基于矩阵变换器的交流磁轴承电主轴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五自由度交流磁轴承电主轴的驱动控制技术，具体涉及将矩阵变换器应用于驱动五自由度交流磁轴承电主轴的控制技术，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]五自由度交流磁轴承电主轴由两个径向三极磁轴承与一个轴向磁轴承支承，内装电机直接驱动，基本取消了带轮传动或齿轮传动，实现了机床的“零传动”，目前磁轴承支承的电主轴工作转速一般在数千转至数万转，已在车床、铣床、磨床、组合机床中使用。
[0004]传统的驱动控制交流磁轴承电主轴的方法为:由两个相同的驱动器分别驱动电主轴中的两个径向三极磁轴承，轴向磁轴承由轴向驱动控制器驱动，径向三极磁轴承的驱动控制器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。这种驱动控制器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，降低了系统的可靠性。
[0005]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，虽然该方法也可用于驱动交流磁轴承电主轴中的三极磁轴承，但会使电源侧输入电流谐波含量丰富。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的是针对驱动控制五自由度交流磁轴承电主轴传统方法的缺陷，提供一种基于矩阵变换器的五自由度交流磁轴承电主轴的运行控制装置，利用矩阵变换器直接进行交流电能变换，在驱动控制电主轴中径向三极磁轴承时不存在直流侧的大电容储能环节，提高了可靠性。
[0007]本实用新型基于矩阵变换器的交流磁轴承电主轴运行控制装置采用的技术方案是:包括三相调压器、三相LC滤波器以及驱动控制器，三相调压器的输出连接三相LC滤波器，三相LC滤波器的输出分别连接驱动控制器以及两个矩阵变换器，驱动控制器的输出分别连接开关功率放大器和两个矩阵变换器；两个矩阵变换器的输出均经霍尔电流传感器后连接五自由度交流磁轴承电主轴，霍尔电流传感器的输出连接驱动控制器的输入；检测五自由度交流磁轴承电主轴的两个径向三极磁轴承径向位移信息的电涡流位移传感器以及检测一个轴向磁轴承轴向位移信息的电涡流位移传感器的输出端均连接驱动控制器的输入端；开关功率放大器接直流电源并驱动轴向磁轴承；驱动控制器包括输入电量检测模块、信号调理电路、轴向控制模块以及两个结构一样的径向运算处理模块，输入电量检测模块的输入接三相LC滤波器的输出，输入电量检测模块的输出接信号调理电路，信号调理电路的输出分别连接轴向控制模块以及两个径向运算处理模块，第一径向运算处理模块的输出接第一矩阵变换器，第二径向运算处理模块的输出接第二矩阵变换器的输入，轴向控制模块的输出接开关功率放大器。
[0008]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:
[0009]1.本实用新型由三相调压器接三相市电作为三相输入电源，其后接三相LC滤波器与两个矩阵变换器构成三相输入，两个矩阵变换器的输出分别驱动电主轴中两个三极磁轴承，电主轴中轴向磁轴承由直流电源接开关功率放大器驱动控制，矩阵变换器与开关功率放大器由驱动控制器控制，控制磁轴承使电主轴的转轴实现五自由度悬浮。采用矩阵变换器对电能直接进行变换，直接驱动控制电主轴中的三极磁轴承，没有传统的驱动控制径向三极磁轴承的大电容储能环节，增加了装置的可靠性。
[0010]2.本实用新型把驱动控制电主轴中径向三极磁轴承的三相输入电压分为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。
[0011]3.本实用新型除了可应用于高速精密数控机床中外，还可应用于类似结构的离心分离机、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。
【附图说明】
[0012]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:
[0013]图1是本实用新型基于矩阵变换器的交流磁轴承电主轴运行控制装置的结构框图；
[0014]图2是图1中矩阵变换器常用的三种双向开关结构示意图，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；
[0015]图3是图1所示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.矩阵变换器；4.矩阵变换器；5.霍尔电流传感器；6.五自由交流磁轴承电主轴；7.驱动控制器；8.开关功率放大器；9.直流电源；10.电机电源驱动控制器；71.输入电量检测模块；72.信号调理电路；73、74.径向运算处理模块，两个模块的内部结构一样；75.轴向控制模块；731、732.PID控制模块；733、735.2/3变换模块；734.力/电流变换模块；736.开关状态换流逻辑模块；737.隔离驱动保护电路。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本实用新型基于矩阵变换器的交流磁轴承电主轴运行控制装置包括三相调压器1、三相LC滤波器2以及驱动控制器7，三相调压器I接三相市电构成输入电源。三相调压器I的输出连接三相LC滤波器2，三相LC滤波器2的输出分别连接驱动控制器7以及两个矩阵变换器3、4，驱动控制器7的输出再分别连接两个矩阵变换器3、4。两个矩阵变换器3、4的输出均经霍尔电流传感器5后连接五自由度交流磁轴承电主轴6，霍尔电流传感器5的输出连接驱动控制器7的输入。霍尔电流传感器5检测两个矩阵变换器3、4输出的电流，将检测结果输入驱动控制器7，两个矩阵变换器3、4输出的电流供给五自由度交流磁轴承电主轴6中的两个径向三极磁轴承，五自由度交流磁轴承电主轴6由电机电源驱动控制器10控制其电机启动。
[0018]在五自由度交流磁轴承电主轴6的壳体上，对应于每个径向三极磁轴承外安装有4个电涡流位移传感器，4个电涡流位移传感器中的每2个电涡流位移传感器为一对