无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及特种交流电机驱动控制技术领域，尤其适用于无轴承电机的高精度磁 悬浮运行控制。
【背景技术】
[0002] 无轴承电机是基于磁轴承与交流电机定子结构的相似性，近年来发展起来的适合 于高速运转的新型电机，在航空航天、物料密封传输、先进制造等领域具有广泛的应用前 景。作为旋转驱动电机，由于材质不均、加工精度、装配误差等原因，不可避免会存在一定程 度的转子质量偏心，质量偏心将引起作用于转子的周期性不平衡激振力，导致转子不平衡 振动，影响转子的悬浮控制精度。
[0003] 经对现有文献和专利的检索发现，关于无轴承电机的转子不平衡振动控制技术， 国内外的研究成果较少，现有研究主要集中在同步型无轴承电机控制，基本都是在静态磁 场定向控制的基础上对转子的不平衡振动进行补偿，而且没有针对转子稳态随机位移和不 平衡振动位移的特点进行分离控制。为提高转子的悬浮控制精度，急需设计出一种无轴承 转子径向位移分离控制与综合补偿方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于针对无轴承电机提出一种无轴承转子径向位移分离控制 与综合补偿方法，所解决的技术问题是提高无轴承电机转子悬浮控制精度。
[0005] 本发明是采用以下技术方案及技术措施来实现的。
[0006] 本发明提出一种无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，包括如下步骤： (1) 定义坐标系是随无轴承转子同步旋转的机械坐标系，a0坐标系是静止正交机 械坐标系； (2) 将无轴承转子的当前径向位移信号a、0送入单边电磁力补偿器，得到无轴承电 机内部的待补偿不平衡单边电磁力给定信号if、J| ; (3) 根据不平衡振动位移随转速同频变化的特点，对转子径向位移信号a、0进行转 子同步旋转坐标变换，再经低通滤波器，提取出坐标系中的转子不平衡振动位移直变量f目号 ; (4) 对纖編进行反转子同步旋转坐标变换，得到a0坐标系中的不平衡振动位移 信号稱^、謂^，再将其与无轴承转子的当前径向位移信号a和0对应比较，得到静止a0 坐标系中的转子随机位移信号、总，实现随机位移与不平衡振动位移的有效分解； (5) 对_、::爲:进行零值给定闭环调节，得到静止a0坐标系中的随机位移控制力给定 信号用以控制转子随机位移； 与此同时，对进行零值给定闭环控制，获得标系中的不平衡振动补偿控 制力给定信号再对进行反转子旋转变换，得到静止《 0坐标系中的 不平衡振动补偿力给定信号/=、d，用以控制转子不平衡振动位移； (6) 在a0坐标系中将随机位移控制力给定信号Jg；.和|||、不平衡振动补偿力给定 信号以和巧、待补偿不平衡单边电磁力给定信号_和_进行对应比较，得到可控磁悬 浮力综合给定信号和^ ; (7) 将可控磁悬浮力综合给定信号和丨1|进行力/流变换，得到随机位移控制力、不 平衡振动位移控制力与待补偿不平衡单边电磁拉力的悬浮绕组综合控制电流信号 ，该悬浮绕组综合控制电流信号经过处理后送入无轴承电机的悬浮绕组，从而实现 无轴承转子的随机位移、不平衡振动位移和不平衡单边电磁力的分离控制与综合补偿。 较佳的，前述无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，所述步骤（7)中由可控磁 悬浮力综合给定信号g和得到悬浮绕组综合控制电流信号|^和|_是由如下力/流 变换公式得到的：
式中：和分别为在转矩系统同步旋转扣坐标系中沿夂邊标轴向的悬:浮绕组 控制电流分量，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，和分别为沿a、0坐标轴向 的可控磁悬浮力分量，分别为沿t/、g坐标轴向的转矩系统气隙磁链分量。
[0007] 较佳的，前述无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，所述步骤（2)中由当 前径向位移信号a、0得到待补偿不平衡单边电磁力给定信号./；：和是由如下单边电磁 力补偿器公式得到的：￡:#|^、_夂1#，其中，g为电机结构决定的径向位移刚度系 数。
[0008] 与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果： 1、 本发明将无轴承转子的径向位移分离为随机位移和不平衡振动位移两部分，可针对 两种位移量的变化特点进行分别独立控制，有利于无轴承转子随机位移控制与不平衡振动 位移控制之间的解耦以及无轴承转子不平衡振动的高效控制； 2、 本发明在无轴承转子位移分离控制的基础上，通过单边电磁力补偿器对系统进行不 平衡单边电磁力补偿控制，提高了无轴承转子的悬浮运行稳定性与悬浮控制精度。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法的结构图。
【具体实施方式】
[0010] 为使本发明的内容更明显易懂，以下结合无轴承异步电机具体实施例，对本发明 进行详细描述。
[0011] 本发明的核心思想是： 1)因机械加工精度等原因，转子会存在不同程度的质量偏心，在无轴承电机的转子 旋转运动过程中，不可避免的转子质量偏心将激发与偏心同方向的不平衡离心激振力， 其沿a、0方向的不平衡离心激振力分量可分别表示为1^ (亂h沒）、 /;二街fi)，其中的_为转子质量，为转子的质量偏心距，紙.为转子的旋 转机械角速度；課为相对于无轴承转子同步旋转坐标系的转子质量偏心方向角。鉴于无 轴承异步电机结构的对称性，沿a和0方向的位移刚度相等，在周期性不平衡离心激振力 的作用下将沿a和0方向产生周期性等幅不平衡振动位移。若不加振动控制措施，在该 不平衡离心激振力的作用下，将使无轴承转子轴心产生周期性的径向位移波动或振动，BP 产生不平衡振动位移。
[0012] 2)为提高无轴承异步电机的转子悬浮控制精度，需要实时产生不平衡振动补偿控 制力以克服不平衡离心激振力的影响，约束无轴承转子绕其几何轴心旋转；无轴承电机转 子的不平衡振动位移信号是与转速同频的正弦交变信号，基于该特征，可将转子径向位移 量动态分离为随机位移和不平衡振动位移两部分，可用于随机位移与不平衡振动位移的分 别控制。
[0013] 3)在同一坐标系中将随机位移的控制力、不平衡振动位移的补偿控制力、偏心转 子单边电磁补偿力等进行叠加，得到磁悬浮控制合力，再根据转矩系统气隙磁链信息等对 磁悬浮控制合力进行力/流变换，得到兼顾随机位移控制和不平衡振动位移控制的磁悬浮 控制电流，即可实现转子随机位移控制和不平衡振动位移的控制。
[0014] 基于上述理论基础，本发明公开一种无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方 法，具体包括如下步骤： 第一步，建立磁悬浮控制系统数学模型 定义dq坐标系为转矩系统的同步旋转坐标系；a0坐标系是静止正交机械坐标系； 忽略转子偏心引起的两套绕组之间的互感耦合影响，根据无轴承异步电机的工作原 理，可得磁悬浮系统悬浮绕组控制电流的"力/流变换"模型：