[发明专利]基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法

权利要求书

1.一种基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法，其特征在于，包括：

一、通过检测装置获取转子的实时位移，根据转子的平动位移矢量、平动速度矢量状态、转子的刚度系数计算转子的等效刚度势能值，并通过和给定的势能值作差，得到能量误差值；

二、通过刚度势能控制器对下个控制周期内的位移进行预测，结合能量误差值计算设定悬浮力，并进行限幅；

三、通过径向负载观测器对系统输出的悬浮力和转子悬浮的状态量进行状态观测，将观测结果补偿至设定悬浮力端,并进行限幅；

四、根据电机的悬浮力模型将设定悬浮力解算为对应的悬浮电流分量；

五、获取悬浮绕组内的电流，并根据获得的电机转角信息，换算为控制XY方向悬浮力的电流分量；

六、将设定电流和反馈的悬浮力电流分量作差调节后，输出相应的电压分量，通过调制算法转换为PWM信号驱动三相桥臂。

2.根据权利要求1所述的一种基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法，其特征在于，计算转子的等效刚度势能的具体步骤如下：

步骤1、通过平动位移传感器检测转子在X和Y两个方向上的位移矢量信号，并通过前后两次位移矢量的差分得到转子的速度矢量状态；

步骤2、根据转子的位移矢量s、速度矢量v，以及转子的刚度系数k_s，计算转子的等效刚度势能值，其计算方法如下：

步骤3、根据转子的状态预测下一个控制周期内，转子的位移量；

步骤4、将转子刚度势能的设定值与步骤2计算得到的实际值作差后，产生需要的输入能量值，并结合步骤3中所预测的位移信息，计算得到需要给定的悬浮力，其计算方法如下：

F(k)＝ΔE_T/Δs(k+1)；

步骤5、根据电流的极限值计算悬浮力的作用边界，对步骤4所计算的悬浮力进行限幅，将其限制在悬浮力的作用域内；

步骤6、构造悬浮力的径向负载观测器，进行位移状态观测；

步骤7、将上述步骤6的观测结果叠加补偿至步骤5输出的悬浮力设定上，得到最终悬浮力的设定值；

步骤8、将步骤7得到的悬浮力设定值转化为悬浮电流设定值，通过电流闭环控制悬浮绕组内的电流。

3.根据权利要求1所述的一种基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法，其特征在于，所述刚度势能控制器预测转子位移的具体步骤如下：

根据转子的状态方程，用本拍的速度乘以控制周期，得到下一个控制周期即将产生的位移；

用刚度势能的误差量除以预测的位移值，计算得到对应的悬浮力；

根据系统的悬浮力极限边界对上述结果进行限幅。

4.根据权利要求1所述的一种基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法，其特征在于：通过径向负载观测器进行状态观测的具体步骤如下：

将系统最终设定的悬浮力除以转子质量，得到加速度a₁；

将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h₂，得到加速度a₂；

将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h₃，并积分后得到观测的径向负载值，再除以转子质量后，得到加速度a₃；

将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h₁，得到中间速度量v₁；

将观测器的观测位移乘以转子的位移刚度系数，在除以质量得到加速度a₄；

将上述的加速度a₁，a₂，a₃，a₄求和后，积分得到观测的速度，并将其与v₁求和后再次积分，得到观测的位移。