一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种三极磁轴承驱动控制技术，具体涉及将矩阵变换器应用于驱动三极磁轴承的控制装置，属于高速电机传动领域。
【背景技术】
[0002]磁轴承是利用磁场力将转子无接触地悬浮在空中，并且悬浮位置可以由控制系统控制。与传统轴承相比，磁轴承具备了无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点，近年来磁悬浮轴承已经在离心分离机、高速精密数控机床、机电电池、汽轮发电机、涡轮分子泵、生命科学等领域得到应用。
[0003]对于三极混合或主动磁轴承，用等效磁路法或基于麦克斯韦张量法建立的数学模型，三极磁轴承的转子所受力的数学模型均为自身重力、力/位移系数与位移的乘积、力/电流系数与电流的乘积三者之和，控制器接收传感器反馈的磁轴承的转子位移信息，根据磁轴承的转子受力表达式，在控制器内部进行运算处理后控制逆变器的输出电流，将能使三极磁轴承的三个磁极产生的电磁力使转子所受力达到平衡，进而使三极磁轴承的转子稳定的悬浮于平衡位置。三极磁轴承传统的驱动控制硬件结构形式采用交流电整流成直流电，再由直流电逆变成交流电，或是由直流电直接逆变成交流电的结构形式。但传统的驱动控制结构形式中逆变环节的直流侧存在储能大电容，目前一般选用电解电容，电解电容存在寿命短，体积大等缺点，一旦损坏会对逆变器产生影响，降低了装置的可靠性。
[0004]三相-三相矩阵变换器采用3X3的开关矩阵阵列结构形式，由9个双向开关组成，通过控制器控制这9个双向开关的通断，即可获得期望的输出电流与电压来控制被控对象。矩阵变换器不含储能电容，具有结构紧凑、功率密度高、稳定性高、能量可双向流动、使用寿命长等优点，可对交流电能直接进行变换，不存在直流侧的大电容储能环节。目前，矩阵变换器可应用在电机交流传动、电网电能变换、开关电源等领域。应用在永磁同步电机中的传统的矩阵变换器滞环电流控制方法为在三相输入正弦电压的自然换向点处把电压分为6个相区,此时输入电压每一相区存在一个电压最大值相、一个电压最小值相,在确定矩阵变换器的开关状态时，根据三相输出电流滞环比较的结果，输出相只与输入的最大值相和最小值相连接。这种方法的缺点是:每个输入相有1/3的时间不参与调制，会使电源侧输入电流谐波含量丰富。三极磁轴承与永磁同步电机的特性相似，其线圈可看做电机定子上的集中绕组，其线圈是阻感负载，因此，该方法也可用于驱动三极磁轴承，但会使电源侧输入电流谐波含量丰富。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是针对三极磁轴承传统的驱动控制技术存在的缺陷，提出一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制装置，利用三相-三相矩阵变换器对交流电直接进行电能变换，不存在直流侧的大电容储能环节，提高三极磁轴承运行的可靠性。
[0006]本实用新型采用的技术方案是:包括一个三相调压器，三相调压器输出端依次地连接三相LC滤波器及输入电量检测模块，输入电量检测模块输出端依次地连接矩阵变换器、霍尔电流传感器及三极磁轴承，三极磁轴承上安装有位移检测模块；矩阵变换器由9个双向开关采用3X3的开关矩阵阵列形式构成，输入电量检测模块、霍尔电流传感器及位移检测模块均连接信号调理电路，信号调理电路输出依次连接控制电路、隔离驱动保护电路，隔离驱动保护电路输出连接9个双向开关。
[0007]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:
[0008]1、本实用新型利用三相-三相矩阵变换器对电能直接进行变换，以DSP和CPLD作为控制器，通过控制矩阵变换器的九个双向开关管的通断，以矩阵变换器的输出电流为被控量直接驱动三极磁轴承，经整个控制装置的闭环调节，采用双滞环电流控制法，使三极磁轴承的转子稳定的悬浮于平衡位置。本实用新型没有传统的驱动控制三极磁轴承的直流侧大电容储能环节，增加了可靠性。
[0009]2、本实用新型把三相输入电压分为12个相区，使每个输入相在整个周期内都参与调制，改善了输入电流波形，减小了输入侧电流谐波。
[0010]3、本实用新型适用于驱动所有三极混合或主动磁轴承，三极混合或主动磁轴承可以用等效磁路法或基于麦克斯韦张量法建立数学模型，具有通用性；使得磁轴承在高速精密数控机床、离心分离机、机电电池、汽轮发电机、涡轮分子泵等众多特殊电气传动领域中得到更广泛的应用。
【附图说明】
[0011]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明:
[0012]图1是本实用新型一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制装置的结构框图；
[0013]图2是图1中矩阵变换器中的三种常用双向开关结构图，其中，(a)图所示的是IGBT共射极结构图，(b)图所示的是IGBT共集电极结构图，(c)图所示的是IGBT桥式结构图；
[0014]图3是图1中隔离驱动保护电路中的吸收保护电路原理图；
[0015]图4是图1所示运行控制装置的控制原理图。
[0016]图中:1.三相调压器；2.三相LC滤波器；3.输入电量检测模块；4.矩阵变换器；5.霍尔电流传感器；6.三极磁轴承；7.位移检测模块；8.信号调理电路；9.控制电路；10.隔离驱动保护电路；91、92.PID运算模块；93、95.2/3变换模块；94.力/电流变换模块；96.开关状态换流逻辑模块。
【具体实施方式】
[0017]参见图1，本实用新型一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制装置包括一个三相调压器1，三相调压器I的输出端依次地连接三相LC滤波器2、输入电量检测模块3、三相-三相矩阵变换器4、霍尔电流传感器5、三极磁轴承6。矩阵变换器4由9个双向开关采用3X3的开关矩阵阵列形式构成。三相调压器I接三相市电构成输入电源，三相LC滤波器2输入端接三相调压器1，三相LC滤波器2输出端接输入电量检测模块3，输入电量检测模块3输出端接矩阵变换器4，矩阵变换器4的输出端接霍尔电流传感器5。霍尔电流传感器5检测矩阵变换器4输出的电流，矩阵变换器4输出的电流供给三极磁轴承6。在三极磁轴承6上安装位移检测模块7，位移检测模块7检测磁轴承的转子位移信息。
[0018]输入电量检测模块3、霍尔电流传感器5以及位移检测模块7均连接信号调理电路8，均将输出信号送入信号调理电路8。信号调理电路8的输出依次连接控制电路9、隔离驱动保护电路10。隔离驱动保护电路10的输出连接矩阵变换器4的9个双向开关。控制电路9是集成DSP和CPLD的控制电路，接受来自信号调理电路8的信号，经过内部算法处理，送至隔离驱动保护电路10，隔离驱动保护电路10驱动控制矩阵变换器4的9个双向开关。
[0019]三极磁轴承6包括三极混合磁轴承或主动磁轴承，采用星形连接方式，故输出电流只需检测两相，另一相输出电流可以通过所检测的两相电流计算得到。位移检测模块7中的位移传感器采用电涡流位移传感器。位移检测模块7中的电涡流位移传感器安装在三极磁轴承6的壳体上，两个电涡流位移传感器为一对，分别安置在三极磁轴承6的X方向与y方向，两个电涡流位移传感器对转子位移做差分检测，提高了转子位移检测的精度。
[0020]参见图2，矩阵变换器4中的双向开关的结构常用的有三种，分别是如图2(a)所示的IGBT共射极结构，如图2 (b)所示的IGBT共集电极结构，如图2 (c)所示的IGBT桥式结构。
[0021]参见图3，隔离驱动保护电路10中含有吸收保护电路，吸收保护电路如图3所示，由电阻R1、电容C1、绝缘栅双极型晶体管IGBT1以及12个快速二极管VD5-VD16构成的双侧整流桥组成。吸收保护电路一端跨接在三相LC滤波器2与输入电量检测模块3之间，即图3中的一侧整流桥的中间引出线ua、Ub, ?(与图1中的ua、Ub, ?(对应连接，吸收保护电路另一端跨接矩阵变换器4与霍尔电流传感器5之间，即图3中的另一侧整流桥的Uk、G与图1中的Uk、L1、G对应连接。在正常工作条件下，吸收保护电路负责漏感储能，同时吸收双向开关通断过程中产生的电压尖峰；在系统突然掉电、过温、过载或短路保护时，在保护情形下矩阵变换器4的九个双向开关全部关断后，为感性负载提供释放能量的缓冲通道。
[0022]参见图4所示，控制电路9由2个