CN111669095A - 基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统 - Google Patents

基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于九开关逆变器的无轴承电机驱动系统，它包括径向悬浮力控制子系统、电磁转矩控制子系统、九开关中管控制子系统与无轴承电机。通过九开关中管控制子系统控制中管信号的生成，九开关上管信号与下管信号分别取自悬浮绕组的上桥臂信号与转矩绕组的下桥臂信号，共生成9路PWM信号输出给九开关逆变器，并控制无轴承永磁同步电机运行。

Description

基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统
技术领域
本发明涉及一种基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统，适用于医疗、制药和航天，高速离心机等领域。
背景技术
无轴承电机是在普通电机的定子中再嵌入悬浮控制绕组,通过不同极对数悬浮绕组磁场对原有绕组磁场的作用,改变了气隙磁场的对称分布,在转子上产生可控磁悬浮力,实现了转子的悬浮运行，是交流电机同时实现高转速、大功率的技术方向,具有广泛的应用前景。
目前双绕组无轴承电机的逆变器电路均基于两个三相桥逆变器组成，系统体积庞大不易集成，使得无轴承电机的控制系统复杂，成本高，限制了无轴承电机的推广应用。
发明内容
本发明的目的用于提供一种基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统。简化无轴承电机控制系统结构、降低成本的无轴承电机控制系统。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统，包括径向悬浮力控制子系统，用于控制转子径向的悬浮；电磁转矩控制子系统，用于控制电磁转矩，对电机进行调速；九开关中管控制子系统，用于输出双绕组的控制电压，传感器，用于测量转子位置，径向位移以及绕组电流等；所述包括径向悬浮力控制子系统、电磁转矩控制子系统、九开关逆变器中管控制子系统、无轴承电机，所述径向悬浮力控制子系统和电磁转矩控制子系统通过九开关逆变器中管控制子系统连接无轴承电机，控制无轴承电机运行。
具体的，径向悬浮力控制子系统包括位移调节器，2/3变换环节，电流调节器，SPWM调节环节；所述电磁转矩控制子系统包括转速调节器、2/3旋转变换环节，电流调节器SPWM调制环节；所述传感器包括位移传感器，光电编码器，电流传感器；所述九开关逆变器控制子系统包括电流偏差比较环节，九开关逆变器。
进一步的，所述九开关逆变器共有3个桥臂，共由9个分立的开关器件组成，每个桥臂三个IGBT依次串联连接而成，且九开关逆变器具有两个三相功率输出端，每个桥臂的上管与中管的中点与转矩绕组相连，逆变器每个桥臂的中管与下管的中点与悬浮绕组相连。
本发明的工作原理是：
径向悬浮控制子系统通过x方向位移传感器与y方向位移传感器采集转子x、y方向的位移偏移量，经过位置负反馈后作为x、y方向位移调节器的输入，经过2/3变换得到a-b-c轴系的参考电流，电流传感器采集悬浮绕组三相定子电流，与参考电流作负反馈后得到得到电流偏差e2A,e2B,e2C，通过电流调节器生成SPWM调制环节的参考电压，经过SPWM环节环节输出悬浮绕组的6路PWM控制号PWM1，PWM2，PWM3，PWM4，PWM5，PWM6；电磁转矩控制子系统由光电编码器检测转子位置信号，获得实际转速，经过速度环调节后得到转矩电流，与给定励磁电流一同经过2/3旋转变换得到a-b-c轴系下的参考电流，电流传感器采集转矩绕绕组三相电流，与参考电流作负反馈，得到电流偏差e1A,e1B,e1c，通过电流调节器生成SPWM调制环节的参考电压，经过SPWM环节环节输出悬浮绕组的6路PWM控制号PWM7，PWM8，PWM9，PWM10，PWM11，PWM12；；进一步的，九开关逆变器的上管开关信号S1、S2、S3直接取自悬浮绕组的3路PWM信号PWM1、PWM2、PWM3,九开关的下管开关信号S6、S7、S8直接取自转矩绕组的3路PWM信号PWM10、PWM11、PWM12，转矩绕组的电流差值e1A,e1B,e1c与悬浮绕组的电流差值e2A,e2B,e2C作为中管控制环节的输入环节，当转矩绕组与悬浮绕组的同相电流差值e1x-e2x大于0时，九开关逆变器中管为导通状态，对应相中管信号为1,反之，九开关逆变器中管为关断状态，对应相中管信号为0。
综上所述，本发明与传统采用双逆变器控制无轴承电机控制系统相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明减少了控制过程中所需要的开关器件的数量，但又不同于专利CN108173469A采用的分别根据桥臂上下绕组电流跟踪误差决定上、下管的通断，根据两台电机同桥臂电流跟踪误差的大小决定中管通断的控制方法，本发明采用的中管控制子系统仅需根据该桥臂电流跟踪误差的大小决定三个桥臂中管的通断，而每个桥臂的上、下管信号分别来自于由转矩控制子系统和悬浮控制子系统得到的SPWM上、下管信号。
附图说明
附图1是本发明实施例提供的基于九开关逆变器的无轴承电机系统控制框图，主要包括悬浮力控制子系统1、电磁转矩控制子系统2、九开关逆变器中管控制子系统3和交替极无轴承永磁同步电机15，其中具包括位移调节器4、5，转速调节器9，2/3变换环节6,2/3旋转变换环节10，电流调节器7、11，悬浮SPWM调制8，转矩SPWM12,中管控制环节13，九开关逆变器14。
具体实施方式
本发明的实施方式是：基于九开关逆变器的无轴承电机系统控制系统，分别构建径向悬浮力控制子系统、电磁转矩控制子系统和九开关逆变器中管控制子系统。
下面优选实施例结合附图对本发明对进一步的详细描述；
实施例一
参见图1，本基于基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统,其特征在于：包括径向悬浮力控制子系统1、电磁转矩控制子系统2、九开关逆变器中管控制子系统3、无轴承电机15，所述径向悬浮力控制子系统1和电磁转矩控制子系统2通过九开关逆变器中管控制子系统3连接无轴承电机15。控制无轴承电机15运行。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，所述径向悬浮力控制子系统1包括位移调节器4、5，2/3变换环节6，电流调节器7，悬浮SPWM调制环节8；所述位移调节器4、5依次经2/3变换环节6、电流调节器7连接悬浮SPWM调制环节8；其中，x方向位移传感器与y方向位移传感器分别采集x、y转子位移偏移量，经位置负反馈，通过x方向位移调节器与y方向位移调节器，再经过2/3变换得到a-b-c轴系下的参考电流，电流传感器采集悬浮绕绕组三相电流，与参考电流作差，得到差值e2A,e2B,e2C,经过悬浮SPWM调制环节环节输出悬浮绕组的6路PWM控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6。
在本实施例中，所述电磁转矩控制子系统2包括转速调节器9、2/3旋转变换环节10，电流调节器11和转矩SPWM调制环节12；所述转速调节器9依次经2/3旋转变换环节10、电流调节器11连接转矩SPWM调制环节12；其中，光电编码器检测转子位置，获得实际转速，经过速度负反馈后与给定励磁电流一同经过2/3旋转变换得到a-b-c轴系下的参考电流，电流传感器采集转矩绕绕组三相电流，与参考电流作差，得到差值e1A,e1B,e1c，经过转矩SPWM调制环节输出转矩绕组的6路PWM控制信号PWM7,PWM8,PWM9,PWM10,PWM11,PWM12。
在本实施例中，所述九开关逆变器中管控制子系统3由一个中管控制环节13和九开关逆变器14构成；其中，九开关的上管信号S1、S2、S3直接取自悬浮绕组的3路PWM信号,PWM1、PWM2、PWM3,九开关的下管信号S6、S7、S8直接取自转矩绕组的3路PWM信号PWM10、PWM11、PWM12。转矩绕组的电流差值e1A,e1B,e1c与悬浮绕组的电流差值e2A,e2B,e2C作为中管控制环节的输入环节，当转矩绕组与悬浮绕组的同相电流差值e1x-e2x大于0时，九开关逆变器中管为导通状态，对应相中管信号为1,反之，九开关逆变器中管为关断状态，对应相中管信号为0。如e1A-e2A大于0时，九开关中管信号S4为1，e1B-e2B大于0时，九开关中管信号S5为1,e1C-e2C大于0时，九开关中管信号S6为1。
在本实施例中，所述的九开关逆变器中管控制子系统3中，九开关逆变器14由9个分立的IGBT构成，共有3个桥臂，其中每个桥臂由三个IGBT依次串联连接，且九开关逆变器具有两个三相功率输出端，每个桥臂的上管与中管的中点与转矩绕组相连，逆变器每个桥臂的中管与下管的中点与悬浮绕组相连。
实施例三
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处如下：
如附图1所示，基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统，包括包括悬浮力控制子系统1、电磁转矩控制子系统2、九开关逆变器中管控制子系统3和交替极无轴承永磁同步电机15，九开关逆变器中管控制子系统3又包含九开关逆变器与中管控制环节。
具体的，三相九开关逆变器主电路包括9个分立的IGBT开关器件，每个桥臂三个IGBT依次串联连接而成，且九开关逆变器具有两个三相功率输出端，每个桥臂的上管与中管的中点与转矩绕组相连，逆变器每个桥臂的中管与下管的中点与悬浮绕组相连。
传感器包括用于转子速度位置检测的光电编码器，用于转子径向位移检测的位移传感器，用于电机绕组相电流检测的电流传感器。
进一步的，对于径向悬浮力控制子系统，构建由位移调节器4、5，2/3变换环节6，电流调节器7，悬浮SPWM环节8的悬浮控制系统，
具体控制流程如下：x方向位移传感器与y方向位移传感器分别采集x、y转子位移偏移量，与输入给定经位置负反馈，通过x方向位移调节器4与y方向位移调节器5，输出参考悬浮力Fx *,Fy *，再经过2/3变换环节6得到a-b-c轴系下的参考电流i2A *,i2B *,i2C *，电流传感器采集悬浮绕绕组三相电流i2A,i2B,i2C，与参考电流i2A *,i2B *,i2C *作负反馈，得到电流误差e2A,e2B,e2C,分别通过电流调节器7，生成悬浮SPWM调制环节的参考电压U2A *,U2B *,U2C *，经过悬浮SPWM环节环节输出悬浮绕组的6路PWM控制号PWM1，PWM2，PWM3，PWM4，PWM5，PWM6.
具体的，对于电磁转矩控制子系统，构建由转速调节器9，2/3旋转变换10，电流传感器，光电编码器，转矩SPWM调制环节12组成的转矩控制系统。其具体控制流程如下：
光电编码器检测转子位置信号，得到实际转速ω，与给定转速ω*经过速度负反馈后得到转速误差经过转速调节器9的运算处理，输出转矩电流分量参考值iq *，转矩电流分量参考值iq *与励磁电流id *经过2/3旋转变换环节10以及采集到的电机位置角变换得到a-b-c轴系下的参考电流i1A *,i1B *,i1C *，电流传感器采集转矩绕绕组三相电流i1A,i1B,i1C，与参考电流i1A *,i1B *,i1C *作负差得到电流误差e1A,e1B,e1C,生成转矩SPWM调制环节的参考电压U1A *,U1B *,U1C *，经过SPWM环节环节输出悬浮绕组的6路PWM控制号PWM7，PWM8，PWM9，PWM10，PWM11，PWM12。
进一步的，在九开关逆变器中管控制子系统中，九开关的上管信号S1、S2、S3直接取自悬浮绕组的3路PWM信号,PWM1、PWM2、PWM3,九开关的下管信号S6、S7、S8直接取自转矩绕组的3路PWM信号PWM10、PWM11、PWM12。转矩绕组的电流差值e1A,e1B,e1c与悬浮绕组的电流差值e2A,e2B,e2C作为中管控制环节的输入环节，当转矩绕组与悬浮绕组的同相电流差值e1x-e2x大于0时，九开关逆变器中管为导通状态，对应相中管信号为1,反之，九开关逆变器中管为关断状态，对应相中管信号为0。即e1A-e2A大于0时，九开关中管信号S4为1，反之，九开关中管信号S4为0；e1B-e2B大于0时，九开关中管信号S5为1,反之中管信号S5为0；e1C-e2C大于0时，九开关中管信号S6为1，反之中管信号S6为0。
综上所述，本发明基于九开关逆变器的无轴承电机驱动系统，它包括径向悬浮力控制子系统、电磁转矩控制子系统、九开关中管控制子系统与无轴承电机。通过九开关中管控制子系统控制中管信号的生成，九开关上管信号与下管信号分别取自悬浮绕组的上桥臂信号与转矩绕组的下桥臂信号，共生成9路PWM信号输出给九开关逆变器，并控制无轴承永磁同步电机运行。
以上实施例中的无轴承交替极永磁同步电机仅为了说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统，其特征在于：包括径向悬浮力控制子系统(1)、电磁转矩控制子系统(2)、九开关逆变器中管控制子系统(3)、无轴承电机(15)，所述径向悬浮力控制子系统(1)和电磁转矩控制子系统(2)通过九开关逆变器中管控制子系统(3)连接无轴承电机(15)，控制无轴承电机(15)运行。
2.根据权利要求1所述基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统，其特征在于：所述径向悬浮力控制子系统(1)包括位移调节器(4、5)、2/3变换环节(6)、电流调节器(7)、悬浮SPWM调制环节(8)；所述位移调节器(4、5)依次经2/3变换环节(6)、电流调节器(7)连接悬浮SPWM调制环节(8)；其中，x方向位移传感器与y方向位移传感器分别采集x、y转子位移偏移量，经位置负反馈，通过x方向位移调节器与y方向位移调节器，再经过2/3变换得到a-b-c轴系下的参考电流，电流传感器采集悬浮绕绕组三相电流，与参考电流作差，得到差值e2A,e2B,e2C,经过悬浮SPWM调制环节环节输出悬浮绕组的6路PWM控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6。
3.根据权利要求1所述基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统，其特征在于：所述电磁转矩控制子系统(2)包括转速调节器(9)、2/3旋转变换环节(10)，电流调节器(11)和转矩SPWM调制环节(12)；所述转速调节器(9)依次经2/3旋转变换环节(10)、电流调节器(11)连接转矩SPWM调制环节(12)；其中，光电编码器检测转子位置，获得实际转速，经过速度负反馈后与给定励磁电流一同经过2/3旋转变换得到a-b-c轴系下的参考电流，电流传感器采集转矩绕绕组三相电流，与参考电流作差，得到差值e1A,e1B,e1c，经过转矩SPWM调制环节输出转矩绕组的6路PWM控制信号PWM7、PWM8、PWM9、PWM10、PWM11、PWM12。
4.根据权利要求1所述基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统，其特征在于：所述九开关逆变器中管控制子系统(3)由一个中管控制环节(13)和一个九开关逆变器(14)构成；其中，九开关的上管信号S1、S2、S3直接取自悬浮绕组的3路PWM信号,PWM1、PWM2、PWM3,九开关的下管信号S6、S7、S8直接取自转矩绕组的3路PWM信号PWM10、PWM11、PWM12；转矩绕组的电流差值e1A,e1B,e1c与悬浮绕组的电流差值e2A,e2B,e2C作为中管控制环节的输入环节，当转矩绕组与悬浮绕组的同相电流差值e1x-e2x大于0时，九开关逆变器中管为导通状态，对应相中管信号为1,反之，九开关逆变器中管为关断状态，对应相中管信号为0；如e1A-e2A大于0时，九开关中管信号S4为1，e1B-e2B大于0时，九开关中管信号S5为1,e1C-e2C大于0时，九开关中管信号S6为1。
5.根据权利要求4所述基于九开关逆变器的无轴承电机控制系统，其特征在于：所述九开关逆变器中管控制子系统(3)中，九开关逆变器(14)由9个分立的IGBT构成，共有3个桥臂，其中每个桥臂由三个IGBT依次串联连接，且九开关逆变器具有两个三相功率输出端，每个桥臂的上管与中管的中点与转矩绕组相连，逆变器每个桥臂的中管与下管的中点与悬浮绕组相连。
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