CN101383573A - 永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，属无轴承电机的控制方法。本发明在保持转矩绕组合成气隙磁链恒定的同时，通过适当选择逆变器的开关状态来控制悬浮绕组定子磁链空间矢量的幅值与方向，控制无轴承永磁同步电机悬浮力的大小和方向，对悬浮力采用闭环控制，进一步对转矩控制绕组和悬浮力绕组解耦。本发明是一种对悬浮力控制准确性高，动态响应快，受电机参数影响小的控制方法。

Description

永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法

技术领域

本发明涉及一种无轴承电机的控制方法，尤其涉及一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法。

背景技术

永磁型无轴承电机的控制通常分为两部分：转矩控制和悬浮力控制。

目前，国内外学者对于无轴承电机控制的研究均集中在如何实现转矩绕组和悬浮绕组的解耦上，其解耦控制算法均是建立在转矩绕组控制采用d轴电流为零的转子磁场定向矢量控制的基础上，其悬浮效果不仅依赖于转矩绕组磁场定向控制的准确性，同时也受悬浮绕组自身磁场定向控制准确性的约束。

传统的悬浮绕组控制是通过控制悬浮绕组电流来控制悬浮绕组磁场，从而间接的控制所需悬浮力的大小和方向，是对悬浮力的开环控制，使得悬浮力控制的准确性和快速性受到限制，存在着动态悬浮响应慢的缺点。

传统的悬浮绕组矢量控制需要定转子的旋转坐标变换，控制算法复杂。

传统的悬浮绕组控制采用电流跟踪型逆变器和正弦脉宽调制方法(SPWM)，直流母线电压利用率不高，逆变器开关器件开关次数多，开关损耗较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法。

本发明永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，其特征在于采用X轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的横向实时位移信号x，采用Y轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的纵向实时位移信号y，将所述横向实时位移信号x和给定的永磁型无轴承电机转子的横向参考位移信号x^*经过x方向位置环得到横向位移差Δx，将所述纵向实时位移信号y和给定的永磁型无轴承电机转子的纵向参考位移信号y^*经过y方向位置环得到纵向位移差Δy，将所述横向位移差Δx经过PID1调节器得到给定的α轴悬浮力

将所述纵向位移差Δy经过PID2调节器得到给定的β轴悬浮力

采用悬浮绕组定子磁链幅值与相位计算模块检测永磁型无轴承电机的三相输入电流和三相输入电压即A相电流Ia、A相电压Ua，B相电流Ib、B相电压Ub，C相电流Ic、C相电压Uc，输出悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ；采用转矩控制系统输出转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψ_m1|和相角μ；将所述悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ和转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψ_m1|和相角μ经过悬浮力估算模块得到反馈的α轴悬浮力F_α和反馈的β轴悬浮力F_β；将所述给定的α轴悬浮力

与反馈的α轴悬浮力F_α经过x方向力环得到α轴的悬浮力矢量差ΔF_α，将所述给定的β轴悬浮力与反馈的β轴悬浮力F_β经过y方向力环得到β轴悬浮力矢量差ΔF_β，将所述α轴悬浮力矢量差ΔF_α、β轴的悬浮力矢量差ΔF_β和转矩绕组合成气隙磁链的相角μ经过直接悬浮力计算模块得到悬浮绕组磁链矢量差，将所述悬浮绕组磁链矢量差经过空间电压矢量模块SVM得到功率变换器的三相开关信号，将功率变换器的三相开关信号经过功率变换器VSI得到永磁型无轴承电机的三相驱动电流和电压即永磁型无轴承电机悬浮绕组的三相输入电流和三相输入电压；其中直接悬浮力计算模块的构建包括如下步骤：

e)构建磁链表达的悬浮力数学模型： $\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}=k_M{\mathrm{\ψ}}_{m1}{\mathrm{\ψ}}_{s2}\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ F_{\mathrm{\β}}=k_M{\mathrm{\ψ}}_{m1}{\mathrm{\ψ}}_{s2}\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.$ 其中k_M为悬浮力常量，ψ_s2为悬浮控制绕组定子磁链；

f)构建悬浮力矢量模型：当永磁同步电动机的磁路是线性的，参数不随温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子为无阻尼绕组，保持转矩绕组气隙磁链恒定，得到当前时刻k和下一时刻k+1的合成悬浮力矢量在αβ坐标系下的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)=\left|\stackrel{\→}{F}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})=k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ F_{\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left|\stackrel{\→}{F}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})=k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}(k+1)=\left|\stackrel{\→}{F}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\cos \mathrm{\Δ\θ}-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\sin \mathrm{\Δ\θ}\\ F_{\mathrm{\β}}(k+1)=\left|\stackrel{\→}{F}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\cos \mathrm{\Δ\θ}+k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\sin \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right.,$

式中的k_F为悬浮力系数，Δθ为悬浮力变化的方向角，为当前时刻k的悬浮力，

为下一时刻k+1的悬浮力，

为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮力的矢量差，

为当前时刻k的悬浮绕组磁链，

为下一时刻k+1的悬浮绕组磁链，

为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量差；则合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\α}}=F_{\mathrm{\α}}(k+1)-F_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\β}}=F_{\mathrm{\β}}(k+1)-F_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.;$

g)构建悬浮绕组磁链矢量模型：当前时刻k和下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在αβ坐标系下的分量为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\left(k\right)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos \mathrm{\λ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin \mathrm{\λ}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}(k+1)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ {\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}(k+1)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})\end{array}\right.,$

其中ψ_s2α(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψ_s2β(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量，ψ_s2α(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψ_s2β(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量；则悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量即悬浮绕组磁链α轴矢量差Δψ_s2α、悬浮绕组磁链β轴矢量差Δψ_s2β为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}={\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}(k+1)-{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ =\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})-\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos \mathrm{\λ}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}={\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}(k+1)-{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ =\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})-\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin \mathrm{\λ}\end{array}\right.;$

h)采用所述悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量代入合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量得到合成悬浮力的矢量差与悬浮绕组磁链矢量差的关系式为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\α}}\\ \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=k_F\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\μ}& \sin \mathrm{\μ}\\ -\sin \mathrm{\μ}& \cos \mathrm{\μ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\end{array}\right].$

本发明的永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法具有以下特点：①本控制方法是对悬浮力的闭环控制，提高了悬浮力的准确性和动态响应速度；②悬浮力控制无需旋转坐标变换，不依赖于转矩控制绕组磁场定向控制的准确性，控制算法简单，进一步对转矩控制绕组和悬浮力绕组解耦；③悬浮力控制不再受悬浮控制绕组参数的影响。总的来说，永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法是一种对悬浮力控制准确性高，动态响应快，受电机参数影响小的控制方法。

附图说明

图1：本发明控制系统框图；

图2：本发明的直接悬浮力控制矢量图；

图3：本发明悬浮力与悬浮控制绕组定子磁链矢量图。

图中标号：ψ_m1为转矩绕组合成气隙磁链；ψ_s1为转矩控制绕组定子磁链；ψ_s2为悬浮控制绕组定子磁链；λ为ψ_s2与α轴夹角；ψ_1q为转矩控制绕组定子磁链ψ_s1在q轴上的分量；ψ_f永磁体磁链；θ_r为d轴与A相绕组轴线夹角；δ为转矩控制绕组定子磁链ψ_s1与ψ_f的夹角。

具体实施方式

如图1所示。一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，其特征在于采用X轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的横向实时位移信号x，采用Y轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的纵向实时位移信号y，将所述横向实时位移信号x和给定的永磁型无轴承电机转子的横向参考位移信号x^*经过x方向位置环得到横向位移差Δx，将所述纵向实时位移信号y和给定的永磁型无轴承电机转子的纵向参考位移信号y^*经过y方向位置环得到纵向位移差Δy，将所述横向位移差Δx经过PID1调节器得到给定的α轴悬浮力将所述纵向位移差Δy经过PID2调节器得到给定的β轴悬浮力

采用悬浮绕组定子磁链幅值与相位计算模块检测永磁型无轴承电机的三相输入电流和三相输入电压即A相电流Ia、A相电压Ua，B相电流Ib、B相电压Ub，C相电流Ic、C相电压Uc，输出悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ；采用转矩控制系统输出转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψ_m1|和相角μ；将所述悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ和转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψ_m1|和相角μ经过悬浮力估算模块得到反馈的α轴悬浮力F_α和反馈的β轴悬浮力F_β；将所述给定的α轴悬浮力

与反馈的α轴悬浮力F_α经过x方向力环得到α轴的悬浮力矢量差ΔF_α，将所述给定的β轴悬浮力

与反馈的β轴悬浮力F_β经过y方向力环得到β轴悬浮力矢量差ΔF_β，将所述α轴悬浮力矢量差ΔF_α、β轴的悬浮力矢量差ΔF_β和转矩绕组合成气隙磁链的相角μ经过直接悬浮力计算模块得到悬浮绕组磁链矢量差，将所述悬浮绕组磁链矢量差经过空间电压矢量模块SVM得到功率变换器的三相开关信号，将功率变换器的三相开关信号经过功率变换器VSI得到永磁型无轴承电机的三相驱动电流和电压即永磁型无轴承电机悬浮绕组的三相输入电流和三相输入电压；其中直接悬浮力计算模块的构建包括如下步骤：

i)构建磁链表达的悬浮力数学模型： $\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}=k_M{\mathrm{\ψ}}_{m1}{\mathrm{\ψ}}_{s2}\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ F_{\mathrm{\β}}=k_M{\mathrm{\ψ}}_{m1}{\mathrm{\ψ}}_{s2}\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.$ 其中k_M为悬浮力常量，ψ_s2为悬浮控制绕组定子磁链；

j)构建悬浮力矢量模型：当永磁同步电动机的磁路是线性的，参数不随温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子为无阻尼绕组，保持转矩绕组气隙磁链恒定，得到当前时刻k和下一时刻k+1的合成悬浮力矢量在αβ坐标系下的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)=\left|\stackrel{\→}{F}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})=k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ F_{\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left|\stackrel{\→}{F}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})=k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}(k+1)=\left|\stackrel{\→}{F}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\cos \mathrm{\Δ\θ}-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\sin \mathrm{\Δ\θ}\\ F_{\mathrm{\β}}(k+1)=\left|\stackrel{\→}{F}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\cos \mathrm{\Δ\θ}+k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\sin \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right.,$

式中的k_F为悬浮力系数，Δθ为悬浮力变化的方向角，为当前时刻k的悬浮力，

为下一时刻k+1的悬浮力，

为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮力的矢量差，

为当前时刻k的悬浮绕组磁链，为下一时刻k+1的悬浮绕组磁链，

为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量差；则合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\α}}=F_{\mathrm{\α}}(k+1)-F_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\β}}=F_{\mathrm{\β}}(k+1)-F_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.;$

k)构建悬浮绕组磁链矢量模型：当前时刻k和下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在αβ坐标系下的分量为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\left(k\right)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos \mathrm{\λ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin \mathrm{\λ}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}(k+1)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ {\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}(k+1)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})\end{array}\right.,$

其中ψ_s2α(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψ_s2β(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量，ψ_s2α(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψ_s2β(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量；则悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量即悬浮绕组磁链α轴矢量差Δψ_s2α、悬浮绕组磁链β轴矢量差Δψ_s2β为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}={\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}(k+1)-{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ =\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})-\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos \mathrm{\λ}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}={\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}(k+1)-{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ =\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})-\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin \mathrm{\λ}\end{array}\right.;$

1)采用所述悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量代入合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量得到合成悬浮力的矢量差与悬浮绕组磁链矢量差的关系式为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\α}}\\ \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=k_F\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\μ}& \sin \mathrm{\μ}\\ -\sin \mathrm{\μ}& \cos \mathrm{\μ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\end{array}\right].$

所述悬浮绕组定子磁链幅值与相位计算模块将转矩绕组的三相电压和三相电流经过3/2变换转换为α，β坐标下的电压和电流U_α、U_β，I_α、I_β，再由：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}=\∫(U_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{RI}}_{\mathrm{\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}=\∫(U_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{RI}}_{\mathrm{\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.,$ $\mathrm{\λ}=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}},$ $\left|{\mathrm{\ψ}}_{s2}\right|=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}}^2}$ 计算出αβ坐标系下的悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ，R为转矩绕组电阻，悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|包括α轴的转矩绕组定子磁链幅值和β轴的转矩绕组定子磁链幅值。

所述转矩系统控制模块将转矩绕组的三相电压和三相电流经过3/2变换转换为α，β坐标下的电压和电流U_α1、U_β1，I_α1、I_β1，再由：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s1\mathrm{\α}}=\∫(U_{\mathrm{\α}}-{R_{1}I}_{\mathrm{\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s1\mathrm{\β}}=\∫(U_{\mathrm{\β}}-{R_{1}I}_{\mathrm{\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.,$ R₁为悬浮绕组电阻，将αβ坐标系下的转矩绕组定子磁链减去漏磁链得到转矩绕组的气隙磁链 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{m1\mathrm{\α}}={\mathrm{\ψ}}_{s1\mathrm{\α}}-l_{\mathrm{s\σ}}{I}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{m1\mathrm{\β}}={\mathrm{\ψ}}_{s1\mathrm{\β}}-l_{\mathrm{s\σ}}{I}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.,$ (l_sσ为漏电感)， $\mathrm{\μ}=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{m1\mathrm{\α}}}{{\mathrm{\ψ}}_{m1\mathrm{\β}}},$ $\left|{\mathrm{\ψ}}_{m1}\right|=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{m1\mathrm{\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{m1\mathrm{\β}}}^2}$ 计算出αβ坐标系下的转矩绕组定子磁链幅值|ψ_m1|与相位μ。

本发明在保持转矩绕组合成气隙磁链近似恒定的同时，通过适当选择逆变器的开关状态来控制悬浮绕组定子磁链空间矢量的幅值与方向，控制无轴承永磁同步电机悬浮力的大小和方向。

本发明的工作原理是通过位移传感器检测出转子的实时位移信号，经过位移环PID的调节作用得到控制所需的悬浮力给定，与直接悬浮力估算模块计算所得的反馈力作差，得到需要的悬浮力的矢量差，再通过直接悬浮力计算模块计算出悬浮绕组所需要的磁链矢量，并通过基本空间电压矢量(SVPWM)算法得到逆变器的开关信号来合成所需的磁链，从而实现悬浮力的快速准确控制和电机的稳定悬浮。

如图2、图3所示。根据用磁链表达的悬浮力数学模型，悬浮力可以看做一个幅值大小为k_Mψ_m1ψ_s2，以悬浮绕组磁链ψ_s2与转矩绕组合成气隙磁链ψ_m1的夹角即λ-μ角度旋转的空间矢量。当转矩负载恒定且稳态运行时，转矩绕组合成气隙磁链ψ_m1的幅值及定、转子磁链夹角δ基本保持恒定不变，则悬浮力的控制可以通过调节悬浮绕组磁链ψ_s2的幅值大小和相位来实现。

Claims (1)

1.一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，其特征在于采用X轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的横向实时位移信号x，采用Y轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的纵向实时位移信号y，将所述横向实时位移信号x和给定的永磁型无轴承电机转子的横向参考位移信号x^*经过x方向位置环得到横向位移差Δx，将所述纵向实时位移信号y和给定的永磁型无轴承电机转子的纵向参考位移信号y^*经过y方向位置环得到纵向位移差Δy，将所述横向位移差Δx经过PID1调节器得到给定的α轴悬浮力

将所述纵向位移差Δy经过PID2调节器得到给定的β轴悬浮力

采用悬浮绕组定子磁链幅值与相位计算模块检测永磁型无轴承电机的三相输入电流和三相输入电压即A相电流Ia、A相电压Ua，B相电流Ib、B相电压Ub，C相电流Ic、C相电压Uc，输出悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ；采用转矩控制系统输出转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψ_m1|和相角μ；将所述悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ和转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψ_m1|和相角μ经过悬浮力估算模块得到反馈的α轴悬浮力F_α和反馈的β轴悬浮力F_β；将所述给定的α轴悬浮力与反馈的α轴悬浮力F_α经过x方向力环得到α轴的悬浮力矢量差ΔF_α，将所述给定的β轴悬浮力

与反馈的β轴悬浮力F_β经过y方向力环得到β轴悬浮力矢量差ΔF_β，将所述α轴悬浮力矢量差ΔF_α、β轴的悬浮力矢量差ΔF_β和转矩绕组合成气隙磁链的相角μ经过直接悬浮力计算模块得到悬浮绕组磁链矢量差，将所述悬浮绕组磁链矢量差经过空间电压矢量模块SVM得到功率变换器的三相开关信号，将功率变换器的三相开关信号经过功率变换器VSI得到永磁型无轴承电机的三相驱动电流和电压即永磁型无轴承电机悬浮绕组的三相输入电流和三相输入电压；其中直接悬浮力计算模块的构建包括如下步骤：

a)构建磁链表达的悬浮力数学模型： $\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}=k_M{\mathrm{\ψ}}_{m1}{\mathrm{\ψ}}_{s2}\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ F_{\mathrm{\β}}=k_M{\mathrm{\ψ}}_{m1}{\mathrm{\ψ}}_{s2}\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.$ 其中k_M为悬浮力常量，ψ_s2为悬浮控制绕组定子磁链；

b)构建悬浮力矢量模型：当永磁同步电动机的磁路是线性的，参数不随温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子为无阻尼绕组，保持转矩绕组气隙磁链恒定，得到当前时刻k和下一时刻k+1的合成悬浮力矢量在αβ坐标系下的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)=\left|\stackrel{\→}{F}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})=k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ F_{\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left|\stackrel{\→}{F}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})=k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}(k+1)=\left|\stackrel{\→}{F}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\cos \mathrm{\Δ\θ}-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\sin \mathrm{\Δ\θ}\\ F_{\mathrm{\β}}(k+1)=\left|\stackrel{\→}{F}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\cos \mathrm{\Δ\θ}+k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\sin \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right.,$

式中的k_F为悬浮力系数，Δθ为悬浮力变化的方向角，

为当前时刻k的悬浮力，

为下一时刻k+1的悬浮力，

为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮力的矢量差，

为当前时刻k的悬浮绕组磁链，

为下一时刻k+1的悬浮绕组磁链，

为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量差；则合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\α}}=F_{\mathrm{\α}}(k+1)-F_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\β}}=F_{\mathrm{\β}}(k+1)-F_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ =k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\Δ\θ})-k_F\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.;$

c)构建悬浮绕组磁链矢量模型：当前时刻k和下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在αβ坐标系下的分量为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\left(k\right)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos \mathrm{\λ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin \mathrm{\λ}\end{array}\right.,$    $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}(k+1)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ {\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}(k+1)=\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})\end{array}\right.,$

其中ψ_s2α(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψ_s2β(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量，ψ_s2α(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψ_s2β(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量；则悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量即悬浮绕组磁链α轴矢量差Δψ_s2α、悬浮绕组磁链β轴矢量差Δψ_s2β为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}={\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}(k+1)-{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ =\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\cos (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})-\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\cos \mathrm{\λ}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}={\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}(k+1)-{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ =\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}(k+1)\right|\sin (\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\θ})-\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_{s2}\left(k\right)\right|\sin \mathrm{\λ}\end{array}\right.;$

d)采用所述悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量代入合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量得到合成悬浮力的矢量差与悬浮绕组磁链矢量差的关系为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\α}}\\ \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=k_F\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\μ}& \sin \mathrm{\μ}\\ -\sin \mathrm{\μ}& \cos \mathrm{\μ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\end{array}\right].$

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