSP中由软件实现前馈补偿解耦和闭环调节器控制；DSP中的两个事件管理器EVA和EVB单元发出PWM波形，分别被送入电流滞环PWM逆变器，由该逆变器向被控电机悬浮绕组和转矩绕组提供所需的三相电流；如有故障发生，DSP故障中断输入引脚 PDPINTA和PDPINTB捕获故障信号，并封锁PWM输出，从而保护逆变器和被控电机。
全文摘要
本发明公开一种无轴承永磁同步电机悬浮力前馈补偿解耦方法及控制装置，在控制时，包括构造用于向电机转矩绕组供电的扩展的电流滞环PWM逆变器；构造扩展的耦合悬浮力模型；构造扩展的前馈补偿解耦控制器；该扩展的前馈补偿解耦控制器以两个悬浮力分量、转矩电流分量、永磁体等效励磁电流和转速为其输入，输出悬浮绕组三相电流参考值，经第一电流滞环PWM逆变器后输出实际三相电流，作为扩展的耦合悬浮力模型的输入，扩展的耦合悬浮力模型输出转子位移；最后对两个已解耦的悬浮力子系统和转速子系统设计闭环调节器。利用本发明对无轴承永磁同步电机进行控制，可实现被控电机的稳定悬浮，系统响应快速、算法简单、性能优良。
文档编号H02P21/14GK102299680SQ20111026733
公开日2011年12月28日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者孙刚, 张汉年, 徐开军 申请人:南京信息职业技术学院