CN104485852B - 一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制系统及方法，利用三相-三相矩阵变换器对电能直接进行变换，以DSP和CPLD作为控制器，通过控制矩阵变换器的九个双向开关管的通断，以矩阵变换器的输出电流为被控量直接驱动三极磁轴承，经整个控制系统的闭环调节，采用双滞环电流控制法使三极磁轴承的转子稳定悬浮；本发明没有传统的驱动控制三极磁轴承的直流侧大电容储能环节，增加了系统的可靠性；本发明把三相输入电压分为12个相区，使每个输入相在整个周期内都参与调制，改善了输入电流波形，减小了输入侧电流谐波。

Description

一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种三极磁轴承驱动控制技术，具体涉及将矩阵变换器应用于驱动三极磁轴承的控制系统及方法，属于高速电机传动领域。

背景技术

磁轴承是利用磁场力将转子无接触地悬浮在空中，并且悬浮位置可以由控制系统控制。与传统轴承相比，磁轴承具备了无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点，近年来磁悬浮轴承已经在离心分离机、高速精密数控机床、机电电池、汽轮发电机、涡轮分子泵、生命科学等领域得到应用。

对于三极混合或主动磁轴承，用等效磁路法或基于麦克斯韦张量法建立的数学模型，三极磁轴承的转子所受力的数学模型均为自身重力、力/位移系数与位移的乘积、力/电流系数与电流的乘积三者之和，控制器接收传感器反馈的磁轴承的转子位移信息，根据磁轴承的转子受力表达式，在控制器内部进行运算处理后控制逆变器的输出电流，将能使三极磁轴承的三个磁极产生的电磁力使转子所受力达到平衡，进而使三极磁轴承的转子稳定的悬浮于平衡位置。三极磁轴承传统的驱动控制硬件结构形式采用交流电整流成直流电，再由直流电逆变成交流电，或是由直流电直接逆变成交流电的结构形式。但传统的驱动控制结构形式中逆变环节的直流侧存在储能大电容，目前一般选用电解电容，电解电容存在寿命短，体积大等缺点，一旦损坏会对逆变器产生影响，降低了装置的可靠性。

三相-三相矩阵变换器采用3×3的开关矩阵阵列结构形式，由9个双向开关组成，通过控制器控制这9个双向开关的通断，即可获得期望的输出电流与电压来控制被控对象。矩阵变换器不含储能电容，具有结构紧凑、功率密度高、稳定性高、能量可双向流动、使用寿命长等优点，可对交流电能直接进行变换，不存在直流侧的大电容储能环节。目前，矩阵变换器可应用在电机交流传动、电网电能变换、开关电源等领域。应用在永磁同步电机中的传统的矩阵变换器滞环电流控制方法为在三相输入正弦电压的自然换向点处把电压分为6个相区，此时输入电压每一相区存在一个电压最大值相、一个电压最小值相，在确定矩阵变换器的开关状态时，根据三相输出电流滞环比较的结果，输出相只与输入的最大值相和最小值相连接。这种方法的缺点是：每个输入相有1/3的时间不参与调制，会使电源侧输入电流谐波含量丰富。三极磁轴承与永磁同步电机的特性相似，其线圈可看做电机定子上的集中绕组，其线圈是阻感负载，因此，该方法也可用于驱动三极磁轴承，但会使电源侧输入电流谐波含量丰富。

发明内容

本发明的目的是针对三极磁轴承传统的驱动控制方法存在的缺陷，提出一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制方法，利用三相-三相矩阵变换器对交流电直接进行电能变换，不存在直流侧的大电容储能环节，提高三极磁轴承运行的可靠性；同时本发明还提供实现所述三极磁轴承运行控制方法的控制系统。

本发明一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制系统采用的技术方案是：包括一个三相调压器，三相调压器输出端依次地连接三相LC滤波器及输入电量检测模块，输入电量检测模块输出端依次地连接矩阵变换器、霍尔电流传感器及三极磁轴承，三极磁轴承上安装有位移检测模块；矩阵变换器由9个双向开关采用3×3的开关矩阵阵列形式构成，输入电量检测模块、霍尔电流传感器及位移检测模块均连接信号调理电路，信号调理电路输出依次连接控制电路、隔离驱动保护电路，隔离驱动保护电路输出连接9个双向开关。

本发明一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制方法采用的技术方案具有以下步骤：

1）三相调压器输出的电压经三相LC滤波器、输入电量检测模块后输入矩阵变换器；输入电量检测模块将三相电压经信号调理电路将输入电压调整为0-3.3V后送入控制电路中；

2）控制电路根据送入的三相电压数值大小，以任意两相交点和相电压与零电压的交点作为分界线，把送入的三相电压分为12个相区，每一个相区都存在一个电压最大值相，一个电压中间值相和一个电压最小值相；

3）位移检测模块把三极磁轴承的转子在x、y方向的位移信息x、y经信号调理电路送入控制电路，x、y信号与给定位移信号x ^*、y ^*作比较后分别经对应的PID运算后输出x、y方向电磁力F _x、F _y，电磁力F _x、F _y再经力/电流变换运算计算出x、y方向控制电流信号i _xc、i _yc，控制电流信号i _xc、i _yc再分别经2/3变换运算后得到三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*；霍尔电流传感器检测的矩阵变换器输出的两相电流大小经信号调理电路送入控制电路，再经2/3变换运算求出另一相电流信号，将矩阵变换器的三个电流信号i _A、i _B、i _C与三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*作双滞环比较，同时根据此时电压对应的相区由隔离驱动保护电路驱动9个双向开关的通断，使矩阵变换器输出使三极磁轴承的转子稳定悬浮的控制电流信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明利用三相-三相矩阵变换器对电能直接进行变换，以DSP和CPLD作为控制器，通过控制矩阵变换器的九个双向开关管的通断，以矩阵变换器的输出电流为被控量直接驱动三极磁轴承，经整个控制系统的闭环调节，采用双滞环电流控制法，使三极磁轴承的转子稳定的悬浮于平衡位置。本发明没有传统的驱动控制三极磁轴承的直流侧大电容储能环节，增加了系统的可靠性。

2、本发明把三相输入电压分为12个相区，使每个输入相在整个周期内都参与调制，改善了输入电流波形，减小了输入侧电流谐波。

3、本发明适用于驱动所有三极混合或主动磁轴承，三极混合或主动磁轴承可以用等效磁路法或基于麦克斯韦张量法建立数学模型，具有通用性；使得磁轴承在高速精密数控机床、离心分离机、机电电池、汽轮发电机、涡轮分子泵等众多特殊电气传动领域中得到更广泛的应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

图1是本发明一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制系统的结构框图；

图2是图1中矩阵变换器中的三种常用双向开关结构图；

图3是图1中隔离驱动保护电路中的吸收保护电路原理图；

图4是图1所示控制系统的控制原理图。

图中：1.三相调压器；2.三相LC滤波器；3.输入电量检测模块；4.矩阵变换器；5.霍尔电流传感器；6.三极磁轴承；7.位移检测模块；8.信号调理电路；9.控制电路；10.隔离驱动保护电路；91、92.PID运算模块；93、95.2/3变换模块；94.力/电流变换模块；96.开关状态换流逻辑模块。

具体实施方式

参见图1，本发明一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制系统包括一个三相调压器1，三相调压器1的输出端依次地连接三相LC滤波器2、输入电量检测模块3、三相-三相矩阵变换器4、霍尔电流传感器5、三极磁轴承6。矩阵变换器4由9个双向开关采用3×3的开关矩阵阵列形式构成。三相调压器1接三相市电构成输入电源，三相LC滤波器2输入端接三相调压器1，三相LC滤波器2输出端接输入电量检测模块3，输入电量检测模块3输出端接矩阵变换器4，矩阵变换器4的输出端接霍尔电流传感器5。霍尔电流传感器5检测矩阵变换器4输出的电流，矩阵变换器4输出的电流供给三极磁轴承6。在三极磁轴承6上安装位移检测模块7，位移检测模块7检测磁轴承的转子位移信息。

输入电量检测模块3、霍尔电流传感器5以及位移检测模块7均连接信号调理电路8，均将输出信号送入信号调理电路8。信号调理电路8的输出依次连接控制电路9、隔离驱动保护电路10。隔离驱动保护电路10的输出连接矩阵变换器4的9个双向开关。控制电路9是集成DSP和CPLD的控制电路，接受来自信号调理电路8的信号，经过内部算法处理，送至隔离驱动保护电路10，隔离驱动保护电路10驱动控制矩阵变换器4的9个双向开关。

三极磁轴承6包括三极混合磁轴承或主动磁轴承，采用星形连接方式，故输出电流只需检测两相，另一相输出电流可以通过所检测的两相电流计算得到。位移检测模块7中的位移传感器采用电涡流位移传感器。位移检测模块7中的电涡流位移传感器安装在三极磁轴承6的壳体上，两个电涡流位移传感器为一对，分别安置在三极磁轴承6的x方向与y方向，两个电涡流位移传感器对转子位移做差分检测，提高了转子位移检测的精度。

参见图2，矩阵变换器4中的双向开关的结构常用的有三种，分别是如图2(a)所示的IGBT共射极结构，如图2(b)所示的IGBT共集电极结构，如图2(c)所示的IGBT桥式结构。

参见图3，隔离驱动保护电路10中含有吸收保护电路，吸收保护电路如图3所示，由电阻R₁、电容C₁、绝缘栅双极型晶体管IGBT₁以及12个快速二极管VD₅-VD₁₆构成的双侧整流桥组成。吸收保护电路一端跨接在三相LC滤波器2与输入电量检测模块3之间，即图3中的一侧整流桥的中间引出线U _a、U _b、U _c与图1中的U _a、U _b、U _c对应连接，吸收保护电路另一端跨接矩阵变换器4与霍尔电流传感器5之间，即图3中的另一侧整流桥的U _A、U _B、U _C与图1中的U _A、U _B、U _C对应连接。在正常工作条件下，吸收保护电路负责漏感储能，同时吸收双向开关通断过程中产生的电压尖峰；在系统突然掉电、过温、过载或短路保护时，在保护情形下矩阵变换器4的九个双向开关全部关断后，为感性负载提供释放能量的缓冲通道。

参见图4所示，控制电路9由2个PID运算模块91、92、2个2/3变换模块93、95、1个力/电流变换模块94以及1个开关状态换流逻辑96模块组成；其中2/3变换模块93是基于星型连接的三极磁轴承6三相电流和等于零的变换，2/3变换模块95是基于坐标变换。2个PID运算模块91、92的输出分别连接1个力/电流变换模块94的输入，力/电流变换模块94的输出连接2/3变换变换模块95的输入。开关状态换流逻辑96模块的输出连接隔离驱动保护电路10。由位移检测模块7检测的三极磁轴承6的转子在x方向与y方向的位移信息x、y经信号调理电路8输出后与给定位移信号x ^*、y ^*作比较，x方向的位移比较结果输入PID运算模块91，y方向的位移比较结果输入PID运算模块92。霍尔电流传感器5检测的矩阵变换器4的输出的两相电流大小经信号调理电路8后输入2/3变换模块93，2/3变换模块93输出的三个电流信号i _A、i _B、i _C，与2/3变换变换模块95输出的三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*的大小比较后均输入开关状态换流逻辑96模块。

本发明基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制系统在对三极磁轴承实现稳定悬浮控制时，首先要调节三相调压器1，把三相市电的电压降低，因为具体到特定径向承载力的磁轴承，可以根据其转子受力表达式及转子最大偏移位移计算出为使转子悬浮所需的电流，进而估算三相输入电压的大小。如果流过三极磁轴承6的电流太大会损坏导线的绝缘，进而影响三极磁轴承6的寿命。所以实际操作过程中，应使用三相调压器1把三相市电的电压降低。

经三相调压器1输出的电压经三相LC滤波器2、输入电量检测模块3后输入矩阵变换器4，输入矩阵变换器4的相电压为三相正弦电压。由输入电量检测模块3中的线性光耦合器检测输入的三相正弦电压，经信号调理电路8把输入电压值调整为0-3.3V，送入控制电路9中的DSP进行A/D采样。

DSP根据输入的三相正弦电压数值大小，以任意两相交点和相电压与零电压的交点作为分界线，把输入三相正弦电压分为12个相区，此时，每一个相区都存在一个电压最大值相，一个电压中间值相和一个电压最小值相。

位移检测模块7中的电涡流位移传感器把三极磁轴承6的转子在x方向与y方向的位移信息x、y经信号调理电路8送入DSP进行A/D采样（图4仅示意地画出了两个电涡流位移传感器），x、y信号在DSP内部与给定位移信号x ^*、y ^*作比较，分别经PID运算后输出x方向、y方向电磁力F _x、F _y，根据三极磁轴承6的转子受力表达式，电磁力F _x、F _y分别经力/电流变换运算后计算出x方向与y方向控制电流信号i _xc、i _yc，控制电流信号i _xc、i _yc再分别经2/3变换运算后得到三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*。

霍尔电流传感器5检测矩阵变换器4的输出的两相电流大小，经信号调理电路8送入DSP进行A/D采样，经DSP内部2/3变换运算求出另一相电流信号，这样就求出输入三极磁轴承6的三个电流信号i _A、i _B、i _C，与三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*的大小比较后确定滞环状态，再根据此时电压对应的相区，经内部算法处理，由CPLD译码电路驱动控制九个双向开关的通断，使矩阵变换器4输出期望的控制电流信号，使三极磁轴承6内部三个磁极产生的电磁力克服转子偏心产生的磁拉力及转子自身重力，最终使三极磁轴承6的转子稳定的悬浮于平衡位置，输出控制信号。

双滞环比较即在传统滞环电流控制的基础上，把电流滞环控制分为双环，以A相为例，B、C相与A相雷同，不再赘述。矩阵变换器4输出A相电流i _A，内环滞环环宽为h ₁，外环滞环环宽为h ₂，当i _A ^*－i _A＞h ₂时，三极磁轴承6的A相接电压最大相，导通相应的开关；当h ₁＜i _A ^*－i _A＜h ₂时，三极磁轴承6的A相所接电压状态不变；当-h ₁＜i _A ^*－i _A＜h ₁时，A相接电压中间值相；当-h ₂＜i _A ^*－i _A＜-h ₁时，三极磁轴承6的A相所接电压状态不变；当i _A ^*－i _A＜-h ₂时，三极磁轴承6的A相接电压最小值相。矩阵变换器4输出电流减小的过程与此相反。

CPLD接收来自DSP输出的控制信号，经过内部设定的逻辑完成矩阵变换器4的换流，经隔离驱动保护电路10的IGBT专用驱动电路，隔离驱动控制矩阵变换器4中的九个双向开关的通断，使矩阵变换器4输出的电流围绕给定电流i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*做小范围锯齿状变化，使三极磁轴承6内部三个磁极产生的电磁力克服转子偏心产生的磁拉力及转子自身重力，最终使三极磁轴承6的转子稳定的悬浮于平衡位置。

Claims (5)

1.一种基于矩阵变换器的三极磁轴承运行控制系统，包括一个三相调压器（1），三相调压器（1）输出端依次地连接三相LC滤波器（2）及输入电量检测模块（3），三极磁轴承（6）上设有位移检测模块（7），其特征是：输入电量检测模块（3）输出端依次地连接矩阵变换器（4）、霍尔电流传感器（5）及三极磁轴承（6）；矩阵变换器（4）由9个双向开关采用3×3的开关矩阵阵列形式构成，输入电量检测模块（3）、霍尔电流传感器（5）及位移检测模块（7）均连接信号调理电路（8），信号调理电路（8）输出依次连接控制电路（9）、隔离驱动保护电路（10），隔离驱动保护电路（10）输出连接9个双向开关。

2.根据权利要求1所述三极磁轴承运行控制系统，其特征是：控制电路（9）由2个PID运算模块（91、92）、2个2/3变换模块（93、95）、1个力/电流变换模块（94）以及1个开关状态换流逻辑（96）模块组成，2个PID运算模块（91、92）的输出分别连接1个力/电流变换模块（94）的输入，力/电流变换模块（94）的输出连接第一个2/3变换变换模块（95）的输入；三极磁轴承（6）的转子在x、y方向的位移信息x、y经信号调理电路（8）输出后分别与给定位移信号x ^*、y ^*作比较，x方向的位移比较结果输入第一个PID运算模块（91），y方向的位移比较结果输入第二个PID运算模块（92）；矩阵变换器（4）输出的电流信号经调理电路（8）后输入第二个2/3变换模块（93），第二个2/3变换模块（93）输出的三个电流信号i _A、i _B、i _C与第一个2/3变换变换模块（95）输出的三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*的大小比较后均输入开关状态换流逻辑电路（96），开关状态换流逻辑电路（96）的输出连接隔离驱动保护电路（10）。

3.根据权利要求1所述三极磁轴承运行控制系统，其特征是：隔离驱动保护电路（10）中含有由电阻、电容、绝缘栅双极型晶体管及12个快速二极管构成的双侧整流桥组成的吸收保护电路，吸收保护电路一端跨接在三相LC滤波器（2）与输入电量检测模块（3）之间、另一端跨接矩阵变换器（4）与霍尔电流传感器（5）之间。

4.一种如权利要求1所述三极磁轴承运行控制系统的控制方法，其特征是具有以下步骤：

1）三相调压器（1）输出的电压经三相LC滤波器（2）、输入电量检测模块（3）后输入矩阵变换器（4）；输入电量检测模块（3）检测输入的三相正弦电压，信号调理电路（8）把输入电压值调整为0-3.3V后送入控制电路（9）中；

2）控制电路（9）根据送入的三相电压数值大小，以任意两相交点和相电压与零电压的交点作为分界线，把送入的三相电压分为12个相区，每一个相区都存在一个电压最大值相，一个电压中间值相和一个电压最小值相；

3）位移检测模块（7）把三极磁轴承（6）的转子在x、y方向的位移信息x、y经信号调理电路（8）送入控制电路（9），x、y信号与给定位移信号x ^*、y ^*作比较后分别经对应的PID运算后输出x、y方向电磁力F _x、F _y，电磁力F _x、F _y再经力/电流变换运算计算出x、y方向控制电流信号i _xc、i _yc，控制电流信号i _xc、i _yc再分别经2/3变换运算后得到三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*；霍尔电流传感器（5）检测的矩阵变换器（4）输出的两相电流大小经信号调理电路（8）送入控制电路（9），再经2/3变换运算求出另一相电流信号，将矩阵变换器（4）的三个电流信号i _A、i _B、i _C与三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*作双滞环比较，同时根据此时电压对应的相区由隔离驱动保护电路（10）控制9个双向开关的通断，使矩阵变换器（4）输出使三极磁轴承（6）的转子稳定悬浮的控制电流信号。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：步骤3）中所述将矩阵变换器（4）输出的三个电流信号i _A、i _B、i _C与三相给定电流信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*作双滞环比较，同时根据此时电压对应的相区由隔离驱动保护电路（10）驱动9个双向开关的通断的方法是：当i _A ^*－i _A＞h ₂，三极磁轴承（6）的A相接电压最大值相，导通相应的双向开关；当h ₁＜i _A ^*－i _A＜h ₂，A相所接电压状态不变；当-h ₁＜i _A ^*－i _A＜h ₁，A相接电压中间值相；当-h ₂＜i _A ^*－i _A＜-h ₁，A相所接电压状态不变；当i _A ^*－i _A＜-h ₂，A相接电压最小值相；h ₁为内环滞环环宽，h ₂为外环滞环环宽，i _A减小的过程与此相反；B、C相与A相雷同。