CN103414428B - 无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器及其构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器及其构造方法，电机转子偏心位移控制器由转速控制器、转矩绕组气隙磁链估算模块和偏心位移控制器组成，以转速给定值为转速控制器输入，以三相转矩绕组驱动电流、、为输出，以转矩绕组三相相电压、、和相电流，，为转矩绕组气隙磁链估算模块输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为输出，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位、转子位移给定值X*，Y*和转子位置角为偏心位移控制器输入，以三相悬浮力绕组驱动电流、、为输出，构造无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器，使无轴承同步磁阻电机电磁转矩和径向悬浮力之间实现独立控制，有效提高整个系统的控制性能。

Description

无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器及其构造方法

技术领域

本发明涉及一种直接对无轴承同步磁阻电机转子偏心位移进行控制使其达到稳定悬浮和高速旋转的控制器，适用于无轴承同步磁阻电机的高性能控制。无轴承同步磁阻电机在机床电主轴、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具有广泛的应用前景, 属于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

利用电磁轴承支撑无轴承电机的转子，并对转子偏心位移进行精确控制，实现电机的稳定悬浮一直是无轴承电机研究的重点及难点。现有的电机转子稳定悬浮控制方法主要有两种：矢量控制方法和直接悬浮力控制方法，基本上能够实现电机转子径向悬浮力的控制，但这两种控制方法均存在明显的不足：矢量控制方法需要繁琐的坐标变换，增加了控制系统软件和硬件的复杂程度，占用了过多的系统时钟周期；直接悬浮力控制方法则需要对电机转子径向悬浮力进行在线辨识，不但增加了系统硬件设计成本，而且径向悬浮力辨识精度也决定了系统的整体控制性能。

无轴承同步磁阻电机是一种既具有磁轴承优良性能，又兼备同步磁阻电机特点的新型电机。同传统无轴承电机相比，无轴承同步磁阻电机具有诸多优势：转子上无需永磁体和励磁绕组，结构简单，运行可靠，成本低等。由于其能够实现较高的凸极比，还具有高转矩密度、快速动态响应、低转矩脉动、低损耗、高功率因数等优点，更加适合高速及高精度应用领域。为了实现这种电机转子的稳定悬浮与高速旋转，使这种电机能够得到广泛应用并发挥其所具有的独特优势，需要一种能够实现电机转子稳定悬浮且简单可行的悬浮控制器。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、性能可靠的无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器及该控制器的构造方法，提高无轴承同步磁阻电机的悬浮性能指标，使无轴承同步磁阻电机具有更加优良的动、静态控制性能。

 本发明无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器采用的技术方案是：所述偏心位移控制器由转速控制器、转矩绕组气隙磁链估算模块和偏心位移控制器组成，转速控制器由速度闭环调节器、坐标变换、CRPWM逆变器、光电编码器和速度计算模块组成，速度闭环调节器由PI控制器组成，坐标变换由Park逆变换和Clark逆变换组成，速度闭环调节器、坐标变换和第一CRPWM逆变器依次串接，第一CRPWM逆变器输出连接无轴承同步磁阻电机输入，无轴承同步磁阻电机经光电编码器和速度计算模块得到电机转子实际转速；偏心位移控制器由位移闭环调节器、悬浮力绕组电流计算模块、第二CRPWM逆变器、偏心位移传感器和偏心位移计算模块组成；位移闭环调节器、悬浮力绕组电流计算模块和第二CRPWM逆变器依次串接，第二CRPWM逆变器输出连接无轴承同步磁阻电机输入，无轴承同步磁阻电机经偏心位移传感器和偏心位移计算模块得到电机转子实际位移；转矩绕组气隙磁链估算模块由U-I模型磁链观测器和极坐标变换组成。

本发明无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器的构造方法采用的技术方案是：包括以下步骤：

1）用PI控制器作为速度闭环调节器，与由一个Park逆变换和一个Clark逆变换串接组成的坐标变换相串接，光电编码器输出转子位置角                                                ，经过速度计算模块得到转子实际转速，与转速给定值一并输入至速度闭环调节器，由速度闭环调节器得到转矩绕组交轴电流给定值，以转矩绕组交轴电流给定值和转矩绕组直轴电流给定值作为坐标变换输入，得到三相转矩绕组电流命令值、、，经第一CRPWM逆变器得到输入无轴承同步磁阻电机的三相转矩绕组驱动电流、、；

2）U-I模型磁链观测器以三相转矩绕组相电压、、和相电流、、作为输入，经过Clark变换和极坐标变换得到转矩绕组气隙磁链幅值及相位；将两个模糊PID控制组成位移闭环调节器，偏心位移传感器对转子偏心位移进行采集，经过偏心位移计算模块差分处理输出转子实际位移X、Y，位移闭环调节器得到两相静止坐标系下转子稳定悬浮所需的径向悬浮力、；悬浮力绕组电流计算模块以、、、、、六个变量作为输入，为转子偏心角度且，以三相悬浮力绕组电流命令值、、为输出，输入第二CRPWM逆变器得到输入无轴承同步磁阻电机的三相悬浮力绕组驱动电流、、；

3）以转速给定值为转速控制器输入，以三相转矩绕组驱动电流、、为转速控制器输出，以转矩绕组三相相电压、、和相电流，，为转矩绕组气隙磁链估算模块输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为转矩绕组气隙磁链估算模块输出，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位、转子位移给定值X*，Y*和转子位置角为偏心位移控制器输入，以三相悬浮力绕组驱动电流、、为偏心位移控制器输出，构造无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器。

本发明的优点在于：

1．本发明所述无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器将偏心位移传感器检测的转子偏心位移与位移给定值X^*、Y^*进行比较，通过悬浮力绕组电流计算模块直接生成控制偏心位移所需要的电流值，使电机转子稳定悬浮，与矢量控制方法相比，省去了中间复杂的坐标矢量变换，降低了控制系统的复杂程度及控制算法耗用的系统时钟周期，控制系统响应更快。

2．本发明所述无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器对转子偏心位移进行直接控制，与直接悬浮力控制方法相比，不需要对转子径向悬浮力进行在线辨识，避免了使用直接悬浮力控制方法时，由于辨识精度而影响控制系统性能的问题。

3．本发明所述无轴承同步磁阻电机偏心位移控制器中转矩绕组气隙磁链估算模块采用U-I模型磁链观测器进行估算，这种磁链观测器算法简单可行，易于悬浮力绕组电流计算模块的实现，降低了偏心位移控制器的软/硬件设计复杂度，减少了控制系统占用的系统时钟周期。

4．位移闭环调节器中的模糊PID控制器是通过模糊法则对普通PID的各参数进行实时优化以获得更为理想控制效果的一种控制器，将模糊控制和PID控制器两者结合起来，既具有模糊控制灵活、鲁棒性好自适应性强的优点，又具有PID控制精度高、结构简单、工作稳定等优点。

5．本发明使无轴承同步磁阻电机电磁转矩和径向悬浮力之间实现独立控制，有效提高了整个系统的控制性能。

附图说明

图1是本发明所述无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器的结构原理图。

图2是图1中转速控制器1的结构原理图。

图3是图1中偏心位移控制器2的结构原理图。

图4是图1中转矩绕组气隙磁链估算模块65的组成原理图。

图5是图4中U-I模型磁链观测器66的内部结构原理图。

图6是图3中悬浮力绕组电流计算模块63的内部原理图。

图7是本发明所述无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器的总体实现原理图。

图中：1.转速控制器；2.偏心位移控制器；3.无轴承同步磁阻电机 59.偏心位移计算模块；60.位移闭环调节器；61.模糊PID控制器；62.模糊PID控制器；63.悬浮力绕组电流计算模块；64.CRPWM逆变器；65.转矩绕组气隙磁链估算模块；66.U-I模型磁链观测器；67.Clark变换；68.Clark变换；69.极坐标变换；70.速度闭环调节器；71.PI控制器；72.坐标变换；73.CRPWM逆变器；74.光电编码器；75.速度计算模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器由转速控制器1、转矩绕组气隙磁链估算模块65和偏心位移控制器2组成。

对于转速控制器1，如图2所示，采用速度闭环控制，由速度闭环调节器70、坐标变换72、CRPWM逆变器73、光电编码器74和速度计算模块75组成，其中速度闭环调节器70由PI控制器71组成，坐标变换72由Park逆变换和Clark逆变换组成。速度闭环调节器70、坐标变换72和CRPWM逆变器73依次串接，CRPWM逆变器73的输出连接无轴承同步磁阻电机3的输入，无轴承同步磁阻电机3经光电编码器74和速度计算模块75得到电机转子实际转速，与转速给定值一并输入至速度闭环调节器70。

偏心位移控制器2采用位移闭环控制，由位移闭环调节器60、悬浮力绕组电流计算模块63、CRPWM逆变器64、偏心位移传感器58和偏心位移计算模块59组成。其中位移闭环调节器60由模糊PID控制器61和模糊PID控制器62组成。位移闭环调节器60、悬浮力绕组电流计算模块63和CRPWM逆变器64依次串接，CRPWM逆变器64的输出连接无轴承同步磁阻电机3的输入，无轴承同步磁阻电机3经偏心位移传感器58和偏心位移计算模块59得到电机转子实际位移X、Y，与转子位移给定值X*、Y*一并输入到位移闭环调节器60。

对于偏心位移闭环控制，如图4，首先采用U-I（电压-电流）模型磁链观测器66和极坐标变换69组成转矩绕组气隙磁链估算模块65，来获得转矩绕组气隙磁链的幅值及相位，然后将所得到的转矩绕组气隙磁链的信息和位移闭环调节器60输出的两相静止坐标系下径向悬浮力分量及光电编码器74输出的转子位置角一并应用于悬浮力绕组电流计算模块63，由其生成无轴承同步磁阻电机转子稳定悬浮所需的的三相悬浮力绕组电流。

该控制器的实现是利用光电编码器74检测无轴承同步磁阻电机3的转子位置角，经过速度计算模块75得到转子实际转速，与转速给定值进行比较，通过调整速度闭环调节器70中PI控制器71参数，确保转速具有优良的响应性能指标。将偏心位移传感器58检测的转子偏心位移X、Y与位移给定值X*、Y*进行比较，通过调整位移闭环调节器60中模糊PID控制器61和模糊PID控制器62的参数，实现无轴承同步磁阻电机3偏心位移控制器具有优良的动静态性能指标。

本发明所述无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器的构造方法具体实施步骤如下：

第1步，构造转速控制器1。如图2所示，首先采用PI控制器71作为速度闭环调节器70，一个Park逆变换和一个Clark逆变换串接组成坐标变换72，PI控制器71与坐标变换72相串接。转速控制器采用速度闭环控制，主要由速度闭环调节器70、坐标变换72、CRPWM逆变器73、光电编码器74和速度计算模块75组成。光电编码器74输出转子位置角，经过速度计算模块75，由关系式计算得到转子实际转速，为转矩绕组极对数。以转子实际转速和转速给定值作为速度闭环调节器70的输入，得到转矩绕组交轴电流给定值。以转矩绕组交轴电流给定值和转矩绕组直轴电流给定值作为坐标变换72的输入，得到三相转矩绕组电流命令值、、；其中，由Park逆变换生成两相静止坐标系下转矩绕组电流命令值、，由Clark逆变换生成、、。以、、作为CRPWM逆变器73的输入，得到三相转矩绕组驱动电流、、，将三相转矩绕组驱动电流、、输入无轴承同步磁阻电机3。如图6所示，悬浮力绕组电流计算模块63以{，，，，}或{，，，，}变量，利用关系式

或得到三相悬浮力绕组电流命令值的幅值及初始相位，其中和为悬浮力常数，为转子偏心角度且，则三相静止坐标系下无轴承同步磁阻电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流命令值可表示为，式中。依据悬浮力绕组电流计算模块63的输出，即三相悬浮力绕组电流命令值，输出PWM控制信号至CRPWM逆变器64得到三相悬浮力绕组驱动电流{，，}。

第2步，设计转矩绕组气隙磁链估算模块65。如图4所示，转矩绕组气隙磁链估算模块65由U-I模型磁链观测器66和极坐标变换69组成。U-I模型磁链观测器66采用电压-电流模型磁链观测方法（其内部原理如图5所示），以三相转矩绕组相电压、、和相电流、、作为输入，分别经过Clark变换67和Clark变换68得到两相静止坐标系下分量和，由关系式（为转矩绕组定子电阻，为转矩绕组定子漏感）得到两相静止坐标系下的转矩绕组气隙磁链分量{，}，其中，和分别为转矩绕组定子磁链在两相静止坐标系下的分量，和分别为转矩绕组定子漏感对应的磁链在两相静止坐标系下的分量。转矩绕组气隙磁链分量{，}经过极坐标变换69：得到转矩绕组气隙磁链幅值及相位。

第3步，构造偏心位移控制器2。如图3所示，首先将模糊PID控制器61和模糊PID控制器62组成位移闭环调节器60，再和悬浮力绕组电流计算模块63、CRPWM逆变器64、偏心位移传感器58及偏心位移计算模块59共同组成偏心位移控制器。偏心位移控制器2采用位移闭环控制，偏心位移传感器58对转子偏心位移进行采集，经过偏心位移计算模块59差分处理输出转子实际位移X、Y，与转子位移给定值X*、Y*一并输入到位移闭环调节器60，得到两相静止坐标系下转子稳定悬浮所需的径向悬浮力、。将径向悬浮力、输入悬浮力绕组电流计算模块63，悬浮力绕组电流计算模块63以、、、、、六个变量作为输入，其中为转子偏心角度，和分别为转矩绕组气隙磁链幅值和相位，为转子位置角，以三相悬浮力绕组电流命令值、、为输出，以、、作为CRPWM逆变器64的输入，得到无轴承同步磁阻电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组驱动电流、、，将三相悬浮力绕组驱动电流、、输入无轴承同步磁阻电机3。

位移闭环调节器60中的模糊PID控制器61和模糊PID控制器62采用线性理论中的比例积分和模糊理论等方法来设计，以转子实际位移X、Y和位移给定值X*、Y*作为位移闭环调节器60的输入，得到两相静止坐标系下转子稳定悬浮所需的径向悬浮力、。通过调整速度闭环调节器70中的PI控制器71参数和位移闭环调节器60中模糊PID控制器61，62参数，实现无轴承同步磁阻电机3转子稳定悬浮和高速旋转。

如图6所示，悬浮力绕组电流计算模块63以或五个变量作为输入，利用关系式或得到三相悬浮力绕组电流命令值的幅值及初始相位，其中和为悬浮力常数，为转子偏心角度且，则三相静止坐标系下无轴承同步磁阻电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流命令值可表示为 式中。依据悬浮力绕组电流计算模块63的输出，即三相悬浮力绕组电流命令值，输出PWM控制信号至CRPWM逆变器64得到三相悬浮力绕组驱动电流{，，}。

第4步，构造无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器。如图1所示，无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器由转速控制器1，转矩绕组气隙磁链估算模块65和偏心位移控制器2组成。转速控制器1以转速给定值为输入，以三相转矩绕组驱动电流、、为输出。转矩绕组气隙磁链估算模块60以转矩绕组三相相电压、、和相电流，，为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为输出。以、，转子位移给定值X*，Y*和转子位置角作为偏心位移控制器2的输入，以三相悬浮力绕组驱动电流、、为偏心位移控制器2输出，得到三相悬浮力绕组驱动电流、、。

图7给出了无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器总体实现原理图，通过构造的转速控制器1、偏心位移控制器2以及对其中各个模块进行设计，对速度闭环调节器参数进行调整，实现速度闭环控制和偏心位移闭环控制。

Claims (1)

1.一种无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器的构造方法，所述偏心位移控制器由转速控制器（1）、转矩绕组气隙磁链估算模块（65）和偏心位移控制器（2）组成，转速控制器（1）由速度闭环调节器（70）、坐标变换（72）、CRPWM逆变器（73）、光电编码器（74）和速度计算模块（75）组成，速度闭环调节器（70）由PI控制器（71）组成，坐标变换（72）由Park逆变换和Clark逆变换组成，速度闭环调节器（70）、坐标变换（72）和第一CRPWM逆变器（73）依次串接，第一CRPWM逆变器（73）输出连接无轴承同步磁阻电机（3）输入，无轴承同步磁阻电机（3）经光电编码器（74）和速度计算模块（75）得到电机转子实际转速；偏心位移控制器（2）由位移闭环调节器（60）、悬浮力绕组电流计算模块（63）、第二CRPWM逆变器（64）、偏心位移传感器（58）和偏心位移计算模块（59）组成；位移闭环调节器（60）、悬浮力绕组电流计算模块（63）和第二CRPWM逆变器（64）依次串接，第二CRPWM逆变器（64）输出连接无轴承同步磁阻电机（3）输入，无轴承同步磁阻电机（3）经偏心位移传感器（58）和偏心位移计算模块（59）得到电机转子实际位移；转矩绕组气隙磁链估算模块（65）由U-I模型磁链观测器（66）和极坐标变换（69）组成，其特征是包括以下步骤：

1）用PI控制器（71）作为速度闭环调节器（70），与由一个Park逆变换和一个Clark逆变换串接组成的坐标变换（72）相串接，光电编码器（74）输出转子位置角                                                ，经过速度计算模块（75）得到转子实际转速，与转速给定值一并输入至速度闭环调节器（70），由速度闭环调节器（70）得到转矩绕组交轴电流给定值，以转矩绕组交轴电流给定值和转矩绕组直轴电流给定值作为坐标变换（72）输入，得到三相转矩绕组电流命令值、、，经第一CRPWM逆变器（73）得到输入无轴承同步磁阻电机（3）的三相转矩绕组驱动电流、、；

2）U-I模型磁链观测器（66）以三相转矩绕组相电压、、和相电流、、作为输入，经过Clark变换和极坐标变换（69）得到转矩绕组气隙磁链幅值及相位；

将两个模糊PID控制器（61、62）组成位移闭环调节器（60），偏心位移传感器（58）对电机转子偏心位移进行采集，经过偏心位移计算模块（59）差分处理输出转子实际位移X、Y，与转子位移给定值X*、Y*一并输入到位移闭环调节器（60），得到转子稳定悬浮所需的径向悬浮力、；

悬浮力绕组电流计算模块（63）以六个变量作为输入，为转子偏心角度且，以三相悬浮力绕组电流命令值、、为输出，输入第二CRPWM逆变器（64），得到输入无轴承同步磁阻电机（3）的三相悬浮力绕组驱动电流、、；

悬浮力绕组电流计算模块（63）以或以为输入，利用关系式

或

得到三相悬浮力绕组电流命令值的幅值及初始相位，和为悬浮力常数，则无轴承同步磁阻电机转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组电流命令值，；

3）以转速给定值为转速控制器（1）输入，以三相转矩绕组驱动电流、、为转速控制器（1）输出，以转矩绕组三相相电压、、和相电流，，为转矩绕组气隙磁链估算模块（65）输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为转矩绕组气隙磁链估算模块（65）输出，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位、转子位移给定值X*，Y*和转子位置角为偏心位移控制器（2）输入，以三相悬浮力绕组驱动电流、、为偏心位移控制器（2）输出，构造无轴承同步磁阻电机转子偏心位移控制器。