无轴承异步电机转子径向位移直接控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种无轴承异步电机转子径向位移直接控制器，由转速控制器、径向位移闭环控制器和转矩绕组气隙磁链估算模块组成；转速控制器输出三相电流给电机转矩绕组；径向位移闭环控制器由转子偏心位移和偏心角度计算模块、神经元PID控制器、悬浮力绕组电流计算模块、三相功率PWM逆变器、径向位移传感器和光电编码器组成；悬浮力绕组电流计算模块以径向悬浮力幅值、转子偏心角度、转矩绕组气隙磁链幅值、相位、转子位置角五个变量为输入，以三相悬浮力绕组电流命令值、、为输出，经三相功率PWM逆变器得到转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流、、；本发明结构简单可行，实现无轴承异步电机电磁转矩和径向悬浮力之间的独立控制。
【专利说明】无轴承异步电机转子径向位移直接控制器
【技术领域】
[0001]本发明是一种直接对无轴承异步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方案，适用于大功率、超高速、高电磁效率和高空间利用率等众多使用无轴承异步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】
[0002]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悬浮力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:矢量控制方法需要繁琐的坐标变换，增加了控制系统软件的复杂程度，占用了过多的系统时钟周期；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，不但增加了系统硬件设计成本，而且径向悬浮力辨识精度也决定了系统的整体控制性能，且只能应用于特定类型的电机，很难得到广泛应用。
[0003]无轴承异步电机是一种新型的无轴承电机，在电磁效率、空间利用率等方面均明显优越于传统的磁轴承电机，在大功率、超高速电机领域具有很好的发展前景。然而，无轴承异步电机电磁转矩与径向悬浮力之间存在着严重耦合，使得无轴承异步电机控制系统设计要复杂。为了实现这种电机转子的稳定悬浮与高速旋转，使这种电机能够在生产中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电机转子径向稳定悬浮且简单可行的悬浮控制器。
【发明内容】
[0004]为了实现无轴承异步电机的广泛应用、简单可行、稳定悬浮的目的，本发明提出一种无轴承异步电机转子径向位移直接控制器，对转子径向位移进行直接控制，且实现了电机转矩和径向悬浮力的独立控制，使电机转子能够高速旋转且稳定悬浮。
[0005]本发明采用的技术方案是:本发明所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器由转速控制器、径向位移闭环控制器和转矩绕组气隙磁链估算模块组成；所述转速控制器
输出三相电流L给无轴承异步电机转矩绕组；所述径向位移闭环控制器由转子偏心位移和偏心角度计算模块、神经元PID控制器、悬浮力绕组电流计算模块、三相功率PWM逆变器、径向位移传感器和光电编码器组成；所述转子偏心位移和偏心角度计算模块、神经元PID控制器、悬浮力绕组电流计算模块、三相功率PWM逆变器和无轴承异步电机依次串接；所述光电编码器检测无轴承异步电机的转子位置角F，所述径向位移传感器检测其转子实际位移反馈值X、Y，转子实际位移X、Y与转子位移给定值X*、Y* —并输入转子偏心位
移和偏心角度计算模块，转子偏心位移和偏心角度计算模块计算得出转子偏心位移M和转子偏心角度《，所述转子偏心位移H输入到神经元PID控制器得到转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值I，所述转子偏心角度*直接输入悬浮力绕组电流计算模块；所述转矩绕组气隙磁链估算模块由U-1模型磁链观测器串接极坐标变换共同组成，转矩绕组气隙磁链估算模块以转矩绕组三相相电压和相电流Lkb为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位力输出；所述悬浮力绕组电流计算模块以径向悬浮力幅值JL转子偏心角度《、转矩绕组气隙磁链幅值P1、相位/?、转子位置角r这五个变量为输入，以三相悬浮力绕组电流命令值^ a为输出，经三相功率PWM逆变器得到转子稳定悬浮所
需的三相悬浮力绕组电流bbk。
[0006]本发明的优点在于:
1.本发明所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器将径向位移传感器检测的转子实际位移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悬浮力绕组电流值，使转子稳定悬浮，与矢量控制方法相比，省去了中间复杂的坐标矢量变换，降低了控制系统的复杂程度及控制算法耗用的系统时钟周期，控制系统响应更快。
[0007]2.本发明所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器对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系统性能的问题。
[0008]3.本发明所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器中转矩绕组气隙磁链采用U-1 (电压-电流)模型磁链观测器进行估算，这种磁链观测器算法简单可行，易于悬浮力绕组电流计算模块的实现，降低了径向位移闭环控制器的软件和硬件的设计复杂度，减少了控制系统占用的系统时钟周期。
[0009]4.本发明所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器的结构简单可行，实现了无轴承异步电机电磁转矩和径向悬浮力之间的独立控制，有效提高了整个系统的控制性倉泛。.
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器结构原理图；
图2是图1中转速控制器I的结构原理图；
图3是图1中径向位移闭环控制器2的结构原理图；
图4是图1中转矩绕组气隙磁链模块60的结构原理图；
图5是图4中U-1模型磁链观测器的构造原理图；
图6是无轴承异步电机转子偏心示意图；
图7是图3中悬浮力绕组电流计算模块53的内部原理图；
图8是本发明所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器的总体实现原理图。
[0011]图中:1.转速控制器；2.径向位移闭环控制器；3.无轴承异步电机；51.转子偏心位移和偏心角度计算模块；52.神经元PID控制器；53.悬浮力绕组电流计算模块；54.三相功率PWM逆变器；55.径向位移传感器；56.光电编码器；60.转矩绕组气隙磁链估算模块；61.U-1模型磁链观测器；62、63.Clark变换；64.极坐标变换；70.通用变频器。【具体实施方式】
[0012]如图1，本发明无轴承异步电机转子径向位移直接控制器由转速控制器1、径向位移闭环控制器2和转矩绕组气隙磁链估算模块60组成。如图2，转速控制器I直接采用通
用变频器70实现，通用变频器70直接生成三相电流{ L , b , }，驱动无轴承异步电机
3的转矩绕组，确保电机转速具有优良的响应性能指标，实现电磁转矩的稳定控制。
[0013]转速控制器I输出的三相电流}给无轴承异步电机3转矩绕组，转
矩绕组气隙磁链估算模块60以转矩绕组三相相电压！《U、*%*、％； ?和三相相电流{ y，b, k }为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值F1及相位/*为输出，以！ F1, /? }和转子位移给定值(X*，Y*)作为径向位移闭环控制器2的输入，得到三相悬浮力绕组驱动电流{ b , k
^hc } ο
[0014]如图3，径向位移闭环控制器2由转子偏心位移和偏心角度计算模块51、神经元PID控制器52、悬浮力绕组电流计算模块53、三相功率PWM逆变器54 (CRPWM逆变器54)、径向位移传感器55和光电编 码器56组成。其中，转子偏心位移和偏心角度计算模块51、神经元PID控制器52、悬浮力绕组电流计算模块53、三相功率PWM逆变器54和无轴承异步电机3依次串接，无轴承异步电机3通过径向位移传感器55检测其转子实际位移反馈值(X、Y)，转子实际位移(X、Y)与转子位移给定值(X*、Y*) —并输入到转子偏心位移和偏心角度计算模块51，经转子偏心位移和偏心角度计算模块51计算，得出转子偏心位移M和偏心
角度转子位移给定值均设定为O。转子偏心位移M输入到神经元PID控制器52，得到转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值&。神经元PID控制器52采用神经元与传统线性理论中的PID相结合的方法来设计，以转子偏心位移M作为神经元PID控制器52输入，以无轴承异步电机3的转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值&为输出。通过调整神经元PID控制器52参数，实现无轴承异步电机转子位移的直接控制。径向悬浮力幅值JL输入到悬浮力绕组电流计算模块53，转子偏心角度《直接输入到悬浮力绕组电流计算模块53。无轴承异步电机3通过光电编码器56检测其转子位置角r，光电编码器56将检测的转子位置角;T输入到悬浮力绕组电流计算模块53。这样，悬浮力绕组电流计算模块53就以{ ^ , P1, /*
，r I五个变量作为输入，以三相悬浮力绕组电流命令值I为输出。以三相悬浮力绕组电流命令值{ ?’4 }作为三相功率PWM逆变器54的输入，经三相功率PWM
逆变器54得到无轴承异步电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流{ ^ ,}。
[0015]如图4，转矩绕组气隙磁链估算模块60由U-1模型磁链观测器61 (电压-电流模型磁链观测器61)串接极坐标变换64共同组成。U-1模型磁链观测器61采用电压-电流
模型磁链观测方法，其内部原理如图5所示，以三相转矩绕组相电压{ Hu、Iti3、Hic j++和相电流{ Iu ? I13 Iic }作为输入，分别经过Clark变换62和Clark变换63得到两相.静止坐标系下分量(I，和(&，&)，由关系式:
【权利要求】
1.一种无轴承异步电机转子径向位移直接控制器，其特征是:由转速控制器(I)、径向位移闭环控制器(2)和转矩绕组气隙磁链估算模块(60)组成；所述转速控制器(I)输出三相电流、4给电机转矩绕组；所述径向位移闭环控制器(2)由转子偏心位移和偏心角度计算模块(51)、神经元PID控制器(52)、悬浮力绕组电流计算模块(53)、三相功率PWM逆变器(54)、径向位移传感器(55)和光电编码器(56)组成；所述转子偏心位移和偏心角度计算模块(51)、神经元PID控制器(52 )、悬浮力绕组电流计算模块(53 )、三相功率PWM逆变器(54)依次串接；所述光电编码器(56)检测无轴承异步电机的转子位置角Γ，所述径向位移传感器(55)检测转子实际位移反馈值X、Y，转子实际位移X、Y与转子位移给定值X*、Y* —并输入转子偏心位移和偏心角度计算模块(51)，转子偏心位移和偏心角度计算模块(51)计算得出转子偏心位移M和转子偏心角度《，转子偏心位移M输入到神经元PID控制器(52)得到转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值^ ,所述转子偏心角度《直接输入悬浮力绕组电流计算模块(53);所述转矩绕组气隙磁链估算模块(60)由U-1模型磁链观测器(61)串接极坐标变换(64)共同组成，转矩绕组气隙磁链估算模块(60)以转矩绕组三相相电压 和相电流L * I3.&为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值Λ及相位#为输出；所述悬浮力绕组电流计算模块(53)以径向悬浮力幅值弋、转子偏心角度《、转矩绕组气隙磁链幅值1?、相位/*、转子位置角7五个变量为输入，以三相悬浮力绕组电流命令值C1、44为输出，经三相功率PWM逆变器(54)得到转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流、^2B、。
2.根据权利要求1所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器，其特征是:所述U-1模型磁链观测器(61)以三相转矩绕组相电压 和相电流1.113.Zic作为输入，分别经过两个Clark变换得到两相静止坐标系下分量 由关系
3.根据权利要求1所述无轴承异步电机转子径向位移直接控制器，其特征是:转子位移给定值X*、Y*均设定为O，转子偏心位移和偏心角度计算模块(51)由关系式
【文档编号】H02P23/12GK103427754SQ201310335273
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年8月5日 优先权日:2013年8月5日
【发明者】朱熀秋, 祝苏明, 潘伟, 朱利东, 刁小燕 申请人:江苏大学