[发明专利]轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力传动控制设备技术领域中的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，适用于高速和超高速主轴电机、航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊电力传动领域，特别是需要无机械接触、无摩擦与磨损、无需润滑与密封的真空技术、超洁净领域等场合。

背景技术

    高速电机的无轴承技术将电机转矩输出和转子电磁悬浮支撑功能集成于一体，不但继承了磁轴承支撑电机的无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声、高速度、高精度、长寿命等优良特性，而且具有体积小、轴向空间利用率高、电能消耗小等优点，适用于各种高速领域。

轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机是在两自由度无轴承交替极永磁电机基础上增加了一套轴向悬浮力控制绕组，同时以电机转子本体作为轴向与径向悬浮磁链的闭合通路，以电机转子自身的永磁体磁场作为径向、轴向悬浮共同的偏置磁场，省去了原永磁偏置轴向磁轴承中必需的磁轴承转子和偏置永磁体环，结构更加紧凑。在解决传统无轴承永磁同步电机存在的控磁能力差，可控悬浮力小，永磁体易退磁及悬浮力与转矩控制相互耦合等问题的同时，集多自由度悬浮功能与电机旋转功能于一体，简化了电机系统的机械结构，降低了整个系统体积与成本。

但是，由于轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机比传统的两自由度无轴承交替极永磁电机多了一套轴向悬浮控制绕组，电机气隙内共有永磁体磁场、电磁转矩绕组磁场、径向悬浮力绕组磁场以及轴向悬浮力绕组磁场四个磁场相互叠加，使得这种新型电机的气隙磁场更加复杂，在对其进行控制时，需要同时控制三套绕组，同时又要保证足够的控制精度，因此在控制上要求比较高。此外，还要解决三个自由度之间的耦合问题，因此针对这种新型的无轴承电机，需要寻求一种性能更为优越的控制系统。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，实现轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的电磁转矩、径向悬浮力、轴向悬浮力的控制，获得良好的悬浮调节特性以及转矩、速度调节等各项控制性能指标。

实现上述目的的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统主要包括：一套电磁转矩控制系统，用于控制电机输出转矩，实现调速等功能；一套径向悬浮力控制系统，用于控制电机的径向悬浮；一套轴向悬浮力控制系统，用于控制电机的轴向悬浮。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机控制系统，包括受控的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，其特征在于：由一个径向悬浮力控制子系统、一个轴向悬浮力控制子系统和一个电磁转矩控制子系统连接所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机构成，其中所述径向悬浮力控制子系统包括一个第一DSP控制器、一个第一光耦隔离、一个第一IPM智能功率模块、一个第一位移传感器和一个第一电流传感器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机经第一位移传感器和第一电流传感器连接第一DSP控制器，第一DSP控制器经第一光耦隔离和第一IPM智能功率模块连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机；所述位移传感器检测出转子径向位移偏移量经位置负反馈，采用第一DSP控制器运算和处理，控制第一IPM智能功率模块输出对应的悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布，从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力。

所述轴向悬浮力控制子系统包括一个开关功放、一个第二位移传感器、一个第三电流传感器和一个第三DSP控制器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机和第三DSP控制器分别连接开关功放、第二位移传感器和第三电流传感器；所述第二位移传感器检测出转子轴向位移偏移量经位置负反馈，采用第三DSP控制器运算和处理得到所需的控制信号，通过开关功放将这一控制信号转换成轴向悬浮控制电流，改变转子左右侧气隙中的磁场分布，从而产生一个轴向的磁拉力。

所述电磁转矩控制子系统包括一个光电编码器，一个第二电流传感器，一个第二IPM智能功率模块、一个第二光耦隔离和一个第二DSP控制器，所述轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机经光电编码器和第二电流传感器连接第二DSP控制器，第二DSP控制器经第二光耦隔离和第二IPM智能功率模块连接轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机；所述光电编码器检测出电机转速信号经速度负反馈，采用第二DSP控制器运算和处理，控制第二IPM智能功率模块输出对应的转矩控制电流，从而控制电机的输出转矩。