无轴承永磁同步电机数控伺服系统与控制方法

摘要

本发明适用于密封泵、高速或超高速数控机床、工业机器人、航空航天、生命科学等众多特殊电气传动领域。其特征在于将三自由度径向-轴向混合磁轴承、二自由度无轴承永磁同步电机构成5自由度无轴承永磁同步电机数控伺服系统样机本体；采用x方向位置PID控制器、y方向位置PID控制器和z方向位置PID控制器进行独立控制，通过调整位置PID控制器的参数，实现混合磁轴承稳定工作。通过检测转子转速的大小和方向，采用基于转子磁场的定向控制策略进行动态解耦控制，通过调整径向位置控制子系统内环中2个PI控制器参数和外环中2个PID控制器的参数，能保证无轴承永磁同步电机径向位置控制子系统具有优良的动静态性能；通过调整速度控制子系统中3个PI控制器参数，确保转速具有优良的响应性能。

主权项

1、无轴承永磁同步电机数控伺服系统，其特征在于无轴承永磁同步电机本体是由在缸筒内套中的二自由度无轴承永磁同步电机(21)和三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)构成；右端的三自由度径向-轴向混合磁轴承(22)由径向辅助轴承(1)固定在后端盖(4)中；1个轴向位移传感器探头(201)固定在后端盖(4)上，处于转轴(3)的中心上，检测转轴(3)的轴向位移；磁轴承的4个径向位移传感器探头(202)固定在磁轴承的传感器支架(111)上，磁轴承的传感器支架(111)固定在紧靠磁轴承的右侧面的位置处；磁轴承转子铁芯(5)同转轴(3)固定在一起，由硅钢片材料叠压而成；磁轴承的轴向定子(6)包围径向定子(9)和环形永磁体(8)，环形永磁体(8)安装在磁轴承径向定子(9)和磁轴承的轴向定子(6)之间；磁轴承径向控制线圈(10)分别绕在径向定子(9)的沿圆周均匀分布的四个磁极上，相对的2个磁极上的线圈相串联为一个径向自由度的控制线圈，提供径向控制磁通；磁轴承的轴向控制线圈(7)在磁轴承轴向定子内侧，轴向控制线圈(7)均分成2个线圈位于磁轴承径向定子(9)和永磁体(8)两侧，2个线圈串联连接；左端的二自由度无轴承永磁同步电机(21)中，无轴承永磁同步电机转子(14)表面装有永磁材料钕铁硼做成极对数为2的永磁体，永磁体外面用钢筒固定，电机转子(14)装在转轴(3)上；无轴承永磁同步电机定子(13)的定子槽中叠压转矩绕组和悬浮力绕组，这两套绕组的极对数为±1的关系；无轴承永磁同步电机的4个径向位移传感器探头(203)安装在靠近前端盖(18)的电机的传感器支架(112)上，采用差动测量径向二自由度的位移，电机的传感器支架(112)固定在无轴承永磁同步电机(21)的左侧的位置处；设有测量转速的4个霍尔传感器(15)固定在电机的传感器支架(112)的右侧面上；前端盖中装有辅助轴承(19)作为无轴承永磁同步电机的辅助支承轴承。