[发明专利]无轴承永磁同步电机的控制器和控制方法

说明书

技术领域

本发明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和控制方法。

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

本发明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方法和控制器。

实现本发明目的的方法技术方案是：

无轴承永磁同步电机的控制方法，包括下列步骤：

步骤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，获取直接转矩控制所需的无轴承永磁同步电机转矩绕组磁链和转矩信息；

步骤2.形成直接转矩控制器，直接转矩控制器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；

步骤3.对无轴承永磁同步电机构造悬浮力绕组磁链观测器，以获取悬浮力绕组磁链信息，由悬浮力估算模型根据转矩绕组和悬浮力绕组磁链及相位在线估算出悬浮力；

步骤4.形成悬浮力直接控制器，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，驱动逆变器对悬浮力绕组磁链和转子径向悬浮力进行直接控制；

步骤5.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分别进行直接控制，实现了转矩和径向悬浮力之间独立控制。

上述步骤1中具体包括下列步骤，采用电流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。

上述步骤2中进一步包括，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组成直接转矩控制器。

上述步骤3中进一步包括，采用电流Clark变换、悬浮力绕组电压计算模块和磁链观测模型组成的悬浮力绕组磁链观测器。

上述步骤4中进一步包括，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组成悬浮力直接控制器。

实现本发明目的的装置技术方案是：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。