CN102594247B

CN102594247B - 轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统

Info

Publication number: CN102594247B
Application number: CN201210057314.6A
Authority: CN
Inventors: 许伟跃; 戚振亚; 仇志坚
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: CN102594247A

Abstract

本发明涉及一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统。本发明针对轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，提出了由径向悬浮力控制、轴向悬浮力控制和电磁转矩控制三套控制子系统构成的控制方案，可以实现轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的电磁转矩、径向悬浮力、轴向悬浮力的控制。该新型电机及其控制方法可以用于高速和超高速主轴电机、航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊电力传动领域，特别是需要无机械接触、无摩擦与磨损、无需润滑与密封的真空技术、超洁净领域等场合。

Description

轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统

技术领域

本发明涉及一种电力传动控制设备技术领域中的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，适用于高速和超高速主轴电机、航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊电力传动领域，特别是需要无机械接触、无摩擦与磨损、无需润滑与密封的真空技术、超洁净领域等场合。

背景技术

高速电机的无轴承技术将电机转矩输出和转子电磁悬浮支撑功能集成于一体，不但继承了磁轴承支撑电机的无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声、高速度、高精度、长寿命等优良特性，而且具有体积小、轴向空间利用率高、电能消耗小等优点，适用于各种高速领域。

轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机是在两自由度无轴承交替极永磁电机基础上增加了一套轴向悬浮力控制绕组，同时以电机转子本体作为轴向与径向悬浮磁链的闭合通路，以电机转子自身的永磁体磁场作为径向、轴向悬浮共同的偏置磁场，省去了原永磁偏置轴向磁轴承中必需的磁轴承转子和偏置永磁体环，结构更加紧凑。在解决传统无轴承永磁同步电机存在的控磁能力差，可控悬浮力小，永磁体易退磁及悬浮力与转矩控制相互耦合等问题的同时，集多自由度悬浮功能与电机旋转功能于一体，简化了电机系统的机械结构，降低了整个系统体积与成本。

但是，由于轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机比传统的两自由度无轴承交替极永磁电机多了一套轴向悬浮控制绕组，电机气隙内共有永磁体磁场、电磁转矩绕组磁场、径向悬浮力绕组磁场以及轴向悬浮力绕组磁场四个磁场相互叠加，使得这种新型电机的气隙磁场更加复杂，在对其进行控制时，需要同时控制三套绕组，同时又要保证足够的控制精度，因此在控制上要求比较高。此外，还要解决三个自由度之间的耦合问题，因此针对这种新型的无轴承电机，需要寻求一种性能更为优越的控制系统。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，实现轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的电磁转矩、径向悬浮力、轴向悬浮力的控制，获得良好的悬浮调节特性以及转矩、速度调节等各项控制性能指标。

实现上述目的的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统主要包括：一套电磁转矩控制系统，用于控制电机输出转矩，实现调速等功能；一套径向悬浮力控制系统，用于控制电机的径向悬浮；一套轴向悬浮力控制系统，用于控制电机的轴向悬浮。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，包括受控的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，其特征在于：由一个径向悬浮力控制子系统、一个轴向悬浮力控制子系统和一个电磁转矩控制子系统连接所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机构成，其中所述径向悬浮力控制子系统包括一个第一DSP控制器、一个第一光耦隔离、一个第一IPM智能功率模块、一个第一位移传感器和一个第一电流传感器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机经第一位移传感器和第一电流传感器连接第一DSP控制器，第一DSP控制器经第一光耦隔离和第一IPM智能功率模块连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机；所述位移传感器检测出转子径向位移偏移量经位置负反馈，采用第一DSP控制器运算和处理，控制第一IPM智能功率模块输出对应的悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布，从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力。

所述轴向悬浮力控制子系统包括一个开关功放、一个第二位移传感器、一个第三电流传感器和一个第三DSP控制器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机和第三DSP控制器分别连接开关功放、第二位移传感器和第三电流传感器；所述第二位移传感器检测出转子轴向位移偏移量经位置负反馈，采用第三DSP控制器运算和处理得到所需的控制信号，通过开关功放将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布，从而产生一个轴向的磁拉力。

所述电磁转矩控制子系统包括一个光电编码器，一个第二电流传感器，一个第二IPM智能功率模块、一个第二光耦隔离和一个第二DSP控制器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机经光电编码器和第二电流传感器连接第二DSP控制器，第二DSP控制器经第二光耦隔离和第二IPM智能功率模块连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机；所述光电编码器检测出电机转速信号经速度负反馈，采用第二DSP控制器运算和处理，控制第二IPM智能功率模块输出对应的转矩控制电流，从而控制电机的输出转矩。

本发明的工作原理是：对于电磁转矩的控制，通过光电编码器检测出转子的速度，经速度负反馈与速度给定值比较作为速度调节器的输入，速度调节器输出通过逆变器控制三相转矩电流，从而产生所需的电磁转矩。对于径向方向的两自由度悬浮，通过径向位移传感器检测出转子径向位移偏移量，经位置负反馈与径向位置给定值比较作为位置调节器的输入，位置调节器输出通过逆变器调节径向悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布，从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力，实现电机径向的两自由度悬浮。对于轴向方向的悬浮，通过轴向位移传感器检测出转子轴向位移偏移量，经位置负反馈与轴向位置给定值比较后输入控制器，控制器将位移信号变换成控制信号，然后通过功率放大器将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布，产生一个轴向的磁拉力，从而实现电机轴向的悬浮。

本发明的优点在于：

1. 将电磁转矩、径向悬浮力和轴向悬浮力三套控制系统集成到一套控制系统中，提高了系统集成度，有利于开发小体积、高集成的控制系统。

2. 径向悬浮采用的交替极无轴承永磁电机控磁容易，无普通无轴承永磁电机转矩与悬浮力折中的矛盾，悬浮电流小，因此，控制系统结构简单，功耗降低，成本下降。

3. 轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机具备固有的径向悬浮与轴向悬浮解耦、悬浮控制与转矩控制解耦特性，悬浮控制模型简单，大大降低了控制系统的复杂程度。

4. 电磁转矩控制和径向悬浮力控制采用三相功率逆变电路，轴向悬浮力控制采用开关功率放大器，使得轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制方法简单，结构紧凑，功耗降低，成本下降，摆脱了传统磁轴承支承的电机控制系统复杂，功率放大器体积大、成本高等缺陷。

5. 轴向悬浮采用永磁偏置，减小了开关功率放大器的体积和功耗，降低了制造成本。

本发明构造的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，实现了电机转矩控制与转子轴向、径向悬浮力控制于一体，结构简单，集成度高，功耗小，成本低，在高速电机的无轴承技术领域中具有广阔的应用前景和应用价值。

附图说明

图1是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统的工作原理图。

图2是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统结构框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，本轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，包括受控的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25），其特征在于：由一个径向悬浮力控制子系统（35）、一个轴向悬浮力控制子系统（37）和一个电磁转矩控制子系统（36）连接所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）构成，其中所述径向悬浮力控制子系统（35）包括一个第一DSP控制器（20）、一个第一光耦隔离（21）、一个第一IPM智能功率模块（22）、一个第一位移传感器（23）和一个第一电流传感器（24），所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）经第一位移传感器（23）和第一电流传感器（24）连接第一DSP控制器（20），第一DSP控制器（20）经第一光耦隔离（21）和第一IPM智能功率模块（22）连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）；所述位移传感器（23）检测出转子径向位移偏移量经位置负反馈，采用第一DSP控制器（20）运算和处理，控制第一IPM智能功率模块（22）输出对应的悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布，从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述轴向悬浮力控制子系统（37）包括一个开关功放（32）、一个第二位移传感器（33）、一个第三电流传感器（34）和一个第三DSP控制器（31），所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）和第三DSP控制器（31）分别连接开关功放（32）、第二位移传感器（33）和第三电流传感器（34）；所述第二位移传感器（33）检测出转子轴向位移偏移量经位置负反馈，采用第三DSP控制器（31）运算和处理得到所需的控制信号，通过开关功放（32）将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布，从而产生一个轴向的磁拉力。所述电磁转矩控制子系统（36）包括一个光电编码器（29），一个第二电流传感器（30），一个第二IPM智能功率模块（28）、一个第二光耦隔离（27）和一个第二DSP控制器（26），所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）经光电编码器（29）和第二电流传感器（30）连接第二DSP控制器（26），第二DSP控制器（26）经第二光耦隔离（27）和第二IPM智能功率模块（28）连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）；所述光电编码器（29）检测出电机转速信号经速度负反馈，采用第二DSP控制器（26）运算和处理，控制第二IPM智能功率模块（28）输出对应的转矩控制电流，从而控制电机的输出转矩。

本实施例的工作方式是：基于轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，分别构建径向悬浮力控制、轴向悬浮力控制和电磁转矩控制三套子系统，并将三套子系统结合到一套控制系统中。具体工作方式如下：

1.对于电磁转矩控制子系统（36），构建由速度PI调节器、2/3旋转变换环节、CRPWM电流跟随型逆变器、光电编码器以及积分器组成的转矩控制系统，采用i_d=0的矢量控制方式。具体控制流程如下：在第二DSP控制器（26）中将光电编码器（29）检测到的转子速度ω与速度给定值ω^*进行比较，得到的速度偏差经过速度PI调节器（12）运算和处理，输出转矩电流分量参考值i_1q ^*，电流参考值i_1d ^*和i_1q ^*经过2/3旋转变换（13）（其中旋转变换所需的转子位置角θ由转速ω经积分器（15）积分得到）得到三相电流给定值i_1A ^*、i_1B ^*、i_1C ^*，通过CRPWM电流跟随型逆变器（14）将三相电流参考值放大到所需的三相转矩控制电流i_1A、i_1B、i_1C通入电机转矩绕组，从而实现电机的转矩控制。硬件实现采用第二DSP控制器（26）作为主控芯片，将光电编码器（29）采集的转速信号和电流传感器（30）采集的电流信号送入第二DSP控制器（26）进行运算和处理，输出的六路PWM信号经第二光耦隔离（27）隔离后送入第二IPM智能功率模块（28）产生三相转矩控制电流。

2.对于径向悬浮力控制子系统（35），构建由两个位移PID调节器、2/3变换环节、CRPWM电流跟随型逆变器以及两个位移传感器组成的径向悬浮力控制系统，径向悬浮力数学模型为

式中，和分别为x方向和y方向的悬浮力，为真空磁导率，g为径向气隙长度，为永磁体厚度，为转子外径，为永磁体产生的气隙磁动势幅值，为x方向悬浮绕组在气隙中产生的磁动势基波幅值，为y方向悬浮绕组在气隙中产生的磁动势基波幅值，为极对数，为永磁体磁极弧度角。

径向悬浮力控制子系统具体的控制流程如下：通过第一位移传感器（23）的两个径向位移传感器检测出转子径向位移偏移量x、y，在第一DSP控制器（20）中经位置负反馈与位移给定值x^*、y^*比较，得到的位移偏差送入位移PID调节器（5、6）运算和处理，输出电流参考值i_2x ^*和i_2y ^*，通过2/3变换环节（7）变换得到三相电流参考值i_2A ^*、i_2B ^*、i_2C ^*，经CRPWM电流跟随型逆变器（8）放大得到所需径向悬浮力控制电流，通入到径向悬浮绕组中，从而改变电机旋转磁场的对称分布，在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力，实现电机径向的两自由度悬浮。硬件实现采用第一DSP控制器（20）作为主控芯片，将第一位移传感器（23）采集的位移信号和第一电流传感器（24）采集的电流信号送入第一DSP控制器（20）进行运算和处理，输出的六路PWM信号经第一光耦隔离（21）隔离后送入第一IPM智能功率模块（22）产生三相径向悬浮力控制电流。

3.对于轴向悬浮力控制子系统（37），构建由控制器、开关功率放大器和位移传感器组成的轴向悬浮力控制系统，轴向悬浮力数学模型为

式中，为轴向悬浮力，为真空磁导率，g为轴向气隙长度，为永磁体产生的气隙磁动势，S为轴向磁极面积，N为线圈匝数，为轴向向右偏移量，为控制电流，为位移刚度，为电流刚度。

当转子位于轴向中间平衡位置时，由于转子结构的对称性，转子永磁体产生的同极性磁场在转子轴向的气隙左右两侧处是相等的，此时所产生的磁拉力互相平衡。若转子此时受到一个轴向向右的外扰力，转子就会偏离平衡位置向右运动，造成转子永磁体在轴向左右气隙处产生的磁场发生变化，即左面气隙增大，磁场减小；右面气隙减小，磁场增大，使得左右两侧的磁拉力不再平衡。此时第二位移传感器（33）检测出转子轴向偏离的位移量z，在第三DSP控制器（31）中经位置负反馈与位移给定值z^*比较，得到的位移偏差量送入位移PID调节器（9）运算和处理，得到的电流参考值i_3z ^*，该电流参考值与第三电流传感器（34）检测的电流进行比较后送入控制器（10），控制器运算和处理得到控制电流信号，控制电流信号经开关功放（32）驱动放大成所需的轴向悬浮力控制电流i_3z，在轴向悬浮绕组中通入该电流产生轴向控制磁场，这个磁场与轴向气隙中转子永磁体磁场叠加，使转子左侧气隙中的磁场增加，右侧气隙中的磁场减小，产生一个向左的磁拉力将转子拉回平衡位置。若受到轴向向左的外扰力，亦然。硬件实现采用第三DSP控制器（31）作为主控芯片，将第二位移传感器（33）和第三电流传感器（34）采集的位移信号和电流信号送入第三DSP控制器（31）进行运算和处理，输出的电流控制信号给开关功放（32）得到所需的轴向悬浮力控制电流。

Claims

1.一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，包括受控的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25），其特征在于：由一个径向悬浮力控制子系统（35）、一个轴向悬浮力控制子系统（37）和一个电磁转矩控制子系统（36）连接所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）构成，其中所述径向悬浮力控制子系统（35）包括一个第一DSP控制器（20）、一个第一光耦隔离（21）、一个第一IPM智能功率模块（22）、一个第一位移传感器（23）和一个第一电流传感器（24），所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）经第一位移传感器（23）和第一电流传感器（24）连接第一DSP控制器（20），第一DSP控制器（20）经第一光耦隔离（21）和第一IPM智能功率模块（22）连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）；所述位移传感器（23）检测出转子径向位移偏移量经位置负反馈，采用第一DSP控制器（20）运算和处理，控制第一IPM智能功率模块（22）输出对应的悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布，从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力；

所述轴向悬浮力控制子系统（37）包括一个开关功放（32）、一个第二位移传感器（33）、一个第三电流传感器（34）和一个第三DSP控制器（31），所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）和第三DSP控制器（31）分别连接开关功放（32）、第二位移传感器（33）和第三电流传感器（34）；所述第二位移传感器（33）检测出转子轴向位移偏移量经位置负反馈，采用第三DSP控制器（31）运算和处理得到所需的控制信号，通过开关功放（32）将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布，从而产生一个轴向的磁拉力。

2.根据权利要求1所述的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，其特征在于：所述电磁转矩控制子系统（36）包括一个光电编码器（29），一个第二电流传感器（30），一个第二IPM智能功率模块（28）、一个第二光耦隔离（27）和一个第二DSP控制器（26），所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）经光电编码器（29）和第二电流传感器（30）连接第二DSP控制器（26），第二DSP控制器（26）经第二光耦隔离（27）和第二IPM智能功率模块（28）连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机（25）；所述光电编码器（29）检测出电机转速信号经速度负反馈，采用第二DSP控制器（26）运算和处理，控制第二IPM智能功率模块（28）输出对应的转矩控制电流，从而控制电机的输出转矩。