[发明专利]一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接对无轴承永磁薄片电机转子径向位移进行控制使其达到稳定悬浮并且高速旋转的控制器，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、生命科学等众多使用无轴承永磁薄片电机的特殊电气传动领域，属于电力传动控制的技术领域。

背景技术

利用电磁轴承支撑无轴承电机的转子，并对转子径向位移进行精确控制实现电机转子的稳定悬浮一直是无轴承电机研究的重点及难点。现已提出的电机转子稳定悬浮控制方法主要有两种：矢量控制方法和直接悬浮力控制方法，基本上能够实现电机转子径向悬浮力的控制，但这两种控制方法均存在明显的不足和缺点：矢量控制方法需要繁琐的坐标变换，增加了控制系统软件的复杂程度，占用了过多的系统时钟周期；直接悬浮力控制方法则需要对电机转子径向悬浮力进行在线辨识，不但增加了系统硬件设计成本，而且径向悬浮力辨识精度也决定了系统的整体控制性能。

无轴承永磁薄片电机是一种新型的无轴承电机，它可以利用自身磁阻力巧妙地实现转子轴向平移与左右、前后翻转运动三个自由度的被动悬浮控制，在此基础上，再对其径向位移进行主动控制。为了实现这种电机转子的稳定悬浮与高速旋转，使这种电机能够得到广泛应用并发挥其所具有的独特优势，需要设计一种能够实现其转子径向稳定悬浮且简单可行的主动悬浮控制器。

发明内容

本发明提供一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法，所构造的的无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器结构简单、性能可靠，实现无轴承永磁薄片电机电磁转矩和径向悬浮力之间的独立控制，提高无轴承永磁薄片电机的悬浮性能指标，使无轴承永磁薄片电机具有优良的动、静态控制性能。 

本发明所述一种无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器的构造方法采用的技术方案是包括以下步骤：

1）构造由电流内环和速度外环构成的转速控制器，电流内环由电流闭环调节器、坐标变换、CRPWM逆变器和电流传感器构成，速度外环由速度闭环调节器、霍尔传感器构成；采用PI控制器作为速度闭环调节器，采用两个PI控制器组成电流闭环调节器，利用霍尔传感器检测转子位置角                                                ，计算得到转子实际转速，以转子实际转速和转速给定值作为速度闭环调节器的输入，得到转矩绕组交轴电流给定值；由电流传感器对三相转矩绕组实际驱动电流、、采样，经过第一坐标变换得到转矩绕组实际直轴、交轴电流、， 以转矩绕组交轴电流给定值、转矩绕组直轴电流给定值和转矩绕组实际直轴、交轴电流、作为电流闭环调节器的输入，得到转矩绕组直轴、交轴电流命令值、；第二坐标变换以转矩绕组直轴、交轴电流命令值、为输入，以三相转矩绕组电流命令值、、为输出，三相转矩绕组电流命令值，，输入到CRPWM逆变器后得到输入无轴承永磁薄片电机的三相转矩绕组驱动电流、、；

2）设计以转矩绕组实际直轴、交轴电流、和永磁薄片转子位置角为输入，以转矩绕组气隙磁链幅值及相位为输出的转矩绕组气隙磁链估算模块；

3）由转子偏心位移和偏心角度计算模块、微分先行PID控制器、悬浮力绕组电流计算模块、CRPWM逆变器、径向位移传感器和径向位移计算模块组成径向位移控制器；径向位移传感器对转子径向位移采集，经过径向位移计算模块差分处理输出转子实际径向位移X、Y，与转子位移给定值X*、Y*一并输入到转子偏心位移和偏心角度计算模块，经计算得出转子偏心位移和偏心角度，转子偏心位移输入到微分先行PID控制器得到转子稳定悬浮所需的径向悬浮力幅值；悬浮力绕组电流计算模块以、、、、五个变量作为输入，以三相悬浮力绕组电流命令值、、为输出，以三相悬浮力绕组电流命令值，，作为CRPWM逆变器输入，得到无轴承永磁薄片电机的转子稳定悬浮所需的三相悬浮力绕组驱动电流、、；

4）调整微分先行PID控制器、速度闭环调节器和电流闭环调节器的参数，并计算悬浮力绕组电流； 

5）由所述转速控制器、径向位移控制器和转矩绕组气隙磁链估算模块构成无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器。

本发明的优点在于：

1．无轴承永磁薄片电机转子径向位移控制器将径向位移传感器检测的转子实际径向位移X、Y与位移给定值X^*、Y^*进行比较，通过悬浮力绕组电流计算模块直接生成控制径向位移所需要的电流值，使永磁薄片转子稳定悬浮，与矢量控制方法相比，省去了中间复杂的坐标矢量变换，降低了控制系统的复杂程度及控制算法耗用的系统时钟周期，控制系统响应更快。