CN102082544A - 无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法，由两个PI控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、参考磁链生成模块和空间矢量脉宽调制模块组成带有转速和转矩双闭环的直接转矩控制器，由两个PID控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、悬浮力绕组磁链观测器、悬浮力估算模块、力/磁链转换模块和空间矢量脉宽调制模块组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制器，由直接转矩控制器和悬浮力直接控制器共同构成无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器，对电机转矩和径向悬浮力进行独立控制，确保电机转子稳定悬浮和运行，获得优良的电机运行性能。
Description
技术领域
本发明涉及应用于高速超高速数控机床、涡轮分子泵、离心机、压缩机、机电贮能、航空航天等特殊电气传动领域中的无轴承同步磁阻电机，尤其涉及无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法，对无轴承同步磁阻电机进行高性能控制。
背景技术
无轴承同步磁阻电机是一种多变量、非线性、强耦合的被控对象，其径向位置、转速难以通过外加的信号准确地控制。若要实现电机转子稳定悬浮和运行，必须对电机转矩力和悬浮力进行解耦控制。
目前，无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力解耦控制主要采用开关频率高、容量利用率不高的电流跟踪型逆变器，采用矢量控制，系统过多依赖于复杂的电机参数和矢量坐标变换，对悬浮力的控制处于开环状态，限制了悬浮力控制的精度和动态响应性能，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种既可使无轴承同步磁阻电机实现转矩与悬浮力动态解耦，又使无轴承同步磁阻电机具有优良的动、静态控制性能和抗电机参数变化及抗负载扰动能力的无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器。
本发明的另一目的是提供上述直接控制器的构造方法，进一步提高无轴承同步磁阻电机的动态工作性能，更好地实现无轴承同步磁阻电机的转矩和径向悬浮力的解耦控制。
本发明无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器采用技术方案是：由直接转矩控制器和悬浮力直接控制器组成，直接转矩控制器由转矩绕组磁链和转矩观测器及依次串接的两个PI控制器、参考磁链生成模块、空间矢量脉宽调制模块组成；空间矢量脉宽调制模块经外部的电压源逆变器接入无轴承同步磁阻电机，转矩绕组磁链和转矩观测器的输入连接无轴承同步磁阻电机，输出分别连接一PI控制器、参考磁链生成模块和悬浮力直接控制器中的悬浮力估算模型；所述悬浮力直接控制器由两个PID控制器、悬浮力绕组磁链观测器、悬浮力估算模块、力/磁链转换模块和空间矢量脉宽调制模块组成，两PID控制器并接后通过力/磁链转换模块串接空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块通过外部的电压源逆变器连接无轴承同步磁阻电机，悬浮力估算模块串接在力/磁链转换模块和悬浮力绕组磁链观测器之间，悬浮力绕组磁链观测器直接连接外部的无轴承同步磁阻电机。
本发明无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器的构造方法是采用如下步骤：1）构造由两个PI控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、参考磁链生成模块和空间矢量脉宽调制模块组成的带有转速和转矩双闭环的直接转矩控制器，首先采用转矩绕组磁链和转矩观测器来获取直接转矩控制所需的转矩绕组磁链和转矩信息，然后将所观测的转矩绕组实时磁链和转矩信息应用于直接转矩控制器，生成转矩绕组控制电压源逆变器开关信号以驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行直接控制；2）构造由两个PID控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、悬浮力绕组磁链观测器、悬浮力估算模块、力/磁链转换模块和空间矢量脉宽调制模块组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制器，首先采用悬浮力绕组磁链观测器来获取悬浮力绕组磁链信息，然后由悬浮力估算模块根据转矩绕组和悬浮力绕组磁链在线计算出悬浮力；由悬浮力直接控制器直接生成悬浮力绕组控制电压源逆变器开关信号以驱动逆变器对转子径向悬浮力进行直接控制；3）由直接转矩控制器和悬浮力直接控制器共同构成无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器，对电机转矩和径向悬浮力进行独立控制。
本发明的优点在于：
1．实现无轴承同步磁阻电机的转矩和转子径向悬浮力直接独立控制，将无轴承同步磁阻电机系统的转矩和转子径向悬浮力控制问题转化为简单的直接转矩控制和直接悬浮力控制两个直接控制子系统的独立控制问题，容易实现电机转矩和悬浮力之间的独立控制，确保电机转子稳定悬浮和运行，获得优良的电机运行性能。
2．用转矩和悬浮力直接控制方法来实现无轴承同步磁阻电机高性能控制，具有控制结构简单，转速响应快，优良的动静态性能，对电机参数表现出强的鲁棒性，完全克服了传统矢量控制过多依赖于电机参数、复杂的矢量坐标变换、电流跟踪型逆变器开关频率高和逆变器容量利用率不高的缺点，也克服了处于开环状态的悬浮力矢量控制对悬浮力控制精度和动态响应性能的限制。
3．本发明改变无轴承同步磁阻电机采用矢量控制的策略，提高了无轴承同步磁阻电机控制性能，而且可推广到其它无轴承电机控制系统，在其它类型的无轴承电机中也具有参考应用价值。
附图说明
图1是由直接转矩控制器20和悬浮力直接控制器40组成的转矩和悬浮力直接控制器50的原理框图；
图2是由坐标变换11、转矩绕组电压计算模块12、转矩绕组磁链观测模型13以及转矩观测模型14组成的转矩绕组磁链和转矩观测器10的原理图；
图3是由两个PI控制器24、25、转矩绕组磁链和转矩观测器10、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块 22组成的直接转矩控制器20的原理图；
图4是由坐标变换31、悬浮力绕组电压计算模块32和悬浮力绕组磁链观测模型33组成的悬浮力绕组磁链观测器30的原理图及悬浮力估算模型34的原理图；
图5是由两个PID控制器43、44、转矩绕组磁链和转矩观测器10、悬浮力绕组磁链观测器30、悬浮力估算模型34、力/磁链转换模块41和空间矢量脉宽调制模块42组成的悬浮力直接控制器40的原理图；
图6是采用单DSP作为转矩和悬浮力直接控制器50实现的硬件结构示意图；
图7是采用DSP作为转矩和悬浮力直接控制器50实现的系统软件框图。
具体实施方式
如图1，本发明无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器50由直接转矩控制器20和悬浮力直接控制器40组成。其中，直接转矩控制器20由两个PI控制器24、25、转矩绕组磁链和转矩观测器10、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块22组成；两个PI控制器24、25、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块22依次串接，空间矢量脉宽调制模块22连接外部的电压源逆变器15，电压源逆变器15接入无轴承同步磁阻电机。转矩绕组磁链和转矩观测器10的输入连接无轴承同步磁阻电机，输出分别连接PI控制器25、参考磁链生成模块21和悬浮力直接控制器40中的悬浮力估算模型34。转矩和悬浮力直接控制器50外部的光电编码器23连接无轴承同步磁阻电机，用于检测无轴承同步磁阻电机的实时转速w。将无轴承同步磁阻电机的转速指令值w * 和实时转速w的比较差值经PI控制器24调节后生成转矩指令值T e * ，T e * 与转矩实时值T e 的比较差值经PI控制器25调节后生成转矩绕组定子磁链相位角增量Dd，然后输入参考磁链生成模块21，根据Dd与转矩绕组定子磁链幅值指令值y s * 及实时磁链幅值y s 和相位q生成电压指令值U a 和U b ，再经空间矢量脉宽调制模块22调制后生成电压源逆变器15开关信息，驱动逆变器实现无轴承同步磁阻电机直接转矩控制。
悬浮力直接控制器40由两个PID控制器43、44、悬浮力绕组磁链观测器30、悬浮力估算模块34、力/磁链转换模块41和空间矢量脉宽调制模块42组成。PID控制器43、44并接后通过力/磁链转换模块41串接空间矢量脉宽调制模块42，空间矢量脉宽调制模块42连接外部的电压源逆变器35。悬浮力估算模块34串接在力/磁链转换模块41和悬浮力绕组磁链观测器30之间，悬浮力绕组磁链观测器30连接外部的无轴承同步磁阻电机。由悬浮力估算模块34计算出悬浮力静止坐标分量F a 和F b 。 转子位置指令值x * 和y * 分别与传感器获得的位移值x和y的比较差值分别经PID控制器43、44调制后生成悬浮力指令值F a * 和F b * ，然后F a * 和F b * 分别与F a 和F b 的比较差值经力/磁链转换模块41生成悬浮力绕组磁链增量，再经空间矢量脉宽调制模块42调制后得到电压源逆变器35开关信息，驱动逆变器实现无轴承同步磁阻电机悬浮力直接控制。
本发明无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器50是基于无轴承同步磁阻电机样机本体构造的，将转矩和悬浮力直接控制系统等效为转矩直接控制和悬浮力直接控制两个子系统。对于转矩直接控制子系统，构造由两个PI控制器24、25、转矩绕组磁链和转矩观测器10、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块22组成的带有转速和转矩双闭环的直接转矩控制器20，首先采用转矩绕组磁链和转矩观测器10来获取直接转矩控制所需的转矩绕组磁链和转矩信息；然后将所观测的转矩绕组实时磁链和转矩信息应用于直接转矩控制器20，生成转矩绕组控制电压源逆变器15开关信号，驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行直接控制。对于悬浮力直接控制子系统，构造由两个PID控制器43、44、转矩绕组磁链和转矩观测器10、悬浮力绕组磁链观测器30、悬浮力估算模块34、力/磁链转换模块41和空间矢量脉宽调制模块42组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制子系统，首先采用悬浮力绕组磁链观测器30来获取悬浮力绕组磁链信息；然后由悬浮力估算模块34根据转矩绕组和悬浮力绕组磁链在线计算出悬浮力；在此基础上，由悬浮力直接控制器40直接生成悬浮力绕组控制电压源逆变器35开关信号，驱动逆变器对转子径向悬浮力进行直接控制。由直接转矩控制器20和悬浮力直接控制器40共同构成无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器50，对电机转矩和径向悬浮力进行独立控制。具体的构造方法分以下5步：
1．如图2所示，构造转矩绕组磁链和转矩观测器10，将无轴承同步磁阻电机分别连接转矩绕组磁链和转矩观测器10和电压源逆变器15，转矩绕组磁链和转矩观测器10由电流Clark坐标变换11、转矩绕组电压计算模块12、转矩绕组磁链观测模型13和转矩观测模型14构造。转矩绕组磁链和转矩观测器10的输入为电机转矩绕组定子相电流i 1a 、i 1b 、电压源逆变器15的直流电压U DC及其开关状态，通过转矩绕组定子磁链估计公式为 
与
，输出为转矩绕组定子磁链幅值y s 和相位q，通过转矩绕组气隙磁链公式
与
，输出为转矩绕组气隙磁链幅值y m1和相位m，以及通过转矩估计公式
输出转矩实时值T e 。磁链幅值y s 及相位q将用于参考磁链生成模块21，气隙磁链幅值y m1及相位m将用于转子径向悬浮力估算，转矩实时值T e 将作为转矩闭环控制的反馈量。转矩绕组磁链和转矩观测器10是直接转矩控制器的一个组成部分。
2．如图3所示，构造直接转矩控制器20，直接转矩控制器20由两个PI控制器24、25、转矩绕组磁链和转矩观测器10、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块22构造。转矩绕组磁链和转矩观测器10在线计算出转矩绕组定子磁链幅值y s 和相位q及电机转矩T e 。首先转速指令值w * 和实时转速w的比较差值输入PI控制器24，经PI控制器24调节后生成转矩指令值T e * ，将转矩指令值T e * 与转矩实时值T e 的比较差值输入PI控制器25，经PI控制器25调节后生成转矩绕组定子磁链相位角增量Dd，然后将Dd与转矩绕组定子磁链幅值指令值y s * 及实时磁链幅值y s 和相位q输入参考磁链生成模块21，由参考磁链生成模块21生成电压指令值U a 和U b ，再输入空间矢量脉宽调制模块22，经调制后输入电压源逆变器15，生成开关信息，驱动逆变器实现无轴承同步磁阻电机直接转矩控制。无轴承同步磁阻电机连接光电编码器23，由光电编码器23实时检测无轴承同步磁阻电机的实时转速w。
3. 如图4所示，构造悬浮力绕组磁链观测器30及悬浮力估算模型34。将电压源逆变器35和悬浮力绕组磁链观测器30分别连接无轴承同步磁阻电机。其中，悬浮力绕组磁链观测器30由电流Clark坐标变换31、悬浮力绕组电压计算模块32和悬浮力绕组磁链观测模型33组成。悬浮力绕组磁链观测器30的输入为电机悬浮力绕组定子相电流i 2a 、i 2b ，电压源逆变器35直流电压U DC和其开关状态，通过悬浮力绕组定子磁链公式为
与
，输出为悬浮力绕组磁链幅值y s2及相位l。磁链幅值y s2及相位l与转矩绕组气隙磁链幅值y m1和相位m输入根据无轴承电机转子径向悬浮力公式
构造悬浮力估算模型34，其中k M1，k M2为悬浮力常数，在线计算出径向悬浮力F a 、F b ，作为悬浮力闭环控制的反馈量。悬浮力绕组磁链观测器33及悬浮力估算模型34将作为悬浮力直接控制器40的组成部分。
4．如图5所示，构造悬浮力直接控制器40，悬浮力直接控制器40由两个PID控制器43、44、转矩绕组磁链和转矩观测器10、悬浮力绕组磁链观测器40、悬浮力估算模块34、力/磁链转换模块41和空间矢量脉宽调制模块42构造。悬浮力估算模型34计算出悬浮力静止坐标分量F a 和F b 。，转子位置指令值x * 和y * 分别与传感器获得的位移值x和y的比较差值分别输入PID控制器43、44，经PID控制器43、44调制后生成悬浮力指令值F a * 和F b * ，然后F a * 和F b * 分别与F a 和F b 的比较差值输入力/磁链转换模块41，经力/磁链转换模块41根据
生成悬浮力绕组磁链增量，再经空间矢量脉宽调制模块42调制后得到电压源逆变器35开关信息，将电压源逆变器35与空间矢量脉宽调制模块42分别连接无轴承同步磁阻电机，驱动逆变器实现无轴承同步磁阻电机悬浮力直接控制。
图6给出了实现本发明的一种具体实施方案的硬件结构示意图，硬件结构由DSP控制器60、直接控制驱动板61、直接控制驱动板62、检测单元63组成。直接驱动板61由整流单元、电压保护、电压检测、电压型逆变器、光耦隔离电路、电流检测电路组成。直接驱动板61的整流单元为电压型逆变器提供直流侧的输入电压，直接驱动板61的电压保护用于限制电压型逆变器直流侧的输入电压，直接驱动板61的电压检测通过DSP控制器60的ADC单元提供无轴承同步磁阻电机转矩绕组的电压反馈信号，直接驱动板61的光耦隔离电路通过DSP控制器60的PWM1输出信号，提供直接驱动板61的电压型逆变器的开关信号，驱动电压型逆变器实现对无轴承同步磁阻电机转矩绕组的直接控制。直接驱动板62由整流单元、电压保护、电压检测、电压型逆变器、光耦隔离电路、电流检测电路组成。直接驱动板62的整流单元为电压型逆变器提供直流侧的输入电压，直接驱动板62的电压保护用于限制电压型逆变器直流侧的输入电压，直接驱动板62的电压检测通过DSP控制器60的ADC单元提供无轴承同步磁阻电机转矩绕组的电压反馈信号，直接驱动板62的光耦隔离电路通过DSP控制器60的PWM2输出信号，提供直接驱动板62的电压型逆变器的开关信号，驱动电压型逆变器实现对无轴承同步磁阻电机悬浮力绕组的直接控制。检测单元63由转速检测，位移检测组成。检测单元63的转速检测单元通过DSP控制器60的QEP单元为转矩直接控制器提供转速的反馈信号，检测单元63的位移检测通过DSP控制器60的ADC单元为转矩直接控制器提供径向位移的反馈信号。
图7给出了无轴承同步磁阻电机转矩与悬浮力控制系统软件实现的流程框图，数字控制系统软件由系统复位、跳转至系统初始化程序入口、禁止所有中断、禁止并清零看门狗、系统初始化、系统配置，变量，常量，软件控制寄存器，各系数初始化、定时器初始化、脉宽调制模块初始化、转子初始定位、正交编码与捕获单元配置、模/数转换(ADC)初始化、主程序循环、中断子程序1、中断子程序2、电机转矩控制SVM输出程序、电机悬浮力控制SVM输出程序组成。其中中断子程序1由转速计算，转速PI控制、读ADC转换结果、电流CLARK变换、电压U s1a ，U s1b 计算、磁链转矩观测、转矩PI控制、参考电压计算组成。主要有主程序模块与中断服务子程序模块构成。中断子程序2由读ADC转换结果、电流CLARK变换、电压U s2a ，U s2b 计算、磁链悬浮力计算、x和y PID计算、DF a DF b 计算、Dy s2a Dy s2b 计算、参考电压计算组成。图7中左边为主程序模块，主要完成初始化、显示初值、循环等待等功能。图7右边为中断服务子程序模块。中断子程序1实现转矩直接控制算法功能，中断子程序2实现悬浮力直接控制算法功能。
Claims (4)
1.一种无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器，由直接转矩控制器（20）和悬浮力直接控制器（40）组成，其特征是：所述直接转矩控制器（20）由转矩绕组磁链和转矩观测器（10）及依次串接的两个PI控制器（24、25）、参考磁链生成模块（21）、空间矢量脉宽调制模块（22）组成；空间矢量脉宽调制模块（22）经外部的电压源逆变器（15）接入无轴承同步磁阻电机，转矩绕组磁链和转矩观测器（10）的输入连接无轴承同步磁阻电机，输出分别连接一PI控制器（25）、参考磁链生成模块（21）和悬浮力直接控制器（40）中的悬浮力估算模型（34）；所述悬浮力直接控制器（40）由两个PID控制器（43、44）、悬浮力绕组磁链观测器（30）、悬浮力估算模块（34）、力/磁链转换模块（41）和空间矢量脉宽调制模块（42）组成，两PID控制器（43、44）并接后通过力/磁链转换模块（41）串接空间矢量脉宽调制模块（42），空间矢量脉宽调制模块（42）通过外部的电压源逆变器（35）连接无轴承同步磁阻电机，悬浮力估算模块（34）串接在力/磁链转换模块（41）和悬浮力绕组磁链观测器（30）之间，悬浮力绕组磁链观测器（30）直接连接外部的无轴承同步磁阻电机。
2.一种如权利要求1所述控制器的构造方法，其特征是采用如下步骤：
1）构造由两个PI控制器（24、25）、转矩绕组磁链和转矩观测器（10）、参考磁链生成模块（21）和空间矢量脉宽调制模块（22）组成的带有转速和转矩双闭环的直接转矩控制器（20），首先采用转矩绕组磁链和转矩观测器（10）来获取直接转矩控制所需的转矩绕组磁链和转矩信息，然后将所观测的转矩绕组实时磁链和转矩信息应用于直接转矩控制器（20），生成转矩绕组控制电压源逆变器（15）开关信号以驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行直接控制；
2）构造由两个PID控制器（43、44）、转矩绕组磁链和转矩观测器（10）、悬浮力绕组磁链观测器（30）、悬浮力估算模块（34）、力/磁链转换模块（41）和空间矢量脉宽调制模块（42）组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制器（40），首先采用悬浮力绕组磁链观测器（30）来获取悬浮力绕组磁链信息，然后由悬浮力估算模块（34）根据转矩绕组和悬浮力绕组磁链在线计算出悬浮力；由悬浮力直接控制器（40）直接生成悬浮力绕组控制电压源逆变器（35）开关信号以驱动逆变器对转子径向悬浮力进行直接控制；
3）由直接转矩控制器（20）和悬浮力直接控制器（40）共同构成无轴承同步磁阻电机转矩和悬浮力直接控制器（50），对电机转矩和径向悬浮力进行独立控制。
3.根据权利要求2所述的构造方法，其特征是具体步骤为：
A、由电流Clark坐标变换（11）、转矩绕组电压计算模块（12）、转矩绕组磁链观测模型（13）和转矩观测模型（14）构造转矩绕组磁链和转矩观测器（10），转矩绕组磁链和转矩观测器（10）的输入为电机转矩绕组定子相电流i 1a 、i 1b 、电压源逆变器（15）的直流电压U DC及其开关状态，输出是用于参考磁链生成模块（21）的转矩绕组定子磁链幅值y s 和相位q 、用于转子径向悬浮力估算的转矩绕组气隙磁链幅值y m1和相位m、用于转矩闭环控制反馈量的转矩实时值T e ；
B、由两个PI控制器（24、25）、转矩绕组磁链和转矩观测器（10）、参考磁链生成模块（21）和空间矢量脉宽调制模块（22）构造直接转矩控制器（20），转矩绕组磁链和转矩观测器（10）在线计算出转矩绕组定子磁链幅值y s 和相位q及电机转矩T e ，先将转速指令值w * 和实时转速w的比较差值输入一PI控制器（24）调节后生成转矩指令值T e * ，将转矩指令值T e * 与转矩实时值T e 的比较差值输入另一PI控制器（25）调节后生成转矩绕组定子磁链相位角增量Dd，再将Dd与转矩绕组定子磁链幅值指令值y s * 及实时磁链幅值y s 和相位q输入参考磁链生成模块（21）生成电压指令值U a 和U b ，再输入空间矢量脉宽调制模块（22）调制后输入电压源逆变器（15）生成开关信息以驱动逆变器实现无轴承同步磁阻电机直接转矩控制；
C、由电流Clark坐标变换（31）、悬浮力绕组电压计算模块（32）和悬浮力绕组磁链观测模型（33）构造悬浮力绕组磁链观测器（30），悬浮力绕组磁链观测器（30）的输入为电机悬浮力绕组定子相电流i 2a 、i 2b ，电压源逆变器（35）直流电压U DC和其开关状态，输出为悬浮力绕组磁链幅值y s2及相位l，磁链幅值y s2及相位l与转矩绕组气隙磁链幅值y m1和相位m输入根据无轴承电机转子径向悬浮力公式构造悬浮力估算模型（34）；
D、由两个PID控制器（43、44）、转矩绕组磁链和转矩观测器（10）、悬浮力绕组磁链观测器（40）、悬浮力估算模块（34）、力/磁链转换模块（41）和空间矢量脉宽调制模块（42）构造悬浮力直接控制器（40），悬浮力估算模型（34）计算出悬浮力静止坐标分量F a 和F b 。
4.，转子位置指令值x * 和y * 分别与传感器获得的位移值x和y的比较差值分别输入两PID控制器（43、44）调制后生成悬浮力指令值F a * 和F b * ，然后F a * 和F b * 分别与F a 和F b 的比较差值输入力/磁链转换模块（41）生成悬浮力绕组磁链增量，再经空间矢量脉宽调制模块（42）调制后得到电压源逆变器（35）开关信息，将电压源逆变器（35）与空间矢量脉宽调制模块（42）分别连接无轴承同步磁阻电机，驱动逆变器实现无轴承同步磁阻电机悬浮力直接控制。
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