单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力传动控制设备技术领域，是一种多变量非线性的单绕组双=相无 轴承电机转矩和悬浮力直接控制器技术，适用于多相无轴承永磁电机的高性能控制。
【背景技术】
[0002] 传统的无轴承永磁电机采用双绕组结构，电机内部嵌有转矩绕组和悬浮力绕组， 需要2套绕组共同实现电机的无轴承运行，不可避免的使得电机内部结构复杂，绕组占用 更多的空间，造成损耗。单绕组无轴承永磁电机继承了传统的双绕组无轴承电机的功率密 度高、无润滑、无磨损、无机械噪声等特点，同时单绕组设计使得结构更为紧凑，电机加工难 度降低，又融合了多相电机转矩波动小、密度高、可低压大功率传动的优势，因此单绕组多 相无轴承电机在机床电主轴、满轮分子累、离屯、机、压缩机、机电胆能、船舶推进、电动汽车、 航空航天等特殊电气传动领域具有广泛的使用前景。
[0003] 单绕组双=相无轴承永磁电机结构与普通的单层分布式绕组结构永磁同步电机 相同，电机内部只有一套绕组嵌入24槽内，但分为两个独立=相绕组单元，相与相之间的 分布空间上相差120°。每组=相绕组单元中的各相绕组依次排列，分布在定子圆周的一 侦U，两组=相绕组单元之间的夹角为180°，在定子机械空间中呈镜像分布。当给该电机加 激励时，同属于一组=相绕组单元中的各相绕组的电流分量相位相差120°，两组=相绕组 单元中的绕组对应相相位相同。当给该电机加悬浮力电流分量时，同属于一组=相绕组单 元中的各相绕组的电流分量相位同样相差120°，但两组=相绕组单元中的绕组对应相相 位相差180°。当2组电流同时通入绕组内经坐标变换可将其映射到两个相互正交的dq平 面上，产生极对数相差为1的旋转磁场，因此可实现旋转和自悬浮，所提出的电机需要两个 =相逆变器为其供电。
[0004] 无轴承永磁电机是一种多变量、非线性、强禪合的被控对象，通过对电机转矩力和 悬浮力进行解禪控制，能够实现电机转子稳定悬浮和运行。对于新型的单绕组多相无轴承 永磁电机，其变量更多，禪合性更强，控制更加复杂。目前，现有多相无轴承永磁电机转矩 和悬浮力解禪控制主要采用矢量控制。其中中国专利公开号为CNI01459408A的文献中 提出的一种多相单套绕组无轴承电机传动系统，其电机采用特定的结构安排，使得绕组同 时含有奇次与偶次谐波，通过控制两种谐波电流产生极对数相差为1的磁场，实现电机的 无轴承运行。但由于转矩与悬浮力采用传统的矢量控制，过多依赖于电机参数W及矢量 坐标变换的复杂性使得实际的控制效果难W达到理论分析的结果；同时悬浮力矢量控制 采用电流跟踪型逆变器，逆变器开关频率高，逆变器容量利用率不高。中国专利公开号为 CN101162882A的文献中提出一种容错功能的单绕组无轴承薄片电机，其采用功率最优的数 学模型和id= 0的转子磁场定向控制方法控制电机绕组的输入电流，能够用一套绕组同时 实现转动和悬浮功能，并设计一种基于H桥功率模块的多相驱动功率系统。但由于功率系 统中开关管过多而引起控制过程相对复杂，同时也存在电流波动较大，功率损耗较大的缺 点。
[0005] 相对于矢量控制，直接转矩控制是在定子坐标系下，借助空间矢量，对普通电机的 数学模型通过采用定子磁场定向分析方法进行直接分析，并且在一定程度上对电机的磁 链、转矩进行计算和控制。在控制结构方面，直接转矩控制方式相对比较简单，对于利用矢 量控制技术进行控制的过程中出现控制性能受参数变化影响的问题，完全可W通过直接转 矩控制方式加W避免。因此，为更好的实现多相无轴承永磁电机的转矩和径向悬浮力的解 禪控制，结合直接转矩控制技术，采用新的控制技术和新的控制方法控制多相无轴承电机， 能够更加充分发挥多相无轴承电机的优良性能。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种既可使单绕组双=相无轴承永磁电机具有优良的动、静 态控制性能、抗电机参数变化及抗负载扰动能力强，又能有效地提高无轴承电机的各项控 制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度及参数鲁棒性的单绕组多相无轴承永磁电机 转矩和悬浮力直接控制器及构造方法。
[0007] 本发明单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器采用的技术方案是：所述转矩 和悬浮力直接控制器由参考值计算部分和观测值计算部分组成，所述观测值计算部分由绕 组磁链观测器、悬浮力观测器、转矩观测器和两个矩阵变换模块组成，第一矩阵变换模块的 输出连接绕组磁链观测器的输入，绕组磁链观测器的输出分别连接悬浮力观测器和转矩观 测器，第二矩阵变换模块的输出分别连接绕组磁链观测器和转矩观测器；悬浮力观测器分 别输出实时悬浮力Fx和Fy，转矩观测器输出转矩Te;
[0008] 所述参考值计算部分由转矩与悬浮力电压参考值发生器、空间矢量脉宽调制模 块、两个PID调节器、两个PI调节器和两个=相逆变器组成，两个PID调节器的输出连接转 矩与悬浮力电压参考值发生器的输入，第一PI调节器串接第二PI调节器，第二PI调节器 的输出连接转矩与悬浮力电压参考值发生器，转矩与悬浮力电压参考值发生器的输出连接 空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块的输出分别连接两个=相逆变器；
[0009] 所述绕组磁链观测器计算出绕组转矩分量磁链幅值4Si和相位0、合成气隙磁链 (6,1和相位丫、绕组悬浮力分量磁链幅值4S2和相位^ ;其中的绕组转矩分量磁链幅值4Sl 和相位0分为两路，分别输入转矩与悬浮力电压参考值发生器和转矩观测器，合成气隙磁 链(6,1和相位丫、绕组悬浮力分量磁链幅值4S2和相位^输入悬浮力观测器。
[0010] 进一步地，电机转子的X轴径向位移值X与转子位移指令值进行比较得到的差 值输入第一PID调节器生成悬浮力指令值F/，悬浮力指令值F/与所述实时悬浮力FX进行 比较得到差值AFy,该差值AFy输入悬浮力电压参考值发生器；电机转子的y轴径向位移 值y与转子位移指令值/行比较得到的差值输入第二PID调节器生成悬浮力指令值F/，悬 浮力指令值F/与所述实时悬浮力Fy进行比较得到差值AFy，该差值AFy输入悬浮力电压 参考值发生器；电机转子的实际转速《与转速指令值《"^进行比较得到差值差值输入第一 PI调节器生成转矩指令值T。％该转矩指令值T/与转矩观测器输出的转矩T。进行比较得到 差值输入到第二PI调节器，得到绕组转矩分量磁链相位角增量A5输入悬浮力电压参考 值发生器；磁链指令值4 输入至悬浮力电压参考值发生器。
[0011] 更进一步地，，转矩与悬浮力电压参考值发生器根据其输入生成两相静止坐标下 的控制转矩的电压指令值Ul/和U1 /、改变气隙平衡磁场的电压指令值U2 /和U2/运些变 量，运些变量输入到空间矢量脉宽调制模块中，得到两个逆变器的开关信号。
[0012] 本发明单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器的构造方法采用的技术方案 是：先依次构造转矩与悬浮力电压参考值发生器和参考值计算部分，再依次构造绕组磁链 观测器、悬浮力观测器、转矩观测器和观测值计算部分，最后形成转矩和悬浮力直接控制 器；
[0013] 所述转矩与悬浮力电压参考值发生器根据电压参考值表达式
[0014] 所述绕组磁链观测器（6)根据表达式
构造，
[0015] 所述悬浮力观测器（7)根据转子径向悬浮力公式L '1 在线计算 出悬浮力静止坐标分量&、巧"
[0016] 所述转矩观测器（8)根据公式计算出转 矩Te;
[0017] 其中，4/是磁链指令值，4 ,1、0分别是绕组转矩分量磁链幅值(6,1和相位，
[0018] 4.2、^分别是绕组悬浮力分量磁链幅值和相位，4gi、丫分别是合成气隙磁链4 和相位丫，P是绕组转矩分量磁链在静止坐标系上的分量，4gla、^glP是合成气 隙磁链在静止坐标系上的分量，1^2。、4S2I*分