CN105071733B - 无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，当前无轴承转子径向位移信号分离为随机位移和不平衡振动位移，根据随机位移和不平衡振动位移的特点进行分别调节，得到随机位移控制力信号和不平衡振动补偿力信号，同时根据当前转子径向位移信号得到不平衡单边电磁拉力补偿信号，将随机位移控制力信号、不平衡振动补偿力信号和不平衡单边电磁拉力补偿信号进行综合比较，得到可控磁悬浮力综合给定信号，再进行力/流变换得到磁悬浮绕组的合成控制电流信号，本发明将无轴承转子的径向位移信号分离为两部分并进行独立控制，提高了无轴承转子的磁悬浮解耦控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及特种交流电机驱动控制技术领域，尤其适用于无轴承电机的高精度磁悬浮运行控制。
背景技术
无轴承电机是基于磁轴承与交流电机定子结构的相似性，近年来发展起来的适合于高速运转的新型电机，在航空航天、物料密封传输、先进制造等领域具有广泛的应用前景。作为旋转驱动电机，由于材质不均、加工精度、装配误差等原因，不可避免会存在一定程度的转子质量偏心，质量偏心将引起作用于转子的周期性不平衡激振力，导致转子不平衡振动，影响转子的悬浮控制精度。
经对现有文献和专利的检索发现，关于无轴承电机的转子不平衡振动控制技术，国内外的研究成果较少，现有研究主要集中在同步型无轴承电机控制，基本都是在静态磁场定向控制的基础上对转子的不平衡振动进行补偿，而且没有针对转子稳态随机位移和不平衡振动位移的特点进行分离控制。为提高转子的悬浮控制精度，急需设计出一种无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法。
发明内容
本发明的主要目的在于针对无轴承电机提出一种无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，所解决的技术问题是提高无轴承电机转子悬浮控制精度。
本发明是采用以下技术方案及技术措施来实现的。
本发明提出一种无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，包括如下步骤：
（1）定义uv坐标系是随无轴承转子同步旋转的机械坐标系，αβ坐标系是静止正交机械坐标系；
（2）将无轴承转子的当前径向位移信号α、β送入单边电磁力补偿器，得到无轴承电机内部的待补偿不平衡单边电磁力给定信号、；
（3）根据不平衡振动位移随转速同频变化的特点，对转子径向位移信号α、β进行转子同步旋转坐标变换，再经低通滤波器，提取出uv坐标系中的转子不平衡振动位移直变量信号、；
（4）对、进行反转子同步旋转坐标变换，得到αβ坐标系中的不平衡振动位移信号、，再将其与无轴承转子的当前径向位移信号α和β对应比较，得到静止αβ坐标系中的转子随机位移信号、，实现随机位移与不平衡振动位移的有效分解；
（5）对、进行零值给定闭环调节，得到静止αβ坐标系中的随机位移控制力给定信号、，用以控制转子随机位移；
与此同时，对、进行零值给定闭环控制，获得uv坐标系中的不平衡振动补偿控制力给定信号、，再对、进行反转子旋转变换，得到静止αβ坐标系中的不平衡振动补偿力给定信号、，用以控制转子不平衡振动位移；
（6）在αβ坐标系中将随机位移控制力给定信号和、不平衡振动补偿力给定信号和、待补偿不平衡单边电磁力给定信号和进行对应比较，得到可控磁悬浮力综合给定信号和；
（7）将可控磁悬浮力综合给定信号和进行力/流变换，得到随机位移控制力、不平衡振动位移控制力与待补偿不平衡单边电磁拉力的悬浮绕组综合控制电流信号、，该悬浮绕组综合控制电流信号、经过处理后送入无轴承电机的悬浮绕组，从而实现无轴承转子的随机位移、不平衡振动位移和不平衡单边电磁力的分离控制与综合补偿。
较佳的，前述无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，所述步骤（7）中由可控磁悬浮力综合给定信号和得到悬浮绕组综合控制电流信号和是由如下力/流变换公式得到的：
，
式中：和分别为在转矩系统同步旋转dq坐标系中沿d、q坐标轴向的悬浮绕组控制电流分量，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，和分别为沿α、β坐标轴向的可控磁悬浮力分量，、分别为沿d、q坐标轴向的转矩系统气隙磁链分量。
较佳的，前述无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，所述步骤（2）中由当前径向位移信号α、β得到待补偿不平衡单边电磁力给定信号和是由如下单边电磁力补偿器公式得到的：、，其中，为电机结构决定的径向位移刚度系数。
与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果：
1、本发明将无轴承转子的径向位移分离为随机位移和不平衡振动位移两部分，可针对两种位移量的变化特点进行分别独立控制，有利于无轴承转子随机位移控制与不平衡振动位移控制之间的解耦以及无轴承转子不平衡振动的高效控制；
2、本发明在无轴承转子位移分离控制的基础上，通过单边电磁力补偿器对系统进行不平衡单边电磁力补偿控制，提高了无轴承转子的悬浮运行稳定性与悬浮控制精度。
附图说明
图1是本发明无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法的结构图。
具体实施方式
为使本发明的内容更明显易懂，以下结合无轴承异步电机具体实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的核心思想是：
1）因机械加工精度等原因，转子会存在不同程度的质量偏心，在无轴承电机的转子旋转运动过程中，不可避免的转子质量偏心将激发与偏心同方向的不平衡离心激振力，其沿α、β方向的不平衡离心激振力分量可分别表示为、，其中的为转子质量，为转子的质量偏心距，为转子的旋转机械角速度；为相对于无轴承转子同步旋转坐标系的转子质量偏心方向角。鉴于无轴承异步电机结构的对称性，沿α和β方向的位移刚度相等，在周期性不平衡离心激振力的作用下将沿α和β方向产生周期性等幅不平衡振动位移。若不加振动控制措施，在该不平衡离心激振力的作用下，将使无轴承转子轴心产生周期性的径向位移波动或振动，即产生不平衡振动位移。
2）为提高无轴承异步电机的转子悬浮控制精度，需要实时产生不平衡振动补偿控制力以克服不平衡离心激振力的影响，约束无轴承转子绕其几何轴心旋转；无轴承电机转子的不平衡振动位移信号是与转速同频的正弦交变信号，基于该特征，可将转子径向位移量动态分离为随机位移和不平衡振动位移两部分，可用于随机位移与不平衡振动位移的分别控制。
3）在同一坐标系中将随机位移的控制力、不平衡振动位移的补偿控制力、偏心转子单边电磁补偿力等进行叠加，得到磁悬浮控制合力，再根据转矩系统气隙磁链信息等对磁悬浮控制合力进行力/流变换，得到兼顾随机位移控制和不平衡振动位移控制的磁悬浮控制电流，即可实现转子随机位移控制和不平衡振动位移的控制。
基于上述理论基础，本发明公开一种无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，具体包括如下步骤：
第一步，建立磁悬浮控制系统数学模型
定义dq坐标系为转矩系统的同步旋转坐标系；αβ坐标系是静止正交机械坐标系；
忽略转子偏心引起的两套绕组之间的互感耦合影响，根据无轴承异步电机的工作原理，可得磁悬浮系统悬浮绕组控制电流的“力/流变换”模型：
(1)
式中，、分别为需要沿α和β坐标轴向产生的可控磁悬浮力分量，、分别为沿d、q坐标轴向的转矩系统气隙磁链分量，、分别为沿d、q轴坐标轴向的悬浮绕组控制电流分量，是由电机结构决定的磁悬浮力系数，其表达式为，其中的为气隙磁导率，、分别为定子铁心长度和内径；为三相对称悬浮绕组的单相激磁电感，、分别为三相整矩集中转矩绕组、三相整矩集中悬浮绕组的每相有效串联匝数。
根据径向悬浮运动动力学原理，可得到无轴承转子的悬浮运动方程：
(2)
式中：m为转子的质量；、为不平衡单边电磁拉力分量，其数值随转子位移量而变化，其计算表达式为：
、 (3)
其中的为由电机结构决定的径向位移刚度系数，α和β为无轴承转子沿静止坐标轴向的偏心位移分量。
第二步，构造无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿器
如图1所示为所构造的无轴承电机转子径向位移分离控制与综合补偿器的结构原理图，其具体构造方法包括如下步骤：
（1）定义uv坐标系是随无轴承转子同步旋转的机械坐标系；
（2）将无轴承转子的当前径向位移信号α、β送入单边电磁力补偿器，可得无轴承电机内部的待补偿不平衡单边电磁力给定信号、；
（3）根据不平衡振动位移随转速同频变化的特点，对转子径向位移信号α、β进行转子同步旋转坐标变换，再经低通滤波器，提取出uv坐标系中的转子不平衡振动位移直变量、；
（4）对、进行反转子同步旋转坐标变换，得到αβ坐标系中的不平衡振动位移信号、，再将其与无轴承转子的当前径向位移信号α和β分别相减，得到静止αβ坐标系中的转子随机位移信号、，实现随机位移与不平衡振动位移的有效分解；
（5）对、进行给定值为零的闭环调节，得到静止αβ坐标系中的随机位移控制力给定信号、，用以控制转子随机位移；
与此同时，对、进行给定值为零的闭环控制，获得uv坐标系中的不平衡振动补偿控制力给定信号、，再对、进行反转子旋转变换，即可得到静止αβ坐标系中的不平衡振动补偿力给定信号、，用以控制转子不平衡振动位移；
（6）在αβ坐标系中将随机位移控制力给定信号和、不平衡振动补偿力给定信号和、待补偿不平衡单边电磁力给定信号和进行对应比较，得到可控磁悬浮力综合给定信号和；
（7）将可控磁悬浮力综合给定信号和进行力/流变换，得到随机位移控制力、不平衡振动位移控制力与待补偿不平衡单边电磁拉力的悬浮绕组综合控制电流信号、，该悬浮绕组综合控制电流信号、经过处理后送入无轴承电机的悬浮绕组，从而实现无轴承转子的随机位移、不平衡振动位移和不平衡单边电磁力的分离控制与综合补偿。
除了以上描述外，本发明的方法及思想还可以广泛地用在同步型无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿等其他实施例中，并且本发明的保护范围并不受实施例的限定，其以权利要求的保护范围为准。任何熟悉本专业的技术人员，依据本发明的技术实质对以上实施例的简单修改，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (2)
1.一种无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)定义uv坐标系是随无轴承转子同步旋转的机械坐标系，αβ坐标系是静止正交机械坐标系；
(2)将无轴承转子的当前径向位移信号α、β送入单边电磁力补偿器，得到无轴承电机内部的待补偿不平衡单边电磁力给定信号
(3)根据不平衡振动位移随转速同频变化的特点，对转子径向位移信号α、β进行转子同步旋转坐标变换，再经低通滤波器，提取出uv坐标系中的转子不平衡振动位移直变量信号um、vm；
(4)对um、vm进行反转子同步旋转坐标变换，得到αβ坐标系中的不平衡振动位移信号αm、βm，再将其与无轴承转子的当前径向位移信号α和β对应比较，得到静止αβ坐标系中的转子随机位移信号αs、βs，实现随机位移与不平衡振动位移的有效分解；
(5)对αs、βs进行零值给定闭环调节，得到静止αβ坐标系中的随机位移控制力给定信号 用以控制转子随机位移；
与此同时，对um、vm进行零值给定闭环控制，获得uv坐标系中的不平衡振动补偿控制力给定信号再对进行反转子同步旋转坐标变换，得到静止αβ坐标系中的不平衡振动补偿力给定信号用以控制转子不平衡振动位移；
(6)在αβ坐标系中将随机位移控制力给定信号和不平衡振动补偿力给定信号和待补偿不平衡单边电磁力给定信号和进行对应比较，得到可控磁悬浮力综合给定信号的α、β轴可控磁悬浮力分量和
(7)将可控磁悬浮力综合给定信号的α、β轴可控磁悬浮力分量和进行力/流变换，得到随机位移控制力、不平衡振动位移控制力与待补偿不平衡单边电磁拉力的悬浮绕组综合控制电流信号和该悬浮绕组综合控制电流信号和经过处理后送入无轴承电机的悬浮绕组，从而实现无轴承转子的随机位移、不平衡振动位移和不平衡单边电磁力的分离控制与综合补偿，其中，所述力/流变换是：
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式中：和分别为在转矩系统同步旋转dq坐标系中沿d、q坐标轴向的悬浮绕组综合控制电流信号，Km是由电机结构决定的磁悬浮力系数，ψ1d、ψ1q分别为沿d、q坐标轴向的转矩系统气隙磁链分量。
2.根据权利要求1所述无轴承转子径向位移分离控制与综合补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中由当前径向位移信号α、β得到待补偿不平衡单边电磁力给定信号是由如下单边电磁力补偿器公式得到的：其中，ks为电机结构决定的径向位移刚度系数。
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