[发明专利]磁悬浮高速电机的一体化控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于一种数字控制设备，应用于主动磁悬浮轴承支承的高速变频电机。

背景技术

高速电机（指转速超过10000r/min的电机）是当前国际电工领域的研究热点之一。相比中低速电机，它的优点主要表现在：

l  转速高，电机的功率密度大，其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，节约材料；

l  高速电机转子的转动惯量较小，动态响应快；

l  高速电机省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音，提高传动系统的效率。

然而高速电机的发展常受到轴承技术以及润滑技术的制约。采用磁悬浮轴承支承技术后，高速电机的转子与轴承之间实现了无接触，进而不会发生机械摩擦和磨损，不需要润滑系统，且省去了机械变速装置，市场前景广阔，具有传统电机无法比拟的技术特点。

磁悬浮轴承（文中指主动磁悬浮轴承）需要一套控制系统来实现转子的稳定悬浮。而高速电机则需要变频器来调节电机转速。由于磁悬浮轴承与电机控制属于不同的学科，因此，磁悬浮轴承的控制系统与高速电机的变频器通常是两个分立的设备。而操作这两个设备时也有严格的顺序，开启时必须先开启磁悬浮轴承的控制系统使转子稳定悬浮，之后才能够开启变频器转动电机，而关机时则必须先关闭变频器，等到转子停止旋转后才能关闭磁悬浮轴承的控制系统。否则将有可能导致电机损坏。此外，出于安全性的考虑，这两个设备之间需要一套通讯设备以获取彼此的信息。如变频器需要知道磁悬浮轴承的工作状态，一旦在工作中磁悬浮轴承出现失稳的迹象，变频器必须立刻停止向高速电机提供驱动转矩，以免造成整台设备损坏。如此一来，要使一台磁悬浮高速电机能够工作至少需要一套磁悬浮控制系统、一台变频器以及一套通讯设备。并且需要按照指定的顺序操作才能正确启停。而常规电机则无需这些配套设备，而且操作非常简单，往往只需要接通电源就能工作。以至于许多单位在权衡考虑之后放弃了磁悬浮高速电机而继续使用常规电机。

综上所述，配套设备繁多、操作复杂、成本较高限制了磁悬浮高速电机的推广。因此，对于有着广阔市场前景的磁悬浮高速电机，迫切需要研发一种一体化程度高、操作简便且成本较低的控制系统。

发明内容

针对现有磁悬浮高速电机配套设备繁多、操作复杂、成本较高的不足。本发明提供了一种磁悬浮高速电机一体化控制系统，将原本独立的磁悬浮轴承控制系统与电机变频器进行了整合，并省去了两者间的通讯设备。不仅操作简便，而且节约了成本。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁悬浮高速电机的一体化控制系统，用于控制采用磁悬浮轴承支撑的高速电机，该一体化控制系统包括控制电路板、功率放大器以及传感器，所述的控制电路板包括AC/DC电源转换模块、信号处理芯片以及A/D模数信号转换芯片；所述的功率放大器包括整流模块、直流母线排、磁悬浮轴承开关器件以及变频器开关器件；所述传感器包括用于检测磁悬浮轴承的转子位置信号的位移传感器、用于检测磁悬浮轴承线圈电流信号的第一电流传感器、用于检测高速电机绕组线圈电流信号的第二电流传感器；整流模块将所接入的交流市电转换为直流电储存在直流母线排；磁悬浮轴承开关器件、变频器开关器件并联在直流母线排上；位移传感器、第一电流传感器、第二电流传感器均通过A/D模数信号转换芯片与信号处理芯片连接；信号处理芯片依次通过第一接口电路、磁悬浮轴承开关器件与磁悬浮轴承线圈连接，同时信号处理芯片依次通过第二接口电路、变频器开关器件与高速电机绕组线圈连接；信号处理芯片根据位移传感器所反馈的转子位置信号、第一电流传感器所反馈的磁悬浮轴承线圈电流信号，输出轴承控制信号，经第一接口电路转换后，通过磁悬浮轴承开关器件控制磁悬浮轴承的位置；同时数据处理装置根据第二电流传感器所反馈的高速电机绕组线圈电流信号，输出变频器控制信号，经第二接口电路转换后，通过变频器开关器件控制高速电机的旋转。

本发明另一技术目的是提供一种基于上述磁悬浮高速电机的一体化控制系统的控制方法，所述信号处理芯片接收到一体化控制系统启动信号后，首先向磁悬浮轴承开关器件输出轴承控制信号，直到位移传感器、第一电流传感器反馈至信号处理芯片的信号表明磁悬浮轴承的转子处于稳定悬浮状态后，信号处理芯片才向变频器开关器件输出变频器控制信号，控制高速电机旋转；所述信号处理芯片接收到关闭一体化控制系统的信号后，信号处理芯片首先向变频器开关器件输出变频器控制信号，控制高速电机降速，直至信号处理芯片接收到第二电流传感器反馈的信号表明高速电机转速为零后，才通过磁悬浮轴承开关器件，关闭磁悬浮轴承。