永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法

摘要

本发明公布了一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，属无轴承电机的控制方法。本发明在保持转矩绕组合成气隙磁链恒定的同时，通过适当选择逆变器的开关状态来控制悬浮绕组定子磁链空间矢量的幅值与方向，控制无轴承永磁同步电机悬浮力的大小和方向，对悬浮力采用闭环控制，进一步对转矩控制绕组和悬浮力绕组解耦。本发明是一种对悬浮力控制准确性高，动态响应快，受电机参数影响小的控制方法。

主权项

1.一种永磁型无轴承电机直接悬浮力控制方法，其特征在于采用X轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的横向实时位移信号x，采用Y轴位移传感器采集得到永磁型无轴承电机转子的纵向实时位移信号y，将所述横向实时位移信号x和给定的永磁型无轴承电机转子的横向参考位移信号x^*经过x方向位置环得到横向位移差Δx，将所述纵向实时位移信号y和给定的永磁型无轴承电机转子的纵向参考位移信号y^*经过y方向位置环得到纵向位移差Δy，将所述横向位移差Δx经过PID1调节器得到给定的α轴悬浮力将所述纵向位移差Δy经过PID2调节器得到给定的β轴悬浮力采用悬浮绕组定子磁链幅值与相位计算模块检测永磁型无轴承电机的三相输入电流和三相输入电压即A相电流Ia、A相电压Ua，B相电流Ib、B相电压Ub，C相电流Ic、C相电压Uc，输出悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ；采用转矩控制系统输出转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψ_m1|和相角μ；将所述悬浮绕组定子磁链幅值|ψ_s2|与相位λ和转矩绕组合成气隙磁链的幅值|ψ_m1|和相角μ经过悬浮力估算模块得到反馈的α轴悬浮力F_α和反馈的β轴悬浮力F_β；将所述给定的α轴悬浮力与反馈的α轴悬浮力F_α经过x方向力环得到α轴的悬浮力矢量差ΔF_α，将所述给定的β轴悬浮力与反馈的β轴悬浮力F_β经过y方向力环得到β轴悬浮力矢量差ΔF_β，将所述α轴悬浮力矢量差ΔF_α、β轴的悬浮力矢量差ΔF_β和转矩绕组合成气隙磁链的相角μ经过直接悬浮力计算模块得到悬浮绕组磁链矢量差，将所述悬浮绕组磁链矢量差经过空间电压矢量模块SVM得到功率变换器的三相开关信号，将功率变换器的三相开关信号经过功率变换器VSI得到永磁型无轴承电机的三相驱动电流和电压即永磁型无轴承电机悬浮绕组的三相输入电流和三相输入电压；其中直接悬浮力计算模块的构建包括如下步骤：a)构建磁链表达的悬浮力数学模型：$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\alpha }=k_M{\psi }_{m1}{\psi }_{s2}\cos (\lambda -\mu )\\ F_{\beta }=k_M{\psi }_{m1}{\psi }_{s2}\sin (\lambda -\mu )\end{array}\right.$其中k_M为悬浮力常量，ψ_s2为悬浮控制绕组定子磁链；b)构建悬浮力矢量模型：当永磁同步电动机的磁路是线性的，参数不随温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子为无阻尼绕组，保持转矩绕组气隙磁链恒定，得到当前时刻k和下一时刻k+1的合成悬浮力矢量在αβ坐标系下的分量：$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\alpha }\left(k\right)=\left|\overrightarrow{F}\left(k\right)\right|\cos (\lambda -\mu )=k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}\left(k\right)\right|\cos (\lambda -\mu )\\ F_{\beta }\left(k\right)=\left|\overrightarrow{F}\left(k\right)\right|\sin (\lambda -\mu )=k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}\left(k\right)\right|\sin (\lambda -\mu )\end{array}\right.,$$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\alpha }(k+1)=\left|\overrightarrow{F}(k+1)\right|\cos (\lambda -\mu +\mathrm{\Delta \theta })\\ =k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\cos (\lambda -\mu )\cos \mathrm{\Delta \theta }-k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\sin (\lambda -\mu )\sin \mathrm{\Delta \theta }\\ F_{\beta }(k+1)=\left|\overrightarrow{F}(k+1)\right|\sin (\lambda -\mu +\mathrm{\Delta \theta })\\ =k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\sin (\lambda -\mu )\cos \mathrm{\Delta \theta }+k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\cos (\lambda -\mu )\sin \mathrm{\Delta \theta }\end{array}\right.,$式中的k_F为悬浮力系数，Δθ为悬浮力变化的方向角，为当前时刻k的悬浮力，为下一时刻k+1的悬浮力，为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮力的矢量差，为当前时刻k的悬浮绕组磁链，为下一时刻k+1的悬浮绕组磁链，为当前时刻k与下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量差；则合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量为：$\left\{\begin{array}{c}\Delta F_{\alpha }=F_{\alpha }(k+1)-F_{\alpha }\left(k\right)\\ =k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\cos (\lambda -\mu +\mathrm{\Delta \theta })-k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}\left(k\right)\right|\cos (\lambda -\mu )\\ \Delta F_{\beta }=F_{\beta }(k+1)-F_{\beta }\left(k\right)\\ =k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\sin (\lambda -\mu +\mathrm{\Delta \theta })-k_F\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}\left(k\right)\right|\sin (\lambda -\mu )\end{array}\right.;$c)构建悬浮绕组磁链矢量模型：当前时刻k和下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在αβ坐标系下的分量为：$\left\{\begin{array}{c}{\psi }_{s2\alpha }\left(k\right)=\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}\left(k\right)\right|\cos \lambda \\ {\psi }_{s2\beta }\left(k\right)=\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}\left(k\right)\right|\sin \lambda \end{array}\right.,$  $\left\{\begin{array}{c}{\psi }_{s2\alpha }(k+1)=\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\cos (\lambda +\mathrm{\Delta \theta })\\ {\psi }_{s2\beta }(k+1)=\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\sin (\lambda +\mathrm{\Delta \theta })\end{array}\right.,$其中ψ_s2α(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψ_s2β(k)为当前时刻k悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量，ψ_s2α(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在α轴上的分量，ψ_s2β(k+1)为下一时刻k+1悬浮绕组磁链矢量在β轴上的分量；则悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量即悬浮绕组磁链α轴矢量差Δψ_s2α、悬浮绕组磁链β轴矢量差Δψ_s2β为：$\left\{\begin{array}{c}\Delta {\psi }_{s2\alpha }={\psi }_{s2\alpha }(k+1)-{\psi }_{s2\alpha }\left(k\right)\\ =\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\cos (\lambda +\mathrm{\Delta \theta })-\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}\left(k\right)\right|\cos \lambda \\ \Delta {\psi }_{s2\beta }={\psi }_{s2\beta }(k+1)-{\psi }_{s2\beta }\left(k\right)\\ =\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}(k+1)\right|\sin (\lambda +\mathrm{\Delta \theta })-\left|{\overrightarrow{\psi }}_{s2}\left(k\right)\right|\sin \lambda \end{array}\right.;$d)采用所述悬浮绕组磁链矢量差在αβ坐标系下的分量代入合成悬浮力矢量差在αβ坐标系下的分量得到合成悬浮力的矢量差与悬浮绕组磁链矢量差的关系为：$\left[\begin{array}{c}\Delta F_{\alpha }\\ \Delta F_{\beta }\end{array}\right]=k_F\left[\begin{array}{cc}\cos \mu & \sin \mu \\ -\sin \mu & \cos \mu \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\Delta {\psi }_{s2\alpha }\\ \Delta {\psi }_{s2\beta }\end{array}\right].$