CN201374678Y - 无轴承永磁同步电机的控制器 - Google Patents

Abstract

无轴承永磁同步电机的控制器，包括直接转矩控制器和悬浮力直接控制器；直接转矩控制器用于生成无轴承永磁同步电机转矩绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行直接控制；悬浮力直接控制器直接生成悬浮力绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对悬浮力绕组磁链和转子径向悬浮力进行直接控制。本实用新型由直接转矩控制器和悬浮力直接控制器形成转矩和悬浮力直接控制器，对无轴承永磁同步电机进行控制，该控制器结构简单且性能优良。

Description

无轴承永磁同步电机的控制器

技术领域

本实用新型涉及电力传动控制设备的技术领域，具体涉及无轴承永磁同步电机的控制器。

背景技术

无轴承永磁同步电机继承了磁轴承支承电机的无润滑、无磨损、无机械噪声等特点，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使用前景。无轴承永磁同步电机是一类多变量、非线性、强耦合的被控对象，其径向位置、转速难以通过外加的信号准确地控制。若要实现电机转子稳定悬浮和运行，必须对电机转矩力和悬浮力进行解耦控制。

目前，无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力解耦控制采用矢量控制。相对于矢量控制，直接转矩控制具有控制结构简单，转速响应快，优良的动静态性能，对电机参数表现出强的鲁棒性等优点。传统的悬浮力矢量控制中，系统过多依赖于电机参数以及矢量坐标变换的复杂性使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果；悬浮力处于开环状态，限制了悬浮力控制的精度和动态响应性能；采用电流跟踪型逆变器，逆变器开关频率高，逆变器容量利用率不高。

为进一步提高无轴承永磁同步电机的动态工作性能，更好的实现无轴承永磁同步电机的转矩和径向悬浮力的解耦控制，需采用一些新的控制技术和新的控制方法。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种既可使无轴承永磁同步电机具有优良的动、静态控制性能，抗电机参数变化及抗负载扰动能力强，又能有效地提高无轴承永磁同步电机的各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度及参数鲁棒性的无轴承永磁同步电机控制器。

实现本实用新型目的的技术方案是：无轴承永磁同步电机的控制器，包括直接转矩控制器和悬浮力直接控制器；

直接转矩控制器用于生成无轴承永磁同步电机转矩绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行直接控制；

悬浮力直接控制器直接生成悬浮力绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对悬浮力绕组磁链和转子径向悬浮力进行直接控制。

所述直接转矩控制器进一步由两个PI控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、参考磁链生成模块和空间矢量脉宽调制模块SVM组成；转矩绕组磁链和转矩观测器用于在线计算出转矩绕组磁链幅值ψ_s1和相位θ及电机转矩T_e；转速指令值ω^*和实时转速ω的比较差值经PI控制器调制后生成转矩指令值T_e ^*，T_e ^*与转矩实时值T_e的比较差值，再经PI控制器调制后生成转矩绕组磁链相位角增量Δδ，然后参考磁链生成模块根据Δδ与转矩绕组磁链幅值指令值ψ_s1 ^*及实时磁链幅值ψ_s1和相位θ生成电压指令值U_α和U_β，再经空间矢量脉宽调制模块SVM调制后生成电压源逆变器开关信息，驱动逆变器实现无轴承永磁同步电机直接转矩控制。

所述悬浮力直接控制器由两个PID控制器、悬浮力绕组磁链观测器、悬浮力估算模型、力/磁链转换模块和空间矢量脉宽调制模块SVM组成；悬浮力估算模型用于计算出悬浮力静止坐标分量F_α和F_β；首先转子位置指令值x^*和y^*分别与传感器获得的位移值x和y的比较差值经PID控制器调制后生成悬浮力指令值F_α ^*和F_β ^*，然后F_α和F_β ^*分别与F_α和F_β的比较差值经力/磁链转换模块根据 $\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔF}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ΔF}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)=k_F\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\μ}& \sin \mathrm{\μ}\\ -\sin \mathrm{\μ}& \cos \mathrm{\μ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\Δ\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\end{array}\right)$ 生成悬浮力绕组磁链增量，再经空间矢量脉宽调制模块SVM调制后得到电压源逆变器开关信息，驱动逆变器实现无轴承永磁同步电机悬浮力直接控制。

所述转矩绕组磁链和转矩观测器由电流Clark变换、转矩绕组电压计算模块、磁链观测模型和转矩观测模型组成；转矩绕组磁链和转矩观测器的输入为电机转矩绕组定子相电流i_a、i_b、电压源逆变器直流电压U_DC和逆变器的开关状态，输出为转矩绕组磁链幅值ψ_s1和相位θ、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1和相位μ及转矩T_e；磁链幅值ψ_s1及相位θ将用于参考磁链生成模块，气隙磁链幅值ψ_m1及相位μ将用于转子径向悬浮力估算，转矩T_e将作为转矩闭环控制的反馈量。

所述悬浮力绕组磁链观测器由电流Clark变换、悬浮力绕组电压计算模块和悬浮力绕组磁链观测模型组成；悬浮力绕组磁链观测器的输入为电机悬浮力绕组定子相电流i_a、i_b、电压源逆变器直流电压U_DC和逆变器的开关状态，输出为悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2及相位λ；磁链幅值ψ_s2及相位λ将用于转子径向悬浮力估算；悬浮力估算模型根据无轴承电机转子径向悬浮力公式在线计算出悬浮力F_α、F_β，作为悬浮力闭环控制的反馈量。悬浮力绕组磁链观测器及悬浮力估算模型将作为悬浮力直接控制器的组成部分。

本实用新型的原理是改变传统无轴承永磁同步电机采用矢量控制的策略，设计了一种无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力直接控制器对无轴承永磁同步电机的转矩和转子径向悬浮力进行独立控制。

本实用新型的优点在于：

1.采用转矩和悬浮力直接控制方法，将无轴承永磁同步电机复杂非线性强耦合系统的转矩和转子径向悬浮力控制问题转化为简单的直接转矩控制和直接悬浮力控制两个直接控制子系统的独立控制问题，很容易实现电机转矩和悬浮力之间的独立控制，可获得优良的电机运行性能。

2.用转矩和悬浮力直接控制方法来实现无轴承永磁同步电机高性能控制，具有控制结构简单，转速响应快，优良的动静态性能，对电机参数表现出强的鲁棒性等优点，完全摆脱了传统矢量控制过多依赖于电机参数、复杂的矢量坐标变换、电流跟踪型逆变器开关频率高和逆变器容量利用率不高的缺点。也摆脱了处于开环状态的悬浮力矢量控制对悬浮力控制精度和动态响应性能的限制。

本实用新型构造的无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力直接控制器，提高了无轴承永磁同步电机控制性能，而且可推广到其它无轴承电机控制系统。无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力直接控制方法的应用前景是非常广阔的，转矩和悬浮力直接控制方法在其它类型的无轴承电机中也具有非常广阔的应用价值。

附图说明

图1是由坐标变换11、转矩绕组电压计算模块12、转矩绕组磁链观测模型13以及转矩观测模型14组成的无轴承永磁同步电机转矩绕组磁链和转矩观测器10的原理图。

图2是由两个PI控制器24、25、转矩绕组磁链和转矩观测器10、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块SVM 22组成的无轴承永磁同步电机直接转矩控制器20的原理图。

图3是由坐标变换31、悬浮力绕组电压计算模块32和悬浮力绕组磁链观测模型33组成的无轴承永磁同步电机悬浮力绕组磁链观测器30的原理图及悬浮力估算模型34的原理图。

图4是由两个PID控制器43、44、悬浮力绕组磁链观测器30、悬浮力估算模型34、力/磁链转换模块41和空间矢量脉宽调制模块SVM 42组成的无轴承永磁同步电机悬浮力直接控制器40的原理图。

图5是由直接转矩控制器20和悬浮力直接控制器40组成的无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力直接控制器50的原理框图。

具体实施方式

本实用新型的实施方式是：基于无轴承永磁同步电机样机本体，将转矩和悬浮力直接控制系统等效为转矩直接控制和悬浮力直接控制两个子系统。对于转矩直接控制子系统，构造由两个PI控制器、转矩绕组磁链和转矩观测器、参考磁链生成模块和空间矢量脉宽调制模块SVM组成的带有转速和转矩双闭环的直接转矩控制系统，首先采用转矩绕组磁链和转矩观测器来获取直接转矩控制所需的转矩绕组磁链和转矩信息；然后将所观测的转矩绕组实时磁链和转矩信息应用于直接转矩控制器，生成转矩绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行直接控制。对于悬浮力直接控制子系统，构造由两个PID控制器、悬浮力绕组磁链观测器、悬浮力估算模型、力/磁链转换模块和空间矢量脉宽调制模块SVM组成的带有转子位移和悬浮力双闭环的悬浮力直接控制子系统，首先采用悬浮力绕组磁链观测器来获取悬浮力绕组磁链信息；然后由悬浮力估算模型根据转矩绕组和悬浮力绕组磁链在线计算出悬浮力；在此基础上，由悬浮力直接控制器直接生成悬浮力绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对转子径向悬浮力进行直接控制。由直接转矩控制器和悬浮力直接控制器共同构成无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力直接控制器，对电机转矩和径向悬浮力进行独立控制。

具体的实施分以下5步：

1.对无轴承永磁同步电机构造转矩绕组磁链和转矩观测器，如图1所示。转矩绕组磁链和转矩观测器10由坐标变换11、转矩绕组电压计算模块12、转矩绕组磁链观测模型13和转矩观测模型14组成。转矩绕组磁链和转矩观测器10的输入为电机转矩绕组定子相电流i_a、i_b、电压源逆变器VSI15直流电压U_DC和开关状态，输出为转矩绕组磁链幅值ψ_s1和相位θ、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1和相位μ及转矩T_e。转矩绕组磁链幅值ψ_s1及相位θ将用于参考磁链生成模块，合成气隙磁链幅值ψ_m1及相位μ将用于转子径向悬浮力估算，转矩T_e将作为转矩闭环控制的反馈量。转矩绕组磁链和转矩观测器10将作为直接转矩控制器的一个组成部分。

2.形成直接转矩控制器，如图2所示。直接转矩控制器20由两个PI控制器(24、25)、转矩绕组磁链和转矩观测器10、参考磁链生成模块21和空间矢量脉宽调制模块SVM 22组成。转矩绕组磁链和转矩观测器10在线计算出转矩绕组磁链幅值ψ_s1和相位θ及电机转矩T_e。首先转速指令值ω^*和实时转速ω的比较差值经PI控制器24调制后生成转矩指令值T_e ^*，T_e ^*与转矩实时值T_e的比较差值，再经PI控制器25调制后生成转矩绕组磁链相位角增量Δδ，然后参考磁链生成模块21根据Δδ与转矩绕组磁链幅值指令值ψ_s1 ^*及实时磁链幅值ψ_s1和相位θ生成电压指令值U_α和U_β，再经空间矢量脉宽调制模块SVM 22调制后生成电压源逆变器VSI15开关信息，驱动逆变器实现无轴承永磁同步电机直接转矩控制。

3.对无轴承永磁同步电机构造悬浮力绕组磁链观测器及悬浮力估算模型，如图3所示。悬浮力绕组磁链观测器30由坐标变换31、悬浮力绕组电压计算模块32和悬浮力绕组磁链观测模型33组成。悬浮力绕组磁链观测器30的输入为电机悬浮力绕组定子相电流i_a、i_b、电压源逆变器VSI35直流电压U_DC和开关状态，输出为悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2及相位λ。磁链幅值ψ_s2及相位λ将用于转子径向悬浮力估算。悬浮力估算模型34根据无轴承电机转子径向悬浮力公式 $\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}=k_M{\mathrm{\ψ}}_{m1}{\mathrm{\ψ}}_{s2}\cos (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\\ F_{\mathrm{\β}}=k_M{\mathrm{\ψ}}_{m1}{\mathrm{\ψ}}_{s2}\sin (\mathrm{\λ}-\mathrm{\μ})\end{array}\right.$ 在线计算出悬浮力F_α、F_β，作为悬浮力闭环控制的反馈量。悬浮力绕组磁链观测器30及悬浮力估算模型34将作为悬浮力直接控制器的组成部分。

4.形成悬浮力直接控制器，如图4所示。悬浮力直接控制器由两个PID控制器(43、44)、悬浮力绕组磁链观测器30、悬浮力估算模型34、力/磁链转换模块41和空间矢量脉宽调制模块SVM42组成。悬浮力估算模型34计算出悬浮力静止坐标分量F_α和F_β。首先转子位置指令值x^*和y^*分别与传感器获得的位移值x和y的比较差值经PID控制器(43、44)调制后生成悬浮力指令值F_α ^*和F_β ^*，然后F_α ^*和F_β ^*分别与F_α和F_β的比较差值经力/磁链转换模块41根据 $\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔF}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ΔF}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)=k_F\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\μ}& \sin \mathrm{\μ}\\ -\sin \mathrm{\μ}& \cos \mathrm{\μ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\Δ\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\end{array}\right)$ 生成悬浮力绕组磁链增量，再经空间矢量脉宽调制模块SVM42调制后得到电压源逆变器VSI35开关信息，驱动逆变器35实现无轴承永磁同步电机悬浮力直接控制。

5.形成无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力直接控制器，如图5所示。由直接转矩控制器20和悬浮力直接控制器40共同构成。可根据不同的控制要求采用不同的硬件或软件来实现。

根据以上所述，便可实现本实用新型。

Claims (5)

1、无轴承永磁同步电机的控制器，其特征是，该控制器包括直接转矩控制器和悬浮力直接控制器；

直接转矩控制器用于生成无轴承永磁同步电机转矩绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对转矩绕组磁链和转矩进行直接控制；

悬浮力直接控制器直接生成悬浮力绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对悬浮力绕组磁链和转子径向悬浮力进行直接控制。

2、根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机的控制器，其特征是，所述直接转矩控制器(20)进一步由两个PI控制器(24、25)、转矩绕组磁链和转矩观测器(10)、参考磁链生成模块(21)和空间矢量脉宽调制模块SVM(22)组成；转矩绕组磁链和转矩观测器(10)用于在线计算出转矩绕组磁链幅值ψ_s1和相位θ及电机转矩T_e；转速指令值ω^*和实时转速ω的比较差值经PI控制器(24)调制后生成转矩指令值T_e ^*，T_e ^*与转矩实时值T_e的比较差值，再经PI控制器(25)调制后生成转矩绕组磁链相位角增量Δδ，然后参考磁链生成模块(21)根据Δδ与转矩绕组磁链幅值指令值ψ_s1 ^*及实时磁链幅值ψ_s1和相位θ生成电压指令值U_α和U_β，再经空间矢量脉宽调制模块SVM(22)调制后生成电压源逆变器VSI(15)开关信息，驱动逆变器实现无轴承永磁同步电机直接转矩控制。

3、根据权利要求1所述的无轴承永磁同步电机的控制器，其特征是，所述悬浮力直接控制器(40)由两个PID控制器(43、44)、悬浮力绕组磁链观测器(30)、悬浮力估算模型(34)、力/磁链转换模块(41)和空间矢量脉宽调制模块SVM(42)组成；悬浮力估算模型(34)用于计算出悬浮力静止坐标分量F_α和F_β；首先转子位置指令值x^*和y^*分别与传感器获得的位移值x和y的比较差值经PID控制器(43、44)调制后生成悬浮力指令值F_α ^*和F_β ^*，然后F_α ^*和F_β ^*分别与F_α和F_β的比较差值经力/磁链转换模块根据 $\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\α}}\\ \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)=k_F\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\μ}& \sin \mathrm{\μ}\\ -\sin \mathrm{\μ}& \cos \mathrm{\μ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\α}}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{s2\mathrm{\β}}\end{array}\right)$ 生成悬浮力绕组磁链增量，再经空间矢量脉宽调制模块SVM调制后得到电压源逆变器VSI(35)的开关信息，驱动逆变器实现无轴承永磁同步电机悬浮力直接控制。

4、根据权利要求2所述的无轴承永磁同步电机的控制器，其特征是，所述转矩绕组磁链和转矩观测器(10)由坐标变换(11)、转矩绕组电压计算模块(12)、转矩绕组磁链观测模型(13)和转矩观测模型(14)组成；转矩绕组磁链和转矩观测器(10)的输入为电机转矩绕组定子相电流i_a、i_b、电压源逆变器VSI(15)直流电压U_DC和逆变器的开关状态，输出为转矩绕组磁链幅值ψ_s1和相位θ、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψ_m1和相位μ及转矩T_e；磁链幅值ψ_s1及相位θ将用于参考磁链生成模块，气隙磁链幅值ψ_m1及相位μ将用于转子径向悬浮力估算，转矩Te将作为转矩闭环控制的反馈量。

5、根据权利要求3所述的无轴承永磁同步电机的控制器，其特征是，所述悬浮力绕组磁链观测器(30)由坐标变换(31)、悬浮力绕组电压计算模块(32)和悬浮力绕组磁链观测模型(33)组成；悬浮力绕组磁链观测器(30)的输入为电机悬浮力绕组定子相电流i_a、i_b、电压源逆变器VSI(35)直流电压U_DC和逆变器的开关状态，输出为悬浮力绕组磁链幅值ψ_s2及相位λ；磁链幅值ψ_s2及相位λ将用于转子径向悬浮力估算；悬浮力估算模型(33)根据无轴承电机转子径向悬浮力公式在线计算出悬浮力F_α、F_β，作为悬浮力闭环控制的反馈量。

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