CN100536287C - 无轴承永磁同步电机数控伺服系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于密封泵、高速或超高速数控机床、工业机器人、航空航天、生命科学等众多特殊电气传动领域。其特征在于将三自由度径向-轴向混合磁轴承、二自由度无轴承永磁同步电机构成5自由度无轴承永磁同步电机数控伺服系统样机本体；采用x方向位置PID控制器、y方向位置PID控制器和z方向位置PID控制器进行独立控制，通过调整位置PID控制器的参数，实现混合磁轴承稳定工作。通过检测转子转速的大小和方向，采用基于转子磁场的定向控制策略进行动态解耦控制，通过调整径向位置控制子系统内环中2个PI控制器参数和外环中2个PID控制器的参数，能保证无轴承永磁同步电机径向位置控制子系统具有优良的动静态性能；通过调整速度控制子系统中3个PI控制器参数，确保转速具有优良的响应性能。

Description

无轴承永磁同步电机数控伺服系统与控制方法

技术领域

本发明是无轴承永磁同步电机数控伺服控制系统结构与控制方法，适用于密封泵、高速或超高速数控机床、工业机器人、航空航天、生命科学等众多特殊电气传动领域，特别是无接触、无需润滑及无磨损等特点，用于真空技术、纯净洁室及无菌车间以及腐蚀性介质或非常纯净介质的传输等特殊场合，属于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

传统的五自由度无轴承永磁电机(除旋转自由度外)，由2个二自由度无轴承永磁同步电机单元，1个轴向磁轴承构成。电机机械结构相当复杂、转子轴向很长，电机临界转速受到很大限制，特别是控制系统比较庞大，2个二自由度无轴承永磁电机单元需要4个三相逆变驱动电路，轴向磁轴承需要1路开关功率放大器，并且2个二自由度无轴承电机单元要考虑很好协调控制，控制系统过于复杂，很难在实际中得到应用。

为了从本质上简化五自由度无轴承永磁同步电机机械结构和控制的复杂性，实现悬浮转子的高速旋转与控制，需要采用新的机械结构与控制方法，研制结构紧凑、控制简单的无轴承永磁同步电机数控伺服系统结构与控制方法。

国内外没有相关的专利和文献。

发明内容

本发明的目的是改变传统五自由度无轴承永磁同步电机结构，设计一种由三自由度径向-轴向混合磁轴承和二自由度无轴承永磁同步电机构成的五自由度无轴承永磁同步电机(除旋转自由度外)样机本体，同时采用了基于转子磁场定向控制策略对二自由度无轴承永磁同步电机径向位置控制子系统和速度控制子系统进行解耦控制，三自由度径向-轴向混合磁轴承采用3个独立位置PID控制器进行控制。实现了电机结构简单、控制系统性能优良的效果。使得此类无轴承永磁同步电机在密封泵、高速或超高速数控机床、工业机器人、航空航天、生命科学等众多特殊电气传动领域，特别是无接触、无需润滑及无磨损等特点，用于真空技术、纯净洁室及无菌车间以及腐蚀性介质或非常纯净介质的传输等特殊场合电气传动系统中得到广泛应用。

本发明的方案是：五自由度无轴承永磁同步电机数控伺服系统机械结构是由1个二自由度无轴承永磁同步电机和1个三自由度径向-轴向混合磁轴承构成。三自由度径向-轴向混合磁轴承由轴向定子、轴向控制线圈、转子铁芯、径向控制线圈、径向定子和环形永久磁铁构成。转子铁芯分别与两侧轴向定子之间的间隙作为2个轴向气隙；转子铁芯分别与径向定子磁极之间的间隙作为4个径向气隙。轴向磁路和径向磁路分别经过相应定子、气隙和转子构成了完整的磁通回路。在轴向气隙与径向气隙处合成磁通由永磁偏磁磁通与控制磁通进行合成，合成磁通的变化能改变径向或轴向的悬浮力。

三自由度径向-轴向磁轴承控制系统由线性闭环控制器、开关功率放大器和位移传感器构成，通过位移传感器检测磁轴承径向和轴向的位移量与给定的参考量进行比较，分别调整位置PID控制器参数，产生相应的控制信号，控制信号经过开关功率放大器产生控制电流，控制电流分别驱动磁轴承径向控制线圈和磁轴承轴向控制线圈，产生电磁力，实现三自由度径向-轴向磁轴承转子悬浮在平衡位置。

二自由度无轴承永磁同步电机由定子铁芯、转子、永磁体、不锈钢套环、转矩绕组、悬浮力绕组和转轴构成。转子的径向位移有位移传感器进行检测，速度有霍尔传感器检测，也可采用安装在转轴的一端的光电编码器代替霍尔传感器来测量无轴承永磁同步电机的转速。

二自由度无轴承永磁同步电机控制系统由径向位置控制子系统和速度控制子系统构成，两个子系统都采用内、外环进行控制。径向位置控制子系统内环由电流闭环控制器、2个坐标变换、电压型三相逆变器和电流传感器构成，通过电流传感器检测无轴承永磁同步电机悬浮力绕组中的实际电流，调整电流闭环控制器中PI控制器参数，实现电流闭环控制；径向位置控制子系统外环由位置闭环控制器、径向位置控制子系统内环、电涡流位移传感器构成，通过调整位置闭环控制器的参数就可以对无轴承永磁同步电机转子位置进行控制。速度控制子系统由电流内环和速度外环构成，电流内环由电流闭环控制器、2个坐标变换、电压型三相逆变器和电流传感器构成，通过电流传感器检测电机转矩绕组中的实际电流，通过调整电流闭环控制器中PI控制器参数实现电流闭环控制；速度外环由速度闭环控制器、电流内环、霍尔传感器构成，通过调整速度闭环控制器中PI控制器的参数，对电机的速度进行闭环控制。通过测量转子的磁场大小和方向，采用转子磁场定向控制策略对无轴承永磁同步电机径向位置控制子系统和速度控制子系统之间进行解耦控制。

用于支承三自由度径向-轴向混合磁轴承和二自由度无轴承永磁同步电机的缸筒是双层结构，缸筒由内套和外套构成，内套和外套之间具有通水冷却的螺旋沟道，通水对二自由度无轴承永磁同步电机和三自由度径向-轴向混合磁轴承进行循环冷却。

无轴承永磁异步电机数控伺服系统中，采用二自由度无轴承异步电机代替二自由度无轴承永磁同步电机，与三自由度径向-轴向混合磁轴承构成五自由度无轴承异步电机数控伺服系统；二自由度无轴承异步电机采用鼠笼转子结构，在定子槽中叠压转矩绕组和悬浮力绕组，这两套绕组的极对数为±1的关系，采用安装在转轴的一端的光电编码盘测量电机转速，其它相应的部件不变。

无轴承永磁同步电机数控伺服系统的控制方法，包括三自由度径向-轴向混合磁轴承的控制方法和二自由度无轴承永磁同步电机的控制方法；三自由度径向-轴向混合磁轴承采用采用x方向位置PID控制器、y方向位置PID控制器和z方向位置PID控制器分别对径向和轴向的位置进行控制，通过x、y和z三个方向的位移传感器检测磁轴承径向和轴向的位移值x、y和z，x、y和z分别与给定的位移参考值x^*、y^*和z^*进行比较，通过分别调整x方向位置PID控制器，y方向位置PID控制器和z方向位置PID控制器的参数，x方向位置PID控制器、y方向位置PID控制器和z方向位置PID控制器分别产生相应的控制信号i_x ^*、i_y ^*和i_z ^*，控制信号i_x ^*、i_y ^*和i_z ^*经过三路开关功率放大器产生相应控制电流i_x、i_y和i_z，i_x、i_y和i_z分别驱动三自由度径向-轴向混合磁轴承的磁轴承径向控制线圈和磁轴承轴向控制线圈，产生电磁力，实现三自由度径向-轴向混合磁轴承转子悬浮在平衡位置；二自由度无轴承永磁同步电机采用转子磁场定向控制实现径向位置控制子系统和速度控制子系统之间的解耦控制，通过径向位置控制子系统中的电流传感器检测无轴承永磁同步电机悬浮力绕组中的实际电流，经坐标变换运算和处理，通过调整径向位置控制子系统中的电流闭环控制器中PI控制器参数，实现电流闭环控制；通过调整径向位置控制子系统中的位置闭环控制器中的PID控制器的参数，实现对无轴承永磁同步电机转子径向位置进行控制；通过速度控制子系统中的电流传感器检测无轴承永磁同步电机转矩绕组中的实际电流，通过调整速度控制子系统中的电流闭环控制器中PI控制器的参数，实现电流闭环控制；通过调整速度控制子系统中的速度闭环控制器中的PI控制器的参数，对无轴承永磁同步电机的速度进行闭环控制；二自由度无轴承永磁同步电机径向位置控制子系统和速度控制子系统之间的解耦控制，依据霍尔传感器检测的转子磁场位置角γ，采用转子磁场定向控制策略，经过坐标变换实现解耦；对径向位置控制子系统，两相旋转D-Q坐标系与两相静止d-q坐标系之间的夹角

对速度控制子系统，两相旋转D-Q坐标系与两相静止d-q坐标系之间的夹角

分别是无轴承永磁同步电机悬浮力绕组A相绕组轴线和转矩绕组A相绕组轴线与静止d轴之间的电角度。

本发明的原理是改变传统五自由度无轴承永磁同步电机结构，设计了一种由三自由度径向-轴向混合磁轴承和二自由度无轴承永磁同步电机构成的五自由度无轴承永磁同步电机(除旋转自由度)数控伺服系统样机本体。采用转子磁场定向控制策略对二自由度无轴承永磁同步电机进行了非线性动态解耦控制。对三自由度径向-轴向混合磁轴承位置采用采用x方向位置PID控制器、y方向位置PID控制器和z方向位置PID控制器进行独立控制，通过调整位置PID控制器的参数，实现三自由度径向-轴向混合磁轴承稳定工作。

本发明的优点在于：

1.无轴承永磁同步电机数控伺服系统机械结构更加合理，更实用。摆脱了3个磁轴承支承的永磁同步电机和传统五自由度无轴承永磁同步电机结构复杂，临界转速低，控制系统过于复杂的缺陷。

2.巧妙地实现了径向-轴向三自由度磁轴承联合控制。相比于二自由度径向磁轴承与单自由度轴向磁轴承的给合，在相同功率或支承力下，大大缩小了转子轴向的长度；或使得相同体积下系统功率可以做得更高，悬浮力可以做得更大。

3.三自由度径向-轴向混合磁轴承结构紧凑、采用永磁偏磁，减少了功率放大器的体积和功耗，降低了制造成本。

4.二自由度无轴承永磁同步电机基于转子磁场定向控制策略，径向位置控制子系统和速度控制子系统采用转子磁场定向控制，磁场检测简单可靠，控制方法容易实现。

5.磁轴承开关功率放大器和无轴承永磁同步电机的电压型三相逆变器技术成熟，成本低，使得系统总体造价降低。

6.三自由度径向-轴向混合磁轴承和二自由度无轴承永磁同步电机数字控制部分共用一个DSP数字信号处理器，除开关功率放大器、电压型三相逆变器和传感器及接口电路外，其它控制环节都有软件编程来实现，增加了系统的柔性和可靠性。

7.本发明设计的五自由度无轴承永磁同步电机的机械结构，结构紧凑，这种结构可以用于其它类型的无轴承电机(如无轴承交流异步电机、无轴承磁阻电机、无轴承开关磁阻电机)中。

附图说明

图1是五自由度无轴承永磁同步电机机械结构图。

图2是五自由度无轴承永磁同步电机的结构示意图。

图3是三自由度径向-轴向混合磁轴承径向定子(9)和轴向定子(6)的结构示意图。

图4是三自由度径向-轴向混合磁轴承径向线圈(10)和轴向线圈(7)的结构示意图。

图5是三自由度径向-轴向混合磁轴承轴向磁路的磁路图。

图6是三自由度径向-轴向混合磁轴承径向磁路的磁路图。

图7是三自由度径向-轴向混合磁轴承控制系统框图。

图8是二自由度无轴承永磁同步电机控制系统的结构图。

图9是采用DSP作为无轴承永磁同步电机数控伺服系统结构与控制方法的本发明装置控制系统组成示意图。

图10是以DSP为控制器CPU的实现本发明的系统软件框图。

具体实施方式

本发明的实施方式是：

其采用的控制方法是由二自由度无轴承永磁同步电机21、三自由度径向-轴向混合磁轴承22构成五自由度无轴承永磁同步电机数控伺服系统样机本体，采用线性闭环控制器30控制三自由度径向-轴向混合磁轴承22径向-轴向的位置；调整位置PID控制器31、位置PID控制器32和位置PID控制器33的控制参数，实现三自由度径向-轴向混合磁轴承22稳定工作；利用霍尔传感器15检测转子磁场大小和方向，采用基于转子磁场定向控制策略对无轴承永磁同步电机径向位置控制子系统和速度控制子系统之间进行动态解耦控制；通过调整径向位置控制子系统中电流闭环控制器70中的PI控制器71和PI控制器72参数，调整位置闭环控制器60中的PID控制器61和PID控制器62的参数，实现二自由度无轴承永磁同步电机21径向位置控制子系统优良的动静态性能指标；通过调整速度控制子系统中PI控制器75、PI控制器76和PI控制器64的参数，确保转速具有优良的响应性能指标。

具体实施分以下9步：

1.无轴承永磁同步电机本体是由在缸筒内套17中二自由度无轴承永磁同步电机21和三自由度径向-轴向混合磁轴承22构成；

右端的三自由度径向一轴向混合磁轴承22由径向辅助轴承1固定在后端盖4中；1个轴向位移传感器探头201固定在后端盖4上，处于转轴3的中心上，检测转轴3的轴向位移；磁轴承的4个径向位移传感器探头202固定在磁轴承的传感器支架111上，磁轴承的传感器支架111固定在紧靠磁轴承的右侧面的位置处；磁轴承转子铁芯5同转轴3固定在一起，由硅钢片材料叠压而成；磁轴承的轴向定子6包围径向定子9和环形永磁体8，环形永磁体8安装在磁轴承径向定子9和磁轴承的轴向定子6之间；磁轴承径向控制线圈10分别绕在径向定子9的沿圆周均匀分布的四个磁极上，相对的2个磁极上的线圈相串联为一个径向自由度的控制线圈，提供径向控制磁通；磁轴承的轴向控制线圈7在磁轴承轴向定子内侧，轴向控制线圈7均分成2个线圈位于磁轴承径向定子9和永磁体8两侧，2个线圈串联连接；左端的二自由度无轴承永磁同步电机21中，无轴承永磁同步电机转子14表面装有永磁材料钕铁硼做成极对数为2的永磁体，永磁体外面用钢筒固定，电机转子14装在转轴3上；无轴承永磁同步电机定子13的定子槽中叠压转矩绕组和悬浮力绕组，这两套绕组的极对数为±1的关系；无轴承永磁同步电机的4个径向位移传感器探头203安装在靠近前端盖18的电机的传感器支架112上，采用差动测量径向二自由度的位移，电机的传感器支架112固定在无轴承永磁同步电机21的左侧的位置处；设有测量转速的4个霍尔传感器15固定在电机的传感器支架112的右侧面上；前端盖中装有辅助轴承19作为无轴承永磁同步电机的辅助支承轴承。

三自由度径向-轴向混合磁轴承22、二自由度无轴承永磁同步电机21、2个定位套筒12、2个传感器支架11全部装在缸筒内套17中，缸筒由内套17和外套16构成，用于支承三自由度径向-轴向混合磁轴承定子和二自由度无轴承永磁同步电机定子的缸筒双层结构，两层之间具有螺旋沟道，通水对二自由度无轴承永磁同步电机和三自由度径向-轴向混合磁轴承进行冷却。

三自由度径向-轴向混合磁轴承22的控制系统由位移传感器50、线性闭环控制器30、开关功率放大器40依次相连构成；位移传感器50包括z方向位移传感器53、y方向位移传感器52和x方向位移传感器51。

二自由度无轴承永磁同步电机21的控制系统由径向位置控制子系统和速度控制子系统构成，径向位置控制子系统内环由电流闭环控制器70、坐标变换81和坐标变换82、电压型三相逆变器91、电流传感器101构成；径向位置控制子系统外环由位置闭环控制器60、径向位置控制子系统内环、位移传感器54和位移传感器55构成。速度控制子系统由电流内环和速度外环构成，电流内环由电流闭环控制器74、坐标变换83和坐标变换84、电压型三相逆变器92、电流传感器102构成，速度外环由速度闭环控制器63、电流内环、霍尔传感器15构成。

采用二自由度无轴承异步电机代替所述的二自由度无轴承永磁同步电机，构成五自由度无轴承异步电机数控伺服系统；具体是无轴承异步电机采用鼠笼转子结构，在定子槽中叠压转矩绕组和悬浮力绕组，这两套绕组的极对数为±1的关系，采用光电编码盘安装在转轴的一端，测量电机转速；除不采用4个霍尔传感器测量转速外，构成伺服系统相对应的其它部件与构成无轴承永磁同步电机伺服系统的其他部件相同。

2.位移检测。三自由度径向-轴向混合磁轴承22控制系统中位移传感器50和无轴承永磁同步电机的4个径向位移传感器采用的都是电涡流传感器，电涡流传感器对轴向与径向5个自由度位移进行检测。轴向采用一个电涡流传感器，而径向采用8个电涡流传感器在x方向与y方向分别进行差动式检测，以获得精准的位置信号，并经接口电路处理使其在DSP的A/D输入信号范围之内，由DSP内置采样/保持电路对其进行信号采集处理。

3.转速检测。采用4霍尔传感器15对转子磁场进行差动检测和处理，得到磁场转角量和电机转速大小。测量转速的4个霍尔传感器15固定在电机的传感器支架112侧面上，接近电机转子，通过测量转子的磁场大小，来间接测量电机的转速。

4.磁轴承开关功率放大器40。采用传统的开关功率放大器，具有响应速度快，结构简单、效率高等特点。由DSP输出的控制信号直接作为开关功率放大器40的驱动信号，经放大产生控制电流，控制电流在执行磁铁中产生主动磁悬浮力来使转子保持在平衡位置。

5.无轴承永磁同步电机的电压型三相逆变器91和电压型三相逆变器92。采用的智能功率模块IPM作为主逆变电路，DSP输出三相PWM信号控制电压型三相逆变器，DSP检测逆变器故障信号，并进行故障处理。

6.构建三自由度径向-轴向混合磁轴承22控制系统。三自由度径向-轴向混合磁轴承位置控制系统由线性闭环控制器30、开关功率放大器40、位移传感器50构成。

对三自由度径向-轴向混合磁轴承22位置控制采用采用x方向位置PID控制器、y方向位置PID控制器和z方向位置PID控制器分别对径向和轴向的位置进行控制；通过位移传感器50检测磁轴承径向和轴向的位移值与给定的位移参考值进行比较，分别调整位置PID控制器30的参数，产生相应的控制信号，经过开关功率放大器40产生控制电流，分别驱动三自由度径向-轴向磁轴承径向控制线圈10和磁轴承径向控制线圈7，产生电磁力，实现三自由度径向-轴向磁轴承转子悬浮在平衡位置。

7.构建二自由度无轴承永磁同步电机21控制系统。组成二自由度无轴承永磁同步电机21控制系统的径向位置控制子系统和速度控制子系统都采用内、外闭环进行控制；通过电流传感器101检测无轴承永磁同步电机悬浮力绕组中的实际电流，经坐标变换81运算和处理，通过调整电流闭环控制器70中PI控制器71和PI控制器72参数，实现电流闭环控制；通过调整位置闭环控制器60中的PID控制器61和PID控制器62的参数，实现对无轴承永磁同步电机转子径向位置进行控制；通过电流传感器102检测无轴承永磁同步电机21转矩绕组中的实际电流，通过调整电流闭环控制器74中PI控制器75和PI控制器76的参数，实现电流闭环控制；通过调整速度闭环控制器63中的PI控制器64的参数，对电机的速度进行闭环控制；

无轴承永磁同步电机径向位置控制子系统和速度控制子系统之间的动态解耦控制，采用转子磁场定向控制策略进行解耦，通过检测转子磁场的位置角γ，将两相旋转D-Q坐标(图8中变量右上角用“F”表示)中的量变换到两相静止d-q坐标(图8中变量右上角用“S”表示)中，将测量到悬浮力绕组和转矩绕组中的量经过从两相静止d-q坐标到两相旋转D-Q坐标变换即可以实现动态解耦控制。对径向位置控制子系统，两相旋转D-Q坐标系相对于两相静止d-q坐标系之间的夹角

对速度控制子系统，两相旋转D-Q坐标系相对于两相静止d-q坐标系之间夹角

分别是悬浮力绕组A相绕组轴线和电机绕组A相绕组轴线与静止d轴之间的电角度。具体解耦方法是在径向位置控制子系统中，将检测到的转子径向位移量X和Y与给定的命令值x^*和Y^*比较，经过PID控制器61和PID控制器62分别产生电流的命令值将测量到悬浮力绕组两相电流实际值i_2u ^(s)、i_2v ^(s)→计算i_2w ^(s)→Clark变换→Park变换→再与两相旋转D-Q坐标系中电流的命令值

比较→经过PI控制器71和PI控制器72分别产生电压命令值

→逆Clark变换→逆Park变换产生三相电压命令值和→经过电压型三相逆变器91产生三相悬浮力绕组驱动电压u_2u ^(s)、u_2v ^(s)和u_2w ^(s)→实现转子稳定悬浮在平衡位置。根据检测的转子磁场位置角γ，计算出电机实际角速度ω_m，与角速度命令值ω_m ^*比较后，经过PI控制器64产生电流命令值

采用磁场定向控制 $i_{1d}^{{\left(F\right)}^{*}}=0,$ 再采用与位置内环相似的变换和控制方法，即可以实现对转速的独立控制。

8.构建DSP控制器110。采用TI公司的TMS320LF2407DSP数字信号处理器作为DSP控制器的CPU。该款CPU具有运算速度快，单条指令只需33ns时间，自带有内置采样/保持电路的10位高速A/D转换器，PWM信号事件管理模块，通过扩展D/A转换器，能满足磁轴承控制要求。

对磁轴承控制部分：DSP控制器通过软件编程实现对径向-轴向3自由度位移传感器信号的采集、线性闭环控制器运算处理，输出相应控制信号，实现对三自由度径向-轴向混合磁轴承22的闭环控制。

对二自由度无轴承永磁同步电机部分：DSP控制器通过软件编程实现径向二自由度位移、悬浮力和电机绕组电流、电机转速的信号采集，对位置子系统来讲，经过位置PID控制器61和PID控制器62运算、坐标变换81运算、电流闭环控制器70运算、坐标变换82运算和处理，输出PWM信号至悬浮力绕组电压型三相逆变器91。对速度控制子系统来讲，经过速度闭环控制器63中的PI控制器64运算、坐标变换83运算、电流闭环控制器74运算、坐标变换84运算和处理，输出PWM信号至悬浮力绕组电压型三相逆变器92。

9.控制参数调整。

1)磁轴承位置PID控制器30、PID控制器31和PID控制器32都采用线性理论中的比例积分微分控制器PID、极点配置或二次型指标最优等方法来设计，调整3个位置PID控制器参数，实现磁轴承悬浮。

2)二自由度无轴承永磁同步电机21控制系统中5个PI控制器采用线性理论中的比例积分PI，极点配置或二次型指标最优等方法来设计。在调整径向位置控制子系统稳定悬浮后，调速度控制子系统的电流内环PI控制器75和PI控制器76参数，再调速度外环PI控制器64参数，实现二自由度无轴承永磁同步电机21稳定悬浮和旋转。

以上所述，仅用于说明本发明，而不用于限制。

Claims (7)

1、无轴承永磁同步电机数控伺服系统，其特征在于无轴承永磁同步电机本体是由在缸筒内套中的二自由度无轴承永磁同步电机(21)和三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)构成；

右端的三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)由径向辅助轴承(1)固定在后端盖(4)中；1个轴向位移传感器探头(201)固定在后端盖(4)上，处于转轴(3)的中心上，检测转轴(3)的轴向位移；磁轴承的4个径向位移传感器探头(202)固定在磁轴承的传感器支架(111)上，磁轴承的传感器支架(111)固定在紧靠磁轴承的右侧面的位置处；磁轴承转子铁芯(5)同转轴(3)固定在一起，由硅钢片材料叠压而成；磁轴承的轴向定子(6)包围径向定子(9)和环形永磁体(8)，环形永磁体(8)安装在磁轴承径向定子(9)和磁轴承的轴向定子(6)之间；磁轴承径向控制线圈(10)分别绕在径向定子(9)的沿圆周均匀分布的四个磁极上，相对的2个磁极上的线圈相串联为一个径向自由度的控制线圈，提供径向控制磁通；磁轴承的轴向控制线圈(7)在磁轴承轴向定子内侧，轴向控制线圈(7)均分成2个线圈位于磁轴承径向定子(9)和永磁体(8)两侧，2个线圈串联连接；

左端的二自由度无轴承永磁同步电机(21)中，无轴承永磁同步电机转子(14)表面装有永磁材料钕铁硼做成极对数为2的永磁体，永磁体外面用钢筒固定，电机转子(14)装在转轴(3)上；无轴承永磁同步电机定子(13)的定子槽中叠压转矩绕组和悬浮力绕组，这两套绕组的极对数为±1的关系；无轴承永磁同步电机的4个径向位移传感器探头(203)安装在靠近前端盖(18)的电机的传感器支架(112)上，采用差动测量径向二自由度的位移，电机的传感器支架(112)固定在无轴承永磁同步电机(21)的左侧的位置处；设有测量转速的4个霍尔传感器(15)固定在电机的传感器支架(112)的右侧面上；前端盖中装有辅助轴承(19)作为无轴承永磁同步电机的辅助支承轴承。

2、根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机数控伺服系统，其特征在于三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)的控制系统由位移传感器(50)、线性闭环控制器(30)、开关功率放大器(40)依次相连构成；位移传感器(50)包括z方向位移传感器(53)、y方向位移传感器(52)和x方向位移传感器(51)；z方向位移传感器(53)的输入信号由轴向位移传感器探头(201)检测输入，y方向位移传感器(52)和x方向位移传感器(51)的输入信号分别由4个径向位移传感器探头(202)检测输入。

3、根据权利要求1所述无轴承永磁同步电机数控伺服系统，其特征在于二自由度无轴承永磁同步电机(21)的控制系统由径向位置控制子系统和速度控制子系统构成，径向位置控制子系统内环由电流闭环控制器(70)、坐标变换(81，82)、电压型三相逆变器(91)、电流传感器(101)构成；径向位置控制子系统外环由位置闭环控制器(60)、径向位置控制子系统内环、位移传感器(54、55)构成；速度控制子系统由电流内环和速度外环构成，电流内环由电流闭环控制器(74)、坐标变换(83，84)、电压型三相逆变器(92)、电流传感器(102)构成，速度外环由速度闭环控制器(63)、电流内环、霍尔传感器(15)构成。

4、根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机数控伺服系统，其特征在于采用安装在转轴的一端的光电编码器代替固定在传感器支架(112)的右侧面上的4个霍尔传感器(15)来测量无轴承永磁同步电机的转速。

5、根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机数控伺服系统，其特征在于缸筒由内套(17)和外套(16)构成，内套(17)和外套(16)之间具有对二自由度无轴承永磁同步电机(21)和三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)通水冷却的螺旋沟道。

6、无轴承异步电机数控伺服系统，其特征在于采用二自由度无轴承异步电机代替权利要求1中所述的二自由度无轴承永磁同步电机(21)，与三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)构成五自由度无轴承异步电机数控伺服系统；二自由度无轴承异步电机采用鼠笼转子结构，在定子槽中叠压转矩绕组和悬浮力绕组，这两套绕组的极对数为±1的关系，采用安装在转轴的一端的光电编码盘测量电机转速，二自由度无轴承异步电机的4个径向位移传感器探头(203)安装在靠近前端盖(18)的电机的传感器支架(112)上，采用差动测量径向二自由度的位移，电机的传感器支架(112)固定在二自由度无轴承异步电机的左侧的位置处，前端盖中装有辅助轴承(19)作为二自由度无轴承异步电机的辅助支承轴承；右端的三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)由径向辅助轴承(1)固定在后端盖(4)中；1个轴向位移传感器探头(201)固定在后端盖(4)上，处于转轴(3)的中心上，检测转轴(3)的轴向位移；磁轴承的4个径向位移传感器探头(202)固定在磁轴承的传感器支架(111)上，磁轴承的传感器支架(111)固定在紧靠磁轴承的右侧面的位置处；磁轴承转子铁芯(5)同转轴(3)固定在一起，由硅钢片材料叠压而成；磁轴承的轴向定子(6)包围径向定子(9)和环形永磁体(8)，环形永磁体(8)安装在磁轴承径向定子(9)和磁轴承的轴向定子(6)之间；磁轴承径向控制线圈(10)分别绕在径向定子(9)的沿圆周均匀分布的四个磁极上，相对的2个磁极上的线圈相串联为一个径向自由度的控制线圈，提供径向控制磁通；磁轴承的轴向控制线圈(7)在磁轴承轴向定子内侧，轴向控制线圈(7)均分成2个线圈位于磁轴承径向定子(9)和永磁体(8)两侧，2个线圈串联连接。

7、一种控制如权利要求1所述的无轴承永磁同步电机数控伺服系统的方法，其特征在于包括三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)的控制方法和二自由度无轴承永磁同步电机(21)的控制方法；三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)采用x方向位置PID控制器(31)，y方向位置PID控制器(32)和z方向位置PID控制器(33)分别对径向和轴向的位置进行控制，通过x、y和z三个方向的位移传感器(51，52，53)检测磁轴承径向和轴向的位移值x、y和z，x、y和z分别与给定的位移参考值x^*、y^*和z^*进行比较，通过分别调整x方向位置PID控制器(31)，y方向位置PID控制器(32)和z方向位置PID控制器(33)的参数，x方向位置PID控制器(31)，y方向位置PID控制器(32)和z方向位置PID控制器(33)分别产生相应的控制信号i_x ^*、i_y ^*和i_z ^*，控制信号i_x ^*、i_y ^*和i_z ^*经过三路开关功率放大器(41，42，43)产生相应控制电流i_x、i_y和i_z，i_x、i_y和i_z分别驱动三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)的磁轴承径向控制线圈(10)和磁轴承轴向控制线圈(7)，产生电磁力，实现三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)转子悬浮在平衡位置；二自由度无轴承永磁同步电机(21)采用转子磁场定向控制实现径向位置控制子系统和速度控制子系统之间的解耦控制，通过径向位置控制子系统中的电流传感器(101)检测无轴承永磁同步电机(21)悬浮力绕组中的实际电流，经坐标变换(81)运算和处理，通过调整径向位置控制子系统中的电流闭环控制器(70)中PI控制器(71，72)参数，实现电流闭环控制；通过调整径向位置控制子系统中的位置闭环控制器(60)中的PID控制器(61，62)的参数，实现对无轴承永磁同步电机转子径向位置进行控制；通过速度控制子系统中的电流传感器(102)检测无轴承永磁同步电机(21)转矩绕组中的实际电流，通过调整速度控制子系统中的电流闭环控制器(74)中PI控制器(75，76)的参数，实现电流闭环控制；通过调整速度控制子系统中的速度闭环控制器(63)中的PI控制器(64)的参数，对无轴承永磁同步电机的速度进行闭环控制；二自由度无轴承永磁同步电机径向位置控制子系统和速度控制子系统之间的解耦控制，依据霍尔传感器(15)检测的转子磁场位置角Υ，采用转子磁场定向控制策略，经过坐标变换实现解耦；对径向位置控制子系统，两相旋转D-Q坐标系与两相静止d-q坐标系之间的夹角

对速度控制子系统，两相旋转D-Q坐标系与两相静止d-q坐标系之间的夹角

分别是无轴承永磁同步电机悬浮力绕组A相绕组轴线和转矩绕组A相绕组轴线与静止d轴之间的电角度。

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