CN117578934A - 气悬浮电机转子控制方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提出一种气悬浮电机转子控制方法、装置和系统，涉及气悬浮电机控制领域。通过获取采集的负载的第一转矩，第一转矩对应第一电流；观测获得转子的第一位置角；获取采集的输入气悬浮电机的三相电流；对三相电流进行静态坐标变换得到第二电流；对第二电流进行第一位置角下的旋转坐标变换得到第三电流；利用第一电流对第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流；基于第四电流生成转子的控制信号。使得电磁转矩的交轴分量电流能够跟随负载转矩的变化，负载转矩与电磁转矩保持动态平衡，从而实现转子高精度均衡控制。
Description
技术领域
本公开涉及气悬浮电机控制领域，特别涉及一种气悬浮电机转子控制方法、装置和系统。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。同步电机实现能量转换需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为电机的励磁电流。
气悬浮高速永磁同步电机(High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor，HSPMSM)直驱离心式制冷机，因调速范围宽，负载量程大，全速域气体悬浮间隙不均匀，负载非线性时变，导致气悬浮电机参数离散，转子位置角转速辨识精度差，高精度动态控制困难，严重影响机组运行性能。
当转子加速加载时，离心式负载大小与转子速度成幂指数关系变化。特别是在变频器低载波比条件下，采样点越少，谐波越大，气悬浮转子随负载变化快速失去动平衡，偏离预定轨迹运行，导致转子观测转速辨识精度降低、位置估算误差增大，磁场定向矢量控制失控。
发明内容
本公开实施例，通过获取采集的负载的第一转矩，第一转矩对应第一电流；观测获得转子的第一位置角；获取采集的输入气悬浮电机的三相电流；对三相电流进行静态坐标变换得到第二电流；对第二电流进行第一位置角下的旋转坐标变换得到第三电流；利用第一电流对第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流；基于第四电流生成转子的控制信号。使得电磁转矩的交轴分量电流能够跟随负载转矩的变化，负载转矩与电磁转矩保持动态平衡，从而实现转子高精度均衡控制。
本公开一些实施例提出一种气悬浮电机转子控制方法，包括：
获取采集的负载的第一转矩，所述第一转矩对应第一电流；
观测获得转子的第一位置角；
获取采集的输入气悬浮电机的三相电流；
对所述三相电流进行静态坐标变换得到第二电流；
对所述第二电流进行所述第一位置角下的旋转坐标变换得到第三电流；
利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流；
基于所述第四电流生成转子的控制信号。
在一些实施例中，基于所述第四电流生成转子的控制信号包括：
对所述第四电流进行比例积分运算得到第一电压；
对所述第一电压进行第二位置角下的旋转坐标反变换得到第二电压，所述第二位置角基于历史时刻的相位误差确定；
基于所述第二电压生成转子的控制信号。
在一些实施例中，基于历史时刻的相位误差确定第二位置角包括：
根据历史时刻的相位误差以及不同系统状态下的相位响应和反馈系数，确定历史时刻的第三位置角；
对各个历史时刻的第三位置角进行累计计算，得到第二位置角。
在一些实施例中，利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流包括：
基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定第一交轴分量电流参考值；
根据所述第一电流和所述第一交轴分量电流参考值，确定第二交轴分量电流参考值；
根据所述第二交轴分量电流参考值和所述第三电流中的交轴分量电流，确定所述第四电流中的交轴分量电流。
在一些实施例中，得到第四电流还包括：
基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定直轴分量电流参考值；
根据所述直轴分量电流参考值和所述第三电流中的直轴分量电流，确定所述第四电流中的直轴分量电流。
在一些实施例中，基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定第一交轴分量电流参考值和直轴分量电流参考值包括：
将转子的检测角速度与期望角速度的差值经过比例积分运算得到电流参考值；
基于所述电流参考值进行最大转矩电流比控制，得到第一交轴分量电流参考值和直轴分量电流参考值。
在一些实施例中，基于所述第二电压生成转子的控制信号包括：对所述第二电压进行空间矢量脉冲宽度调制，并将调制信号输入逆变单元，得到逆变单元输出的转子的控制信号。
在一些实施例中，在所述第一转矩小于预设转矩的情况下，停止执行利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿的步骤。
本公开一些实施例提出一种气悬浮电机转子控制装置，包括：处理器，被配置为执行气悬浮电机转子控制方法。
本公开一些实施例提出一种气悬浮电机转子控制装置，包括：
输入输出接口，被配置为获取采集的负载的第一转矩，所述第一转矩对应第一电流；获取采集的输入气悬浮电机的三相电流；
观测器，被配置为观测获得转子的第一位置角；
静态坐标变换单元，被配置为对所述三相电流进行静态坐标变换得到第二电流；
旋转坐标变换单元，被配置为对所述第二电流进行所述第一位置角下的旋转坐标变换得到第三电流；
补偿单元，被配置为利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流；
信号生成单元，被配置为基于所述第四电流生成转子的控制信号。
在一些实施例中，所述信号生成单元包括：
第一比例积分运算单元，被配置为对所述第四电流进行比例积分运算得到第一电压；
旋转坐标反变换单元，被配置为对所述第一电压进行第二位置角下的旋转坐标反变换得到第二电压，所述第二位置角基于历史时刻的相位误差确定；
控制信号生成单元，被配置为基于所述第二电压生成转子的控制信号。
在一些实施例中，还包括：学习单元，被配置为根据历史时刻的相位误差以及不同系统状态下的相位响应和反馈系数，确定历史时刻的第三位置角；对各个历史时刻的第三位置角进行累计计算，得到第二位置角。
在一些实施例中，所述补偿单元包括：
确定单元，被配置为基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定第一交轴分量电流参考值；
第一加法器，被配置为根据所述第一电流和所述第一交轴分量电流参考值，确定第二交轴分量电流参考值；
第二加法器，被配置为根据所述第二交轴分量电流参考值和所述第三电流中的交轴分量电流，确定所述第四电流中的交轴分量电流。
在一些实施例中，所述确定单元，被配置为基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定直轴分量电流参考值；
所述补偿单元还包括：第三加法器，被配置为根据所述直轴分量电流参考值和所述第三电流中的直轴分量电流，确定所述第四电流中的直轴分量电流。
在一些实施例中，所述确定单元包括：
第四加法器，被配置为计算转子的检测角速度与期望角速度的差值；
第二比例积分运算单元，被配置为将转子的检测角速度与期望角速度的差值经过比例积分运算得到电流参考值；
最大转矩电流比控制单元，被配置为基于所述电流参考值进行最大转矩电流比控制，得到第一交轴分量电流参考值和直轴分量电流参考值。
在一些实施例中，所述控制信号生成单元包括：调制单元，被配置为对所述第二电压进行空间矢量脉冲宽度调制，并将调制信号输入逆变单元，得到逆变单元输出的转子的控制信号。
在一些实施例中，所述补偿单元，被配置为在所述第一转矩小于预设转矩的情况下，停止执行利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿的步骤。
本公开一些实施例提出一种气悬浮电机转子控制系统，包括：
连接在交流电源与气悬浮电机之间的变频单元；
设置在变频单元的输出端与气悬浮电机之间的电流采集单元，被配置为采集输入气悬浮电机的三相电流；
连接气悬浮电机的负载采集单元，被配置为采集负载的第一转矩；以及
气悬浮电机转子控制装置，分别与所述变频单元、所述电流采集单元、所述负载采集单元连接。
在一些实施例中，所述变频单元包括：整流单元和逆变单元，所述逆变单元连接在所述整流单元与所述气悬浮电机之间。
在一些实施例中，所述整流单元包括并联的三组串联结构，每组串联结构包括串联的可控硅和二极管；所述气悬浮电机转子控制装置，被配置为控制各组串联结构中的可控硅的导通角，使得所述整流单元与所述逆变单元之间的直流母线电压达到预设值。
在一些实施例中，所述负载采集单元包括：
转矩传感器，被配置为采集负载的第一转矩；
与转矩传感器连接的差分信号放大单元；
与差分信号放大单元连接的偏置信号调理单元。
本公开一些实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现气悬浮电机转子控制方法的步骤。
附图说明
下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。根据下面参照附图的详细描述，可以更加清楚地理解本公开。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本公开一些实施例的气悬浮电机转子控制系统的示意图。
图2A示出本公开一些实施例的气悬浮电机转子控制方法的示意图。
图2B示出本公开一些实施例的对负载进行预测补偿的示意图。
图3示出本公开一些实施例的负载的运行曲线和转矩的示意图。
图4示出了未实施本公开控制方案前转子偏离预定轨迹(左图)、实施本公开控制方案后转子达到预定轨迹(右图)的示意图。
图5示出本公开一些实施例的气悬浮电机转子控制装置的示意图。
图6示出本公开另一些实施例的气悬浮电机转子控制装置的示意图。
具体实施方式
应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
本领域技术人员可以理解，本公开实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
还应理解，在本公开实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。
还应理解，对于本公开实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或者在前后文给出相反启示的情况下，一般可以理解为一个或多个。
另外，本公开中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本公开中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
还应理解，本公开对各个实施例的描述着重强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，不再一一赘述。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
此外，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与至少根据本公开的方案密切相关的处理步骤和/或设备结构，而省略了与本公开关系不大的其他细节。还应注意，在附图中相似的附图标记和字母指示相似的项目，并且因此一旦一个项目在一个附图中被定义，则对于随后的附图无需再对其进行论述。
图1示出本公开一些实施例的气悬浮电机转子控制系统的示意图。
如图1所示，该实施例的气悬浮电机转子控制系统包括：连接在交流电源与气悬浮电机(简称电机)之间的变频单元110；设置在变频单元110的输出端与气悬浮电机之间的电流采集单元120，被配置为采集输入气悬浮电机的三相电流；连接气悬浮电机的负载采集单元130，被配置为采集负载的转矩(第一转矩)；以及气悬浮电机转子控制装置(简称控制装置)140，其分别与所述变频单元110、所述电流采集单元120、所述负载采集单元130连接。气悬浮电机转子控制系统还可以包括：设置在交流电源与气悬浮电机转子控制装置140之间的电压采集单元150，被配置为采集交流电源的电压。
下面具体描述气悬浮电机转子控制系统中的各个组成部分。
所述变频单元110包括：整流单元111和逆变单元112。整流单元111连接在交流电源与逆变单元112之间。整流单元111用于将交流电变换为直流电。所述整流单元111包括并联的三组串联结构，每组串联结构包括串联的可控硅和二极管。如图1所示，整流单元111主要由可控硅D1与二极管D2串联，可控硅D3与二极管D4串联，可控硅D5与二极管D6串联后，再相互并联组成；整流单元111还可以包括并联的电容C1，用于进行滤波和储能。三相交流电源RST分别连接在D1D2之间、D3D4之间、D5D6之间。可控硅D1 D3 D5与气悬浮电机转子控制装置140连接，并接受气悬浮电机转子控制装置140的控制，基于控制改变导通角，可以改变所述整流单元111与所述逆变单元112之间的直流母线电压，使得直流母线电压达到预设值。
逆变单元112连接在整流单元111与气悬浮电机之间。逆变单元112用于将直流电变换为交流电。逆变单元112可以是三相逆变桥，能够把直流电逆变成频率和电压任意可调的三相交流电。逆变单元112中包括六组晶体管模组，每组晶体管模组包括三极管和续流用的二极管，其中，三极管是逆变的控制元件，通过对它的控制极加开通/关闭的信号，就可以实现三极管的导通或关断。气悬浮电机转子控制装置140可以向三极管的控制极输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制信号，用于实现对三极管的控制。如图1所示，逆变单元112主要由三极管Q1与二极管D21构成的晶体管模组1与三极管Q2与二极管D22构成的晶体管模组2串联，三极管Q3与二极管D23构成的晶体管模组3与三极管Q4与二极管D24构成的晶体管模组4串联，三极管Q5与二极管D25构成的晶体管模组5与三极管Q6与二极管D26构成的晶体管模组6串联后，再相互并联组成。气悬浮电机转子控制装置140PWM控制信号输入Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的控制极。输入气悬浮电机的三相电流UVW分别连接在晶体管模组1与晶体管模组2之间、晶体管模组3与晶体管模组4之间、晶体管模组5与晶体管模组6之间。
在整流单元111与逆变单元112之间，还并联有电阻R1R2的串联结构以及电容C2，用于进行滤波。
电流采集单元120用于采集输入气悬浮电机的三相电流，并传输给气悬浮电机转子控制装置140，以便气悬浮电机转子控制装置140对气悬浮电机转子进行控制。可以设置三个电流检测装置，分别采集三相电流；也可以设置两个电流检测装置，分别采集三相中的两相电流，再根据三相电流之和为0，通过计算得到第三相的电流。
负载采集单元130包括：转矩传感器，被配置为采集负载的转矩(第一转矩)；与转矩传感器连接的(一级)差分信号放大单元；与差分信号放大单元连接的(二级)偏置信号调理单元。采集的负载的第一转矩，经过差分信号放大处理，偏置信号调理后，传输给气悬浮电机转子控制装置140，以便气悬浮电机转子控制装置140对气悬浮电机转子进行控制。差分信号放大单元由运算放大器A1，电阻R3～R6组成。偏置信号调理单元由运算放大器A2，电阻R7～R10，参考电源Vref组成。
转矩传感器采集负载的第一转矩包括：转矩传感器基于采集的负载的角速度利用转矩与角速度的关系式T＝f(w)，计算得到负载的第一转矩。计算公式如下：
其中，T′l表示负载的第一转矩，表示采集的负载的角速度，Ts为电流采样周期，Kt为转矩常量[Nm/A]，Ts为电磁转矩[Nm]，N为电机转速单位，xT、(x+1)T为一次加速负载学习起点和终点时间，yT、(y+1)T为一次减速负载学习起点和终点时间，iqxT(n)为第n次加速电机等效q轴电流，iqyT(n)为第n次减速电机等效q轴电流。
电压采集单元150用于采集交流电源的电压，并传输给气悬浮电机转子控制装置140，以使得气悬浮电机转子控制装置140判断当前的交流电源的电压是否符合预期。
气悬浮电机转子控制装置140，被配置为基于采集的信息，执行气悬浮电机转子控制方法，以使得电磁转矩的交轴分量电流能够跟随负载转矩的变化，负载转矩与电磁转矩保持动态平衡，从而实现转子高精度均衡控制。下面具体描述气悬浮电机转子控制装置140执行的气悬浮电机转子控制方法。
图2A示出本公开一些实施例的气悬浮电机转子控制方法的示意图。
如图2A所示，气悬浮电机转子控制方法由气悬浮电机转子控制装置执行，并且包括以下步骤。
在步骤200，控制变频单元上电，按照规划的运行曲线，驱使被控的气悬浮电机运行。
在一些实施例中，控制变频单元上电包括：控制整流单元的各组串联结构中的可控硅的导通角，使得所述整流单元与所述逆变单元之间的直流母线电压升到预设值Vdc，逆变单元驱使气悬浮电机高速运行。其中，气悬浮电机为永磁同步电机，例如为气悬浮高速永磁同步气悬浮电机，但不限于所举示例。
在一些实施例中，预先规划负载的运行曲线，设为以便按照规划的运行曲线，驱使被控的气悬浮电机运行。可以按照业务控制需要，预先规划负载的运行曲线。作为一种示例，参见图3中从上往下的第一条波形和第二条波形，从初始速度ω0开始，第一加速至速度ω1，速度持续时间T1，匀速时间t0，第二加速至速度ω2，速度持续时间T2，匀速时间t0，第一减速至速度ω2，速度持续时间T3，匀速时间t0，第二减速至速度ω1，速度持续时间T4，匀速时间t0。其中ω1≠ω2，T1＝T2＝T3＝T4，参数大小关系可根据业务需要设置。基于负载的运行曲线的示例，负载的第一转矩如图3中从上往下的第三条波形和第四条波形所示。
在步骤210，获取采集信息。
从采集单元、传感器等信息采集装置获取采集信息，以便对气悬浮电机转子进行控制。例如，执行步骤(1)和步骤(2)(二者执行不分先后顺序)获取采集信息。
在步骤(1)，获取采集的输入气悬浮电机的三相电流。
电流采集单元采集输入气悬浮电机的三相电流iaibic，其中，ib可以是基于采集的iaic以及ia+ib+ic＝0计算得到的，也可以是直接采集得到的，并传输给气悬浮电机转子控制装置，以便气悬浮电机转子控制装置获取采集的输入气悬浮电机的三相电流。
在步骤(2)，获取采集的负载的第一转矩T′l，所述第一转矩对应第一电流i′l。
转矩传感器采集负载的第一转矩，经过差分信号放大处理，偏置信号调理后，传输给气悬浮电机转子控制装置，以便气悬浮电机转子控制装置获取采集的负载的第一转矩。
在恒电流情况下，转矩＝转矩常数×电流(此时可以无视转速)，因此，在转矩常数已知的情况下，根据该公式可以确定第一转矩对应的第一电流。
在步骤220，基于采集信息，对负载进行预测补偿。
该预测补偿包括交轴分量电流的补偿以及转子的位置角的补偿，使得电磁转矩的交轴分量电流能够跟随负载转矩的幅值和相位的变化，负载转矩与电磁转矩保持动态平衡，从而实现转子高精度均衡控制。根据控制精度要求，可以执行至少一种上述两种补偿。下面具体描述预测补偿的一种示例性过程，如图2B所示，参见步骤221～227，先执行交轴分量电流的补偿，再执行转子的位置角的补偿，能够更快速地实现转子高精度均衡控制。
在步骤221，观测获得转子的第一位置角
观测获得转子的位置角可以采用多种方法，例如：基于同步机的数学模型估算转子位置角、通过估算转子磁链进而计算转子位置角、通过滑模观测器估算转子位置角等方法。本公开实施例提供了一种无位置传感器的高基频位置观测器的转子的位置角观测方法。
永磁同步气悬浮电机高速运行时，高基频下，载波比小，采样点减少，气悬浮电机转子位置角误差增大，加负载时，气悬浮双级轴承阻力增大，气动惯力增大，严重时，转子失去动平衡，出现偏心现象，此时气悬浮电机负载参数离散变化，气悬浮电机转子位置观测误差增大。采用自学习负载并实时注入L增益矩阵状态观测器观测转子位置，可有效提升转子精度。
经过矢量控制坐标变换实现气悬浮电机解耦，永磁同步气悬浮电机在同步旋转参考系(synchronous rotating frame，SRF)d-q轴上的数学模型电压方程为：
其中，下标s表示定子、上标r表示在SRF上定义相应的变量，分别为d轴/q轴定子电压[V]和电流[A]，Ld、Lq分别为d轴/q轴定子电感[H]，rs为定子电阻[Ω]，ωr为转速[rad/sec]，Ke为反电动势常量[V.sec/rad]。
假设实际转子角度和估计转子角度之间的误差足够小，从而可以忽略实际SRF上的定子电感和估计SRF上由于转子凸度引起的定子电感之间的差异，则可以从(1)(2)中导出估计SRF的d-q轴电压方程，如下：
其中θ，/>分别为转子的期望位置角[rad]和估算位置角[rad]，由式(3)(4)中反电动势电压定义为状态变量为：
然而，如果反电动势常数与实际值不相同，这种方法会导致估计旋转频率的比例误差。因此系统可能不稳定，估计旋转角度误差的一个替代方案是将估计的d轴反电动势电压除以估计的q轴反电动势电压，如下：
其中，分别表示估计的d轴/q轴反电动势电压，可利用式(3)(4)估计得到。
在利用式(7)计算出后，在已知转子的期望位置角θ的情况下，根据式子即可计算得到转子的估算位置角/>(即转子的第一位置角)。
在步骤222，对所述三相电流iaibic进行静态坐标变换得到第二电流iαiβ。
其中，静态坐标例如为Clark变换，即从静止三相坐标系abc变换到静止坐标系αβ的过程，在静止坐标系αβ中，α轴和β轴的相位差为90°。
在步骤223，对所述第二电流iαiβ进行所述第一位置角下的旋转坐标变换得到第三电流/>
其中，旋转坐标变换为Park变换，即从静止坐标系αβ变换到旋转坐标系dq的过程。dq坐标系相对于定子来说是旋转的坐标系，dq坐标系旋转的角速度和转子旋转的角速度相同，相对于转子来说，dq坐标系就是静止的坐标系。根据物理结构，d轴方向与转子磁链方向重合，又叫直轴，q轴方向与转子磁链方向垂直，又叫交轴。
在步骤224，利用所述第一电流i′l对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流。下面具体描述。
在步骤224-1，基于转子的检测角速度与期望角速度ωr的差距信息，确定第一交轴分量电流参考值i′qs和直轴分量电流参考值/>
将转子的检测角速度与期望角速度的差值经过比例积分(proportionalintegral，PI)运算得到电流参考值is；基于所述电流参考值is进行最大转矩电流比(Maximum Torque per Ampere，MTPA)控制，得到第一交轴分量电流参考值i′qs和直轴分量电流参考值
从而，缩小转子的检测角速度与期望角速度ωr之间的差距，进而实现转子高精度均衡控制。
在步骤224-2，根据所述第一电流i′l和所述第一交轴分量电流参考值i′qs，确定第二交轴分量电流参考值
将所述第一电流i′l加上所述第一交轴分量电流参考值i′qs，得到第二交轴分量电流参考值
在步骤224-3，根据所述第二交轴分量电流参考值和所述第三电流中的交轴分量电流/>确定所述第四电流中的交轴分量电流/>
将所述第二交轴分量电流参考值减去所述第三电流中的交轴分量电流/>得到所述第四电流中的交轴分量电流/>
从而，通过交轴分量电流的补偿，使得电磁转矩的交轴分量电流能够跟随负载转矩(幅值)的变化，负载转矩与电磁转矩保持动态平衡，从而实现转子高精度均衡控制。
在步骤224-4，根据所述直轴分量电流参考值和所述第三电流中的直轴分量电流/>确定所述第四电流中的直轴分量电流/>
将所述直轴分量电流参考值减去所述第三电流中的直轴分量电流/>得到所述第四电流中的直轴分量电流/>
从而，更准确地确定直轴分量电流，进而实现转子高精度均衡控制。
和/>合起来为第四电流。
在步骤225，对所述第四电流进行比例积分运算得到第一电压。
在一些实施例中，对第四电流中的直轴分量电流进行比例积分运算，得到第一电压的直轴分量电压/>对第四电流中的交轴分量电流/>进行比例积分运算，得到第一电压的交轴分量电压/>和/>合起来为第一电压。
在步骤226，对所述第一电压进行第二位置角下的旋转坐标反变换得到第二电压。
旋转坐标反变例如为Park反变换，即从静止坐标系dq变换到旋转坐标系αβ的过程。对第一电压进行第二位置角下的Park反变换得到第二电压vαvβ。
其中，第二位置角是进行补偿后的位置角。第二位置角基于历史时刻的相位误差确定。在一些实施例中，根据历史时刻的相位误差以及不同系统状态下的相位响应和反馈系数，确定历史时刻的第三位置角；对各个历史时刻的第三位置角进行累计计算，得到第二位置角。从而更准确地确定转子的位置角。
具体来说，建立自学习链预测目标相位函数，对状态反馈系数 进行实时追踪。对于第i时刻，在相位误差为di时的位置角θi 式中，Tc为预测时间，di为某一时刻i存在的相位误差，(Tc-di)表示预测时间Tc中时刻i存在的相位误差di，θi(Tc-di)表示第i时刻的控制装置输出的位置角，i＝1、2…r，r为学习长度，为系统的不同状态j下相位误差为di的最优状态反馈控制的反馈系数，xj为在状态j下的相位响应，j＝1、2…，因此/>(Tc-di)…为系统的状态信号传输存在的相位误差。假设学习到的相位误差为Mdi，即di＝Mdi，θi(Tc-di)＝θi(Tc-Mdi)，则相位误差为Mdi时控制装置输出的位置角/> 也即对各个历史时刻i的第三位置角θi(Tc-Mdi)进行累计计算，得到第二位置角
在步骤227，基于所述第二电压生成转子的控制信号。
对所述第二电压进行空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse WidthModulation，SVPWM)，并将调制信号输入逆变单元，得到逆变单元输出的转子的控制信号。其中，六路调制信号分别输入逆变单元的六个控制元件。从而，将直流母线信号转换成用于控制转子的交流控制信号。
在步骤230，满足预设条件时，停止预测补偿，流程结束。
在所述第一转矩小于预设转矩的情况下，停止预测补偿步骤，流程结束。
上述实施例，通过交轴分量电流的补偿以及转子的位置角的补偿中的至少一项，使得电磁转矩的交轴分量电流能够跟随负载转矩(幅值和相位)的变化，负载转矩与电磁转矩保持动态平衡，从而实现转子高精度均衡控制。例如，对于气悬浮轴承，可以达到微米(um)级别(如12um)的高精度均衡控制，大大提升了气悬浮轴承的可靠性，使得气悬浮轴承所应用的离心式制冷机组能够高速运行、高效调温。
图4示出了未实施本公开控制方案前转子偏离预定轨迹(左图)、实施本公开控制方案后转子达到预定轨迹(右图)的示意图。其中，如左图所示，偏离预定轨迹时，转子外围的间隙不均匀，上部分的间隙明显较大。如右图所示，达到预定轨迹时，转子外围的间隙相对比较均匀。
图5示出本公开一些实施例的气悬浮电机转子控制装置的示意图。
如图5所示，在一些实施例中，气悬浮电机转子控制装置包括：处理器510，被配置为执行气悬浮电机转子控制方法，具体控制方法参见前述实施例的描述，这里不再赘述。其中，处理器例如可以用但不限于通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或其它可编程逻辑设备、分立门或晶体管等分立硬件组件方式来实现。
如图5所示，在一些实施例中，气悬浮电机转子控制装置还包括：输入输出接口520，用于输入采集的负载的第一转矩，所述第一转矩对应第一电流；输入采集的输入气悬浮电机的三相电流；输出转子的控制信号等。
处理器510与输入输出接口520之间可通过总线连接。总线可以使用多种总线结构中的任意总线结构。例如，总线结构包括但不限于工业标准体系结构(Industry StandardArchitecture，ISA)总线、微通道体系结构(Micro Channel Architecture，MCA)总线、外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线。
图6示出本公开另一些实施例的气悬浮电机转子控制装置的示意图。
如图6所示，在一些实施例中，气悬浮电机转子控制装置包括：
输入输出接口610，用于输入采集的负载的第一转矩，所述第一转矩对应第一电流；输入采集的输入气悬浮电机的三相电流；输出转子的控制信号；
观测器620，被配置为观测获得转子的第一位置角；
静态坐标变换单元630，被配置为对所述三相电流进行静态坐标变换得到第二电流；
旋转坐标变换单元640，被配置为对所述第二电流进行所述第一位置角下的旋转坐标变换得到第三电流；
补偿单元650(未直接示出)，被配置为利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流；
信号生成单元660(未直接示出)，被配置为基于所述第四电流生成转子的控制信号。
在一些实施例中，所述信号生成单元660包括：
第一比例积分运算单元661，被配置为对所述第四电流进行比例积分运算得到第一电压；
旋转坐标反变换单元662，被配置为对所述第一电压进行第二位置角下的旋转坐标反变换得到第二电压，所述第二位置角基于历史时刻的相位误差确定；
控制信号生成单元663(未直接示出)，被配置为基于所述第二电压生成转子的控制信号。
在一些实施例中，气悬浮电机转子控制装置还包括：学习单元670，被配置为根据历史时刻的相位误差以及不同系统状态下的相位响应和反馈系数，确定历史时刻的第三位置角；对各个历史时刻的第三位置角进行累计计算，得到第二位置角。
在一些实施例中，所述补偿单元650包括：
确定单元651(未直接示出)，被配置为基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定第一交轴分量电流参考值；
第一加法器652，被配置为根据所述第一电流和所述第一交轴分量电流参考值，确定第二交轴分量电流参考值；
第二加法器653，被配置为根据所述第二交轴分量电流参考值和所述第三电流中的交轴分量电流，确定所述第四电流中的交轴分量电流。
在一些实施例中，所述确定单元651，被配置为基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定直轴分量电流参考值；
所述补偿单元还包括：第三加法器654，被配置为根据所述直轴分量电流参考值和所述第三电流中的直轴分量电流，确定所述第四电流中的直轴分量电流。
在一些实施例中，所述确定单元651包括：
第四加法器651-1，被配置为计算转子的检测角速度与期望角速度的差值；
第二比例积分运算单元651-2，被配置为将转子的检测角速度与期望角速度的差值经过比例积分运算得到电流参考值；
最大转矩电流比控制单元651-3，被配置为基于所述电流参考值进行最大转矩电流比控制，得到第一交轴分量电流参考值和直轴分量电流参考值。
所述控制信号生成单元663包括：调制单元663-1，被配置为对所述第二电压进行空间矢量脉冲宽度调制，并将调制信号输入逆变单元，得到逆变单元输出的转子的控制信号。
所述补偿单元650，被配置为在所述第一转矩小于预设转矩的情况下，停止执行利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿的步骤。
结合图6，可以更明确地看出控制装置采用负载-转速-转矩三闭环控制、负载在线自学习器规划负载运行曲线、无位置传感器转速辨识、磁场导向控制(field-orientedcontrol，简称FOC，也称为矢量控制)相互组合的控制方法，使得电磁转矩的交轴分量电流能够跟随负载转矩(幅值和相位)的变化，负载转矩与电磁转矩保持动态平衡，从而实现转子高精度均衡控制。
本领域内的技术人员应当明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机程序代码的非瞬时性计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的较佳实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (22)
1.一种气悬浮电机转子控制方法，其特征在于，包括：
获取采集的负载的第一转矩，所述第一转矩对应第一电流；
获取采集的输入气悬浮电机的三相电流；
观测获得转子的第一位置角；
对所述三相电流进行静态坐标变换得到第二电流；
对所述第二电流进行所述第一位置角下的旋转坐标变换得到第三电流；
利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流；
基于所述第四电流生成转子的控制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述第四电流生成转子的控制信号包括：
对所述第四电流进行比例积分运算得到第一电压；
对所述第一电压进行第二位置角下的旋转坐标反变换得到第二电压，所述第二位置角基于历史时刻的相位误差确定；
基于所述第二电压生成转子的控制信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于历史时刻的相位误差确定第二位置角包括：
根据历史时刻的相位误差以及不同系统状态下的相位响应和反馈系数，确定历史时刻的第三位置角；
对各个历史时刻的第三位置角进行累计计算，得到第二位置角。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流包括：
基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定第一交轴分量电流参考值；
根据所述第一电流和所述第一交轴分量电流参考值，确定第二交轴分量电流参考值；
根据所述第二交轴分量电流参考值和所述第三电流中的交轴分量电流，确定所述第四电流中的交轴分量电流。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述得到第四电流还包括：
基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定直轴分量电流参考值；
根据所述直轴分量电流参考值和所述第三电流中的直轴分量电流，确定所述第四电流中的直轴分量电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定第一交轴分量电流参考值和直轴分量电流参考值包括：
将转子的检测角速度与期望角速度的差值经过比例积分运算得到电流参考值；
基于所述电流参考值进行最大转矩电流比控制，得到第一交轴分量电流参考值和直轴分量电流参考值。
7.根据权利要求2-3任一项所述的方法，其特征在于，基于所述第二电压生成转子的控制信号包括：
对所述第二电压进行空间矢量脉冲宽度调制，并将调制信号输入逆变单元，得到逆变单元输出的转子的控制信号。
8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中，在所述第一转矩小于预设转矩的情况下，停止执行利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿的步骤。
9.一种气悬浮电机转子控制装置，其特征在于，包括：
处理器，被配置为执行权利要求1-8中任一项所述的气悬浮电机转子控制方法。
10.一种气悬浮电机转子控制装置，其特征在于，包括：
输入输出接口，用于输入采集的负载的第一转矩，所述第一转矩对应第一电流；输入采集的输入气悬浮电机的三相电流；输出转子的控制信号；
观测器，被配置为观测获得转子的第一位置角；
静态坐标变换单元，被配置为对所述三相电流进行静态坐标变换得到第二电流；
旋转坐标变换单元，被配置为对所述第二电流进行所述第一位置角下的旋转坐标变换得到第三电流；
补偿单元，被配置为利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿得到第四电流；
信号生成单元，被配置为基于所述第四电流生成转子的控制信号。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述信号生成单元包括：
第一比例积分运算单元，被配置为对所述第四电流进行比例积分运算得到第一电压；
旋转坐标反变换单元，被配置为对所述第一电压进行第二位置角下的旋转坐标反变换得到第二电压，所述第二位置角基于历史时刻的相位误差确定；
控制信号生成单元，被配置为基于所述第二电压生成转子的控制信号。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括：
学习单元，被配置为根据历史时刻的相位误差以及不同系统状态下的相位响应和反馈系数，确定历史时刻的第三位置角；对各个历史时刻的第三位置角进行累计计算，得到第二位置角。
13.根据权利要求10-12任一项所述的装置，其特征在于，所述补偿单元包括：
确定单元，被配置为基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定第一交轴分量电流参考值；
第一加法器，被配置为根据所述第一电流和所述第一交轴分量电流参考值，确定第二交轴分量电流参考值；
第二加法器，被配置为根据所述第二交轴分量电流参考值和所述第三电流中的交轴分量电流，确定所述第四电流中的交轴分量电流。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述确定单元，被配置为基于转子的检测角速度与期望角速度的差距信息，确定直轴分量电流参考值；
所述补偿单元还包括：第三加法器，被配置为根据所述直轴分量电流参考值和所述第三电流中的直轴分量电流，确定所述第四电流中的直轴分量电流。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述确定单元包括：
第四加法器，被配置为计算转子的检测角速度与期望角速度的差值；
第二比例积分运算单元，被配置为将转子的检测角速度与期望角速度的差值经过比例积分运算得到电流参考值；
最大转矩电流比控制单元，被配置为基于所述电流参考值进行最大转矩电流比控制，得到第一交轴分量电流参考值和直轴分量电流参考值。
16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述控制信号生成单元包括：
调制单元，被配置为对所述第二电压进行空间矢量脉冲宽度调制，并将调制信号输入逆变单元，得到逆变单元输出的转子的控制信号。
17.根据权利要求10-12任一项所述的装置，其特征在于，
所述补偿单元，被配置为在所述第一转矩小于预设转矩的情况下，停止执行利用所述第一电流对所述第三电流中的交轴分量电流进行补偿的步骤。
18.一种气悬浮电机转子控制系统，其特征在于，包括：
连接在交流电源与气悬浮电机之间的变频单元；
设置在变频单元的输出端与气悬浮电机之间的电流采集单元，被配置为采集输入气悬浮电机的三相电流；
连接气悬浮电机的负载采集单元，被配置为采集负载的第一转矩；以及
权利要求9-17任一项所述的气悬浮电机转子控制装置，分别与所述变频单元、所述电流采集单元、所述负载采集单元连接。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述变频单元包括：整流单元和逆变单元，所述逆变单元连接在所述整流单元与所述气悬浮电机之间。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述整流单元包括并联的三组串联结构，每组串联结构包括串联的可控硅和二极管；
所述气悬浮电机转子控制装置，被配置为控制整流单元的各组串联结构中的可控硅的导通角，使得所述整流单元与所述逆变单元之间的直流母线电压达到预设值。
21.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述负载采集单元包括：
转矩传感器，被配置为采集负载的第一转矩；
与转矩传感器连接的差分信号放大单元；
与差分信号放大单元连接的偏置信号调理单元。
22.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8中任一项所述的气悬浮电机转子控制方法的步骤。
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