专利名称：轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力传动控制设备技术领域中的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，适用于高速和超高速主轴电机、航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊电力传动领域，特别是需要无机械接触、无摩擦与磨损、无需润滑与密封的真空技术、超洁净领域等场合。
背景技术：
高速电机的无轴承技术将电机转矩输出和转子电磁悬浮支撑功能集成于一体，不但继承了磁轴承支撑电机的无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声、高速度、高精度、长寿命等优良特性，而且具有体积小、轴向空间利用率高、电能消耗小等优点，适用于各种高速领域。轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机是在两自由度无轴承交替极永磁电机基础上增加了一套轴向悬浮力控制绕组，同时以电机转子本体作为轴向与径向悬浮磁链的闭合通路，以电机转子自身的永磁体磁场作为径向、轴向悬浮共同的偏置磁场，省去了原永磁偏置轴向磁轴承中必需的磁轴承转子和偏置永磁体环，结构更加紧凑。在解决传统无轴承永磁同步电机存在的控磁能力差，可控悬浮力小，永磁体易退磁及悬浮力与转矩控制相互耦合等问题的同时，集多自由度悬浮功能与电机旋转功能于一体，简化了电机系统的机械结构，降低了整个系统体积与成本。但是，由于轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机比传统的两自由度无轴承交替极永磁电机多了一套轴向悬浮控制绕组，电机气隙内共有永磁体磁场、电磁转矩绕组磁场、径向悬浮力绕组磁场以及轴向悬浮力绕组磁场四个磁场相互叠加，使得这种新型电机的气隙磁场更加复杂，在对其进行控制时，需要同时控制三套绕组，同时又要保证足够的控制精度，因此在控制上要求比较高。此外，还要解决三个自由度之间的耦合问题，因此针对这种新型的无轴承电机，需要寻求一种性能更为优越的控制系统。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，实现轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的电磁转矩、径向悬浮力、轴向悬浮力的控制，获得良好的悬浮调节特性以及转矩、速度调节等各项控制性能指标。实现上述目的的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统主要包括一套电磁转矩控制系统，用于控制电机输出转矩，实现调速等功能；一套径向悬浮力控制系统，用于控制电机的径向悬浮；一套轴向悬浮力控制系统，用于控制电机的轴向悬浮。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案
一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，包括受控的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，其特征在于由一个径向悬浮力控制子系统、一个轴向悬浮力控制子系统和一个电磁转矩控制子系统连接所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机构成，其中所述径向悬浮力控制子系统包括一个第一 DSP控制器、一个第一光耦隔离、一个第一 IPM智能功率模块、一个第一位移传感器和一个第一电流传感器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机经第一位移传感器和第一电流传感器连接第一 DSP控制器，第一 DSP控制器经第一光耦隔离和第一 IPM智能功率模块连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机；所述位移传感器检测出转子径向位移偏移量经位置负反馈，采用第一 DSP控制器运算和处理，控制第一 IPM智能功率模块输出对应的悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布，从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力。所述轴向悬浮力控制子系统包括一个开关功放、一个第二位移传感器、一个第三电流传感器和一个第三DSP控制器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机和第三DSP控制器分别连接开关功放、第二位移传感器和第三电流传感器；所述第二位移传感器检测出转子轴向位移偏移量经位置负反馈，采用第三DSP控制器运算和处理得到所需的控制信号，通过开关功放将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布，从而产生一个轴向的磁拉力。所述电磁转矩控制子系统包括一个光电编码器，一个第二电流传感器，一个第二 IPM智能功率模块、一个第二光耦隔离和一个第二 DSP控制器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机经光电编码器和第二电流传感器连接第二 DSP控制器，第二 DSP 控制器经第二光耦隔离和第二 IPM智能功率模块连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机；所述光电编码器检测出电机转速信号经速度负反馈，采用第二 DSP控制器运算和处理，控制第二 IPM智能功率模块输出对应的转矩控制电流，从而控制电机的输出转矩。本发明的工作原理是对于电磁转矩的控制，通过光电编码器检测出转子的速度， 经速度负反馈与速度给定值比较作为速度调节器的输入，速度调节器输出通过逆变器控制三相转矩电流，从而产生所需的电磁转矩。对于径向方向的两自由度悬浮，通过径向位移传感器检测出转子径向位移偏移量，经位置负反馈与径向位置给定值比较作为位置调节器的输入，位置调节器输出通过逆变器调节径向悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布， 从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力，实现电机径向的两自由度悬浮。对于轴向方向的悬浮，通过轴向位移传感器检测出转子轴向位移偏移量，经位置负反馈与轴向位置给定值比较后输入控制器，控制器将位移信号变换成控制信号，然后通过功率放大器将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布，产生一个轴向的磁拉力，从而实现电机轴向的悬浮。本发明的优点在于
I.将电磁转矩、径向悬浮力和轴向悬浮力三套控制系统集成到一套控制系统中，提高了系统集成度，有利于开发小体积、高集成的控制系统。2.径向悬浮采用的交替极无轴承永磁电机控磁容易，无普通无轴承永磁电机转矩与悬浮力折中的矛盾，悬浮电流小，因此，控制系统结构简单，功耗降低，成本下降。3.轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机具备固有的径向悬浮与轴向悬浮解耦、悬浮控制与转矩控制解耦特性，悬浮控制模型简单，大大降低了控制系统的复杂程度。4.电磁转矩控制和径向悬浮力控制采用三相功率逆变电路，轴向悬浮力控制采用开关功率放大器，使得轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制方法简单，结构紧凑，功耗降低，成本下降，摆脱了传统磁轴承支承的电机控制系统复杂，功率放大器体积大、成本闻等缺陷。5.轴向悬浮采用永磁偏置，减小了开关功率放大器的体积和功耗，降低了制造成本。本发明构造的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，实现了电机转矩控制与转子轴向、径向悬浮力控制于一体，结构简单，集成度高，功耗小，成本低， 在高速电机的无轴承技术领域中具有广阔的应用前景和应用价值。
图I是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统的工作原理图。图2是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统结构框图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合
如下
实施例一
参见图1，本轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，包括受控的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)，其特征在于由一个径向悬浮力控制子系统(35)、一个轴向悬浮力控制子系统(37)和一个电磁转矩控制子系统(36)连接所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)构成，其中所述径向悬浮力控制子系统(35)包括一个第一 DSP控制器(20)、一个第一光耦隔离(21)、一个第一 IPM智能功率模块(22)、一个第一位移传感器(23)和一个第一电流传感器(24),所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25 )经第一位移传感器(23 )和第一电流传感器(24 )连接第一 DSP控制器(20)，第一 DSP控制器(20)经第一光耦隔离(21)和第一 IPM智能功率模块(22) 连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25);所述位移传感器(23)检测出转子径向位移偏移量经位置负反馈，采用第一 DSP控制器(20)运算和处理，控制第一 IPM智能功率模块(22 )输出对应的悬浮控制电流,改变电机旋转磁场的对称分布,从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述轴向悬浮力控制子系统(37 )包括一个开关功放(32 )、一个第二位移传感器(33 )、 一个第三电流传感器(34)和一个第三DSP控制器(31)，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)和第三DSP控制器(31)分别连接开关功放(32)、第二位移传感器
(33)和第三电流传感器(34);所述第二位移传感器(33)检测出转子轴向位移偏移量经位置负反馈，采用第三DSP控制器(31)运算和处理得到所需的控制信号，通过开关功放(32)将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布，从而产生一个轴向的磁拉力。所述电磁转矩控制子系统(36 )包括一个光电编码器(29 ), —个第二电流传感器(30 )，一个第二 IPM智能功率模块(28 )、一个第二光耦隔离(27 )和一个第二 DSP控制器(26)，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)经光电编码器(29) 和第二电流传感器(30)连接第二 DSP控制器(26)，第二 DSP控制器(26)经第二光耦隔离
(27)和第二 IPM智能功率模块(28)连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机 (25);所述光电编码器(29)检测出电机转速信号经速度负反馈，采用第二 DSP控制器(26) 运算和处理，控制第二 IPM智能功率模块(28)输出对应的转矩控制电流，从而控制电机的输出转矩。本实施例的工作方式是基于轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机, 分别构建径向悬浮力控制、轴向悬浮力控制和电磁转矩控制三套子系统，并将三套子系统结合到一套控制系统中。具体工作方式如下
I.对于电磁转矩控制子系统(36)，构建由速度PI调节器、2/3旋转变换环节、CRPWM电流跟随型逆变器、光电编码器以及积分器组成的转矩控制系统，采用id=0的矢量控制方式。 具体控制流程如下在第二 DSP控制器(26)中将光电编码器(29)检测到的转子速度ω与速度给定值ω*进行比较，得到的速度偏差经过速度PI调节器(12)运算和处理，输出转矩电流分量参考值i1(；，电流参考值ild*和i1(；经过2/3旋转变换(13)(其中旋转变换所需的转子位置角Θ由转速ω经积分器(15)积分得到)得到三相电流给定值i1A'i1B'ilc%通过 CRPWM电流跟随型逆变器(14)将三相电流参考值放大到所需的三相转矩控制电流i1A、i1B、 ilc通入电机转矩绕组，从而实现电机的转矩控制。硬件实现采用第二 DSP控制器(26)作为主控芯片，将光电编码器(29 )采集的转速信号和电流传感器(30 )采集的电流信号送入第二 DSP控制器(26)进行运算和处理，输出的六路PWM信号经第二光耦隔离(27)隔离后送入第二 IPM智能功率模块(28)产生三相转矩控制电流。2.对于径向悬浮力控制子系统(35)，构建由两个位移PID调节器、2/3变换环节、 CRPWM电流跟随型逆变器以及两个位移传感器组成的径向悬浮力控制系统，径向悬浮力数学模型为
权利要求
1.一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，包括受控的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)，其特征在于由一个径向悬浮力控制子系统(35)、一个轴向悬浮力控制子系统(37)和一个电磁转矩控制子系统(36)连接所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)构成，其中所述径向悬浮力控制子系统 (35)包括一个第一 DSP控制器(20)、一个第一光耦隔离(21)、一个第一 IPM智能功率模块 (22)、一个第一位移传感器(23)和一个第一电流传感器(24),所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)经第一位移传感器(23)和第一电流传感器(24)连接第一 DSP控制器(20)，第一 DSP控制器(20)经第一光耦隔离(21)和第一 IPM智能功率模块(22) 连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25);所述位移传感器(23)检测出转子径向位移偏移量经位置负反馈，采用第一 DSP控制器(20)运算和处理，控制第一 IPM智能功率模块(22)输出对应的悬浮控制电流,改变电机旋转磁场的对称分布,从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力。
2.根据权利要求I所述的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统， 其特征在于所述轴向悬浮力控制子系统(37)包括一个开关功放(32)、一个第二位移传感器(33)、一个第三电流传感器(34)和一个第三DSP控制器(31)，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)和第三DSP控制器(31)分别连接开关功放(32)、第二位移传感器(33)和第三电流传感器(34);所述第二位移传感器(33)检测出转子轴向位移偏移量经位置负反馈，采用第三DSP控制器(31)运算和处理得到所需的控制信号，通过开关功放(32)将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布， 从而产生一个轴向的磁拉力。
3. 根据权利要求I所述的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统， 其特征在于所述电磁转矩控制子系统(36)包括一个光电编码器(29),—个第二电流传感器(30)，一个第二 IPM智能功率模块(28)、一个第二光耦隔离(27)和一个第二 DSP控制器 (26)，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25)经光电编码器(29)和第二电流传感器(30)连接第二 DSP控制器(26)，第二 DSP控制器(26)经第二光耦隔离(27) 和第二 IPM智能功率模块(28)连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(25); 所述光电编码器(29)检测出电机转速信号经速度负反馈，采用第二 DSP控制器(26)运算和处理，控制第二 IPM智能功率模块(28)输出对应的转矩控制电流，从而控制电机的输出转矩。
全文摘要
本发明涉及一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统。本发明针对轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，提出了由径向悬浮力控制、轴向悬浮力控制和电磁转矩控制三套控制子系统构成的控制方案，可以实现轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的电磁转矩、径向悬浮力、轴向悬浮力的控制。该新型电机及其控制方法可以用于高速和超高速主轴电机、航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊电力传动领域，特别是需要无机械接触、无摩擦与磨损、无需润滑与密封的真空技术、超洁净领域等场合。
文档编号H02P21/00GK102594247SQ20121005731
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者仇志坚, 戚振亚, 许伟跃 申请人:上海大学