單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器，控制器由參考值計算部分和觀測值計算部分組成，觀測值計算部分由繞組磁鏈觀測器、懸浮力觀測器、轉(zhuǎn)矩觀測器和兩個矩陣變換模塊組成，第一矩陣變換模塊的輸出連接繞組磁鏈觀測器的輸入，繞組磁鏈觀測器的輸出分別連接懸浮力觀測器和轉(zhuǎn)矩觀測器，第二矩陣變換模塊的輸出分別連接繞組磁鏈觀測器和轉(zhuǎn)矩觀測器；將所觀測的繞組實時磁鏈應(yīng)用于轉(zhuǎn)矩觀測器、懸浮力觀測器和轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器，根據(jù)磁鏈幅值指令值、實時繞組轉(zhuǎn)矩分量磁鏈幅值和相位以及實際反饋電流在轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器中生成電壓靜止坐標(biāo)指令值，對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子徑向懸浮力直接控制。
【專利說明】
單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于電力傳動控制設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，是一種多變量非線性的單繞組雙三 相無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器技術(shù)，適用于多相無軸承永磁電機的高性能控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的無軸承永磁電機采用雙繞組結(jié)構(gòu)，電機內(nèi)部嵌有轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組， 需要2套繞組共同實現(xiàn)電機的無軸承運行，不可避免的使得電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，繞組占用更 多的空間，造成損耗。單繞組無軸承永磁電機繼承了傳統(tǒng)的雙繞組無軸承電機的功率密度 高、無潤滑、無磨損、無機械噪聲等特點，同時單繞組設(shè)計使得結(jié)構(gòu)更為緊湊，電機加工難度 降低，又融合了多相電機轉(zhuǎn)矩波動小、密度高、可低壓大功率傳動的優(yōu)勢，因此單繞組多相 無軸承電機在機床電主軸、渦輪分子栗、離心機、壓縮機、機電貯能、船舶推進、電動汽車、航 空航天等特殊電氣傳動領(lǐng)域具有廣泛的使用前景。
[0003] 單繞組雙三相無軸承永磁電機結(jié)構(gòu)與普通的單層分布式繞組結(jié)構(gòu)永磁同步電機 相同，電機內(nèi)部只有一套繞組嵌入24槽內(nèi)，但分為兩個獨立三相繞組單元，相與相之間的分 布空間上相差120°。每組三相繞組單元中的各相繞組依次排列，分布在定子圓周的一側(cè)，兩 組三相繞組單元之間的夾角為180°，在定子機械空間中呈鏡像分布。當(dāng)給該電機加激勵時， 同屬于一組三相繞組單元中的各相繞組的電流分量相位相差120°，兩組三相繞組單元中的 繞組對應(yīng)相相位相同。當(dāng)給該電機加懸浮力電流分量時，同屬于一組三相繞組單元中的各 相繞組的電流分量相位同樣相差120°，但兩組三相繞組單元中的繞組對應(yīng)相相位相差 180°。當(dāng)2組電流同時通入繞組內(nèi)經(jīng)坐標(biāo)變換可將其映射到兩個相互正交的dq平面上，產(chǎn)生 極對數(shù)相差為1的旋轉(zhuǎn)磁場，因此可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和自懸浮，所提出的電機需要兩個三相逆變器 為其供電。
[0004] 無軸承永磁電機是一種多變量、非線性、強耦合的被控對象，通過對電機轉(zhuǎn)矩力和 懸浮力進行解耦控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和運行。對于新型的單繞組多相無軸承 永磁電機，其變量更多，耦合性更強，控制更加復(fù)雜。目前，現(xiàn)有多相無軸承永磁電機轉(zhuǎn)矩和 懸浮力解耦控制主要采用矢量控制。其中中國專利公開號為CNI01459408A的文獻中提出的 一種多相單套繞組無軸承電機傳動系統(tǒng)，其電機采用特定的結(jié)構(gòu)安排，使得繞組同時含有 奇次與偶次諧波，通過控制兩種諧波電流產(chǎn)生極對數(shù)相差為1的磁場，實現(xiàn)電機的無軸承運 行。但由于轉(zhuǎn)矩與懸浮力采用傳統(tǒng)的矢量控制，過多依賴于電機參數(shù)以及矢量坐標(biāo)變換的 復(fù)雜性使得實際的控制效果難以達到理論分析的結(jié)果；同時懸浮力矢量控制采用電流跟蹤 型逆變器，逆變器開關(guān)頻率高，逆變器容量利用率不高。中國專利公開號為CN101162882A的 文獻中提出一種容錯功能的單繞組無軸承薄片電機，其采用功率最優(yōu)的數(shù)學(xué)模型和id = 〇 的轉(zhuǎn)子磁場定向控制方法控制電機繞組的輸入電流，能夠用一套繞組同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和懸浮 功能，并設(shè)計一種基于Η橋功率模塊的多相驅(qū)動功率系統(tǒng)。但由于功率系統(tǒng)中開關(guān)管過多而 引起控制過程相對復(fù)雜，同時也存在電流波動較大，功率損耗較大的缺點。
[0005] 相對于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子坐標(biāo)系下，借助空間矢量，對普通電機的 數(shù)學(xué)模型通過采用定子磁場定向分析方法進行直接分析，并且在一定程度上對電機的磁 鏈、轉(zhuǎn)矩進行計算和控制。在控制結(jié)構(gòu)方面，直接轉(zhuǎn)矩控制方式相對比較簡單，對于利用矢 量控制技術(shù)進行控制的過程中出現(xiàn)控制性能受參數(shù)變化影響的問題，完全可以通過直接轉(zhuǎn) 矩控制方式加以避免。因此，為更好的實現(xiàn)多相無軸承永磁電機的轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的解 耦控制，結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，采用新的控制技術(shù)和新的控制方法控制多相無軸承電機， 能夠更加充分發(fā)揮多相無軸承電機的優(yōu)良性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實用新型的目的是提供一種既可使單繞組雙三相無軸承永磁電機具有優(yōu)良的 動、靜態(tài)控制性能、抗電機參數(shù)變化及抗負(fù)載擾動能力強，又能有效地提高無軸承電機的各 項控制性能指標(biāo)，如動態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度及參數(shù)魯棒性的單繞組多相無軸承永磁 電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器。
[0007] 本實用新型單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器采用的技術(shù)方案是：由參 考值計算部分和觀測值計算部分組成，所述觀測值計算部分由繞組磁鏈觀測器、懸浮力觀 測器、轉(zhuǎn)矩觀測器和兩個矩陣變換模塊組成，第一矩陣變換模塊的輸出連接繞組磁鏈觀測 器的輸入，繞組磁鏈觀測器的輸出分別連接懸浮力觀測器和轉(zhuǎn)矩觀測器，第二矩陣變換模 塊的輸出分別連接繞組磁鏈觀測器和轉(zhuǎn)矩觀測器;懸浮力觀測器分別輸出實時懸浮力Fx和 Fy，轉(zhuǎn)矩觀測器輸出轉(zhuǎn)矩Te;
[0008] 所述參考值計算部分由轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器、空間矢量脈寬調(diào)制模 塊、兩個PID調(diào)節(jié)器、兩個PI調(diào)節(jié)器和兩個三相逆變器組成，兩個PID調(diào)節(jié)器的輸出連接轉(zhuǎn)矩 與懸浮力電壓參考值發(fā)生器的輸入，第一 PI調(diào)節(jié)器串接第二PI調(diào)節(jié)器，第二PI調(diào)節(jié)器的輸 出連接轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器，轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器的輸出連接空間 矢量脈寬調(diào)制模塊，空間矢量脈寬調(diào)制模塊的輸出分別連接兩個三相逆變器；
[0009] 所述繞組磁鏈觀測器的輸出端分別連接懸浮力觀測器、轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)矩與懸浮 力電壓參考值發(fā)生器的輸入端。
[0010] 本實用新型實時計算電機反饋的實際電流與電壓，然后由一個繞組磁鏈觀測器來 獲取直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制所需的無軸承永磁電機繞組磁鏈的信息;再將所觀測的繞 組實時磁鏈應(yīng)用于轉(zhuǎn)矩觀測器、懸浮力觀測器和轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器，轉(zhuǎn)矩觀 測器是由繞組磁鏈分量及觀測電流實施估算出轉(zhuǎn)矩，懸浮力觀測器是由繞組磁鏈分量及相 位實時估算出懸浮力靜止坐標(biāo)分量。對于參考值的計算，首先將轉(zhuǎn)子位置指令值與電渦流 位移傳感器獲得的實際位移值分別進行比較得到位移差值，再經(jīng)PID調(diào)制后生成懸浮力指 令值，然后將懸浮力指令值與實時懸浮力比較得到懸浮力差值通入轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考 值發(fā)生器生成電壓靜止坐標(biāo)指令值。同理，將轉(zhuǎn)速指令值和實時轉(zhuǎn)速進行比較得到轉(zhuǎn)速差 值，通過PI調(diào)制后生成轉(zhuǎn)矩指令值，然后將轉(zhuǎn)矩指令值與轉(zhuǎn)矩實時值進行比較得到轉(zhuǎn)矩差 值，通過PI調(diào)制后生成轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈相位角增量，根據(jù)磁鏈幅值指令值、實時繞組轉(zhuǎn)矩分量 磁鏈幅值和相位以及實際反饋電流在轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器中生成電壓靜止坐 標(biāo)指令值，將得到兩組電壓靜止坐標(biāo)指令值通入空間矢量脈寬調(diào)制模塊調(diào)制后得到電壓型 逆變器開關(guān)信號，驅(qū)動逆變器實現(xiàn)單繞組無軸承永磁電機轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制。其優(yōu)點 在于：
[0011] 1.采用轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制方法，將多相無軸承永磁電機復(fù)雜非線性強耦合系 統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子徑向懸浮力控制問題轉(zhuǎn)化為簡單的直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制系統(tǒng)，很容 易實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力之間的直接控制，可獲得優(yōu)良的電機運行性能。
[0012] 2.用轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制方法來實現(xiàn)單繞組多相無軸承永磁電機高性能控制， 具有控制結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，優(yōu)良的動靜態(tài)性能，對電機參數(shù)表現(xiàn)出強的魯棒性等優(yōu) 點，完全擺脫了傳統(tǒng)矢量控制過多依賴于電機參數(shù)、復(fù)雜的矢量坐標(biāo)變換、電流跟蹤型逆變 器開關(guān)頻率高的缺點。也擺脫了處于開環(huán)狀態(tài)的懸浮力矢量控制對懸浮力控制精度和動態(tài) 響應(yīng)性能的限制。
[0013] 3、本實用新型改變了傳統(tǒng)無軸承永磁電機采用矢量控制的策略，對電機的轉(zhuǎn)矩和 轉(zhuǎn)子徑向懸浮力進行直接控制，確保電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和快速運行，同時能夠適用于多相 無軸承永磁電機的高性能控制，提高多相無軸承電機控制性能，而且可推廣到其它多相無 軸承電機控制系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0014] 圖1是圖7中參考值計算部分18的轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13的構(gòu)成框圖； [0015]圖2是由兩個PID調(diào)節(jié)器9和10、兩個PI調(diào)節(jié)器11和12、轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā) 生器13、空間矢量脈寬調(diào)制模塊14、兩個三相逆變器2和3組成的參考值計算部分18的內(nèi)部 原理框圖；
[0016]圖3是圖7中觀測值計算部分19中的繞組磁鏈觀測器6構(gòu)成框圖；
[0017]圖4是圖7中觀測值計算部分19中的懸浮力觀測器7構(gòu)成框圖；
[0018] 圖5是圖7中觀測值計算部分19中的轉(zhuǎn)矩觀測器8構(gòu)成框圖；
[0019] 圖6是由光電編碼器17、電渦流位移傳感器15和16、矩陣變換模塊4和5、繞組磁鏈 觀測器6、轉(zhuǎn)矩觀測器8和懸浮力觀測器7組成的觀測值計算部分19的內(nèi)部原理框圖；
[0020] 圖7是本實用新型單繞組無軸承永磁電機的轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制器20的組成原 理框圖。
[0021] 圖中：1.單繞組無軸承電機;2.三相逆變器;3.三相逆變器;4.矩陣變換模塊;5.矩 陣變換模塊;6.繞組磁鏈觀測器;7.懸浮力觀測器;8.轉(zhuǎn)矩觀測器;9. PID調(diào)節(jié)器；10. PID調(diào) 節(jié)器；11. PI調(diào)節(jié)器；12. PI調(diào)節(jié)器；13.轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器；14.空間矢量脈寬 調(diào)制模塊；15.電渦流位移傳感器；16.電渦流位移傳感器；17 .光電編碼器；18.參考值計算 部分;19.觀測值計算部分;20.轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制器。
【具體實施方式】
[0022]圖7所示的是完整的單繞組雙三相無軸承永磁電機的轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制器20 的構(gòu)成示意圖。該轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制器20由參考值計算部分18和觀測值計算部分19組 成。
[0023] 所述的觀測值計算部分19,由繞組磁鏈觀測器6、懸浮力觀測器7、轉(zhuǎn)矩觀測器8和 兩個矩陣變換模塊4、5組成，其中矩陣變換模塊4的輸出連接繞組磁鏈觀測器6的輸入，繞組 磁鏈觀測器6的輸出分別連接懸浮力觀測器7和轉(zhuǎn)矩觀測器8,矩陣變換模塊5的輸出分別連 接繞組磁鏈觀測器6和轉(zhuǎn)矩觀測器8。懸浮力觀測器7分別輸出實時懸浮力F x和Fy。轉(zhuǎn)矩觀測 器8輸出轉(zhuǎn)矩Te。
[0024] 所述的參考值計算部分18,由轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13、空間矢量脈寬 調(diào)制模塊14、兩個PID調(diào)節(jié)器9、10、兩個PI調(diào)節(jié)器11、12、兩個三相逆變器2、3組成。其中，兩 個PID調(diào)節(jié)器9、10的輸出連接轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13的輸入，PI調(diào)節(jié)器11串接 PI調(diào)節(jié)器12，PI調(diào)節(jié)器12的輸出連接轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13,轉(zhuǎn)矩與懸浮力電 壓參考值發(fā)生器13的輸出連接空間矢量脈寬調(diào)制模塊14，空間矢量脈寬調(diào)制模塊14的輸出 分別連接兩個三相逆變器2。
[0025] 在單繞組無軸承永磁電機1上設(shè)置光電編碼器17和兩個電渦流位移傳感器15和 16,光電編碼器17用于實時檢測電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω，兩個電渦流位移傳感器15、16分別 用于實時檢測電機轉(zhuǎn)子X軸與y軸徑向位移值x、y。
[0026] 電渦流位移傳感器15實時檢測的轉(zhuǎn)子的X軸徑向位移值X與轉(zhuǎn)子位移指令值f進 行比較得到差值，將該差值輸入PID調(diào)節(jié)器9生成懸浮力指令值F/。將懸浮力指令值F/與懸 浮力觀測器7輸出的實時懸浮力F x進行比較得到差值△ Fx，將該差值△ Fx輸入懸浮力電壓參 考值發(fā)生器13。
[0027] 電渦流位移傳感器16實時檢測的轉(zhuǎn)子的y軸徑向位移值y與轉(zhuǎn)子位移指令值yl亍 比較得到差值，將該差值輸入PID調(diào)節(jié)器10生成懸浮力指令值F/。將懸浮力指令值F/與懸 浮力觀測器7輸出的實時懸浮力F y進行比較得到差值△ Fy，將該△ Fy輸入懸浮力電壓參考值 發(fā)生器13。
[0028] 光電編碼器17實時檢測的電機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω與轉(zhuǎn)速指令值進行比較得到 差值，將該差值輸入ΡΙ調(diào)節(jié)器11生成轉(zhuǎn)矩指令值Τ/。將該轉(zhuǎn)矩指令值Τ/與轉(zhuǎn)矩觀測器8輸 出的轉(zhuǎn)矩T e進行比較得到差值，然后再將差值輸入到ΡΙ調(diào)節(jié)器12進行調(diào)制，得到繞組轉(zhuǎn)矩 分量磁鏈相位角增量Α δ，將磁鏈相位角增量△ δ輸入懸浮力電壓參考值發(fā)生器13。
[0029]同時將磁鏈指令值也輸入懸浮力電壓參考值發(fā)生器13。
[0030] 空間矢量脈寬調(diào)制模塊14輸出開關(guān)信號Sa、Sb、Sc、Sla、Sib、Sic分為兩路，一路輸入 給矩陣變換模塊4,結(jié)合外電路輸入的直流母線電壓UDC，將開關(guān)信號計算變換到兩個兩相靜 止坐標(biāo)系上，得到實時控制轉(zhuǎn)矩電壓Ula、U1{!和實時改變氣隙平衡磁場電壓1^、1] 2{!，并將Ula、 U!、U2a、U2{!輸入給繞組磁鏈觀測器6。
[0031] 兩個逆變器2、3輸出的電流輸入給矩陣變換模塊5,將電機實時反饋的實際電流計 算變換到兩個兩相靜止坐標(biāo)系上，經(jīng)矩陣變換模塊5得到實時控制轉(zhuǎn)矩電流丨^^印和實時 改變氣隙平衡磁場電流i2 a、i2i!，將實時控制轉(zhuǎn)矩電流輸入給轉(zhuǎn)矩觀測器8,實時控制 轉(zhuǎn)矩電流和實時改變氣隙平衡磁場電流i 2a、i2e分別兩路，一路直接輸入給繞組磁鏈 觀測器6,另一路經(jīng)繞組磁鏈觀測器6輸入給轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13。
[0032] 繞組磁鏈觀測器6計算出直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制所需的磁鏈分量的信息，包 括繞組轉(zhuǎn)矩分量磁鏈幅值和相位Θ、合成氣隙磁鏈和相位γ、繞組懸浮力分量磁鏈幅 值隊 2和相位λ。其中，繞組轉(zhuǎn)矩分量磁鏈幅值φ5?和相位Θ分為兩路，分別輸入給轉(zhuǎn)矩與懸浮 力電壓參考值發(fā)生器13和轉(zhuǎn)矩觀測器8。合成氣隙磁鏈!t gl和相位γ、繞組懸浮力分量磁鏈幅 值隊2和相位λ輸入給懸浮力觀測器7。
[0033]轉(zhuǎn)矩觀測器8由輸入的繞組轉(zhuǎn)矩分量磁鏈幅值φ3?和相位Θ、實時控制轉(zhuǎn)矩電流ila、 iie實時估算出輸出轉(zhuǎn)矩Te。懸浮力觀測器7由輸入的合成氣隙磁鏈和相位γ、繞組懸浮力 分量磁鏈幅值隊2和相位λ實時估算出x軸與y軸的懸浮力Fx和Fy。
[0034]轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13根據(jù)輸入的磁鏈相位角增量Δδ、懸浮力差值 A Fx和△ Fy、磁鏈指令值以及從繞組磁鏈觀測器6輸入來的繞組轉(zhuǎn)矩分量實時磁鏈幅值 和相位Θ以及實時控制轉(zhuǎn)矩電流1^、1 1{!和實時控制懸浮力電流12〇1、12￡!，最終生成兩相靜 止坐標(biāo)下的控制轉(zhuǎn)矩的電壓指令值山/和山/、改變氣隙平衡磁場（懸浮力）的電壓指令值 U2/和U2/這些變量;然后將這些變量輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊14中，得到兩個逆變器 2、3的開關(guān)信號3 3、51)、3。、313、311)、31。。這些開關(guān)信號33、31)、3。、31 3、311)、31。分為兩路，一路輸入 給矩陣變換模塊4,另一路輸入給兩個逆變器2、3;驅(qū)動逆變器2和3連接有直流母線電壓U DC 能夠產(chǎn)生六相電流^、"^。、。^^^，然后再將電流分為兩路^路連接到單繞組無軸承 永磁電機1上進行轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制，另一路反饋輸入到矩陣變換模塊5中。
[0035]具體構(gòu)造直接轉(zhuǎn)矩與直接懸浮力控制器20時，先依次構(gòu)造轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考 值發(fā)生器13和構(gòu)造參考值計算部分18,再構(gòu)造繞組磁鏈觀測器6、懸浮力觀測器7、構(gòu)造轉(zhuǎn)矩 觀測器8和構(gòu)造觀測值計算部分19,最后形成轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制器20,具體步驟分以下 7步：
[0036] 1、構(gòu)造轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13,如圖1所示。轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓指令值 1]1/、1]1/、1]2/、1]2/的產(chǎn)生是由以下幾個變量得到的 :繞組轉(zhuǎn)矩分量磁鏈相位角增量八3，0由 與y軸懸浮力比較差值A(chǔ) Fx和△ Fy、磁鏈指令值'繞組轉(zhuǎn)矩分量磁鏈幅值和相位Θ、電 機的實際電流。山{!、12〇1、12￡!。其中，電機的實際電流中的11〇 1、11￡!是實時控制轉(zhuǎn)矩電流，12〇1、 i2e是實時改變氣隙平衡磁場(懸浮力）電流i2a、i2e，定子繞組電阻 Rs、采樣周期Ts和參考系數(shù) KF，KF根據(jù)合成氣隙磁鏈確定。構(gòu)造轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13的電壓參考值表達式 為：
[0037]
[0038] 2、構(gòu)造參考值計算部分18,如圖2所示。首先由實時徑向位移值x、y與轉(zhuǎn)子位移指 令值X*和y*的比較得到的兩個差值分別輸入到對應(yīng)的PID調(diào)節(jié)器9、10中，調(diào)制后生成X軸與 y軸懸浮力指令值F/、F/，然后與懸浮力觀測器7輸入來的實時懸浮力Fx和Fy進行比較得到 差值Δ Fx和Δ Fy;同理，由實際轉(zhuǎn)速ω與轉(zhuǎn)速指令值ω $的比較得到的差值輸入到PI調(diào)節(jié)器 11中，調(diào)制后生成轉(zhuǎn)矩指令值TJ，然后與轉(zhuǎn)矩觀測器8輸入來的實時轉(zhuǎn)矩Te比較得到差值， 輸入到PI調(diào)節(jié)器12進行調(diào)制得到繞組轉(zhuǎn)矩分量磁鏈相位角增量△ δ ;將磁鏈相位角增量Δ δ 和懸浮力差值A(chǔ) Fx和△ Fy、磁鏈指令值itsl$依次輸入到轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13 中；轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13再根據(jù)從繞組磁鏈觀測器6輸入來的繞組轉(zhuǎn)矩分量 實時磁鏈幅值和相位Θ以及實時控制轉(zhuǎn)矩電流1^、1 1{!和實時改變氣隙平衡磁場電流i2a、 i2e，最終生成兩相靜止坐標(biāo)下的控制轉(zhuǎn)矩的電壓指令值山/和山/、改變氣隙平衡磁場的電 壓指令值1]2/和U2/;然后將這些變量輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊14中得到的逆變器開關(guān) 信號3 3、51)、3。、313、311)、31。，將這些開關(guān)信號為兩路，逆變器開關(guān)信號33、31)、3。、31 3、311)、31。一 路輸入給矩陣變換模塊4,另一路輸入給兩個逆變器2、3;驅(qū)動兩個連接直流母線電壓U DC的 逆變器2、3,產(chǎn)生并輸出六相電流 13、;^、：[。、：[1￡1、：[11)、：[1。，然后將六相電流1 ￡1、:^、：[。、：[1￡1、：[11)、：[1。 分為兩路，一路反饋輸入到矩陣變換模塊5中，另一路連接到單繞組雙三相無軸承永磁電機 1上進行轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制。
[0039] 3、構(gòu)造繞組磁鏈觀測器6，利用電機在靜止坐標(biāo)系下的實時控制轉(zhuǎn)矩電壓Ula、U 1{! 和實時改變氣隙平衡磁場電壓1^、1]2{!以及實時控制轉(zhuǎn)矩電流丨以^印和實時改變氣隙平衡磁 場(懸浮力）電流i 2a、i2e，考慮到定子繞組漏感Usl，根據(jù)圖3下列表達式可實時得到控制器 所需要的繞組磁鏈信息：繞組轉(zhuǎn)矩分量磁鏈在靜止坐標(biāo)系上的分量其幅值隊!和 相位Θ、合成氣隙磁鏈在靜止坐標(biāo)系上的分量11^為 1{!及其幅值和相位γ、繞組懸浮力分 量磁鏈在靜止坐標(biāo)系上的分量!ts2a、lts2e及其幅值隊2和相位入。
[0040]
[0041] 4、構(gòu)造懸浮力觀測器7,如圖4所示。懸浮力估算器7輸入端連接繞組磁鏈觀測器6 輸出端的合成氣隙磁鏈和相位γ、繞組懸浮力分量磁鏈幅值也2和相位λ，懸浮力觀測器7 根據(jù)無軸承電機轉(zhuǎn)子徑向懸浮力公式
：線計算出懸浮力靜止坐標(biāo)分 量Fx、Fy，其中系數(shù)1^表達式為
式中:Pl、p2分別為為轉(zhuǎn)矩磁場與懸浮力磁場等 效極對數(shù);1為電機轉(zhuǎn)子鐵心有效長度;r為轉(zhuǎn)子半徑;η為繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)。
[0042] 5、構(gòu)造轉(zhuǎn)矩觀測器8。轉(zhuǎn)矩觀測器8輸入端連接繞組磁鏈觀測器6輸出端的繞組轉(zhuǎn) 矩分量磁鏈幅值隊1、相位Θ和矩陣變換模塊5的實時控制轉(zhuǎn)矩電流:^山^根據(jù)如郎所不的 傳統(tǒng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩計算公式計算出實時轉(zhuǎn)矩：
[0043]
[0044] 6、構(gòu)造觀測值計算部分塊19，如圖6所示。苜先將電渦流位移傳感器15、16實時的 檢測轉(zhuǎn)子X軸與y軸徑向位移值X、y輸出;光電編碼器17將實時檢測轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速ω輸出； 然后將空間矢量脈寬調(diào)制模塊14輸出的開關(guān)信號Sa、Sb、Sc、Sla、Sib、Sic分為兩路，一路輸入 給矩陣變換模塊4,矩陣變換模塊4根據(jù)下列表達式，結(jié)合外電路輸入的直流母線電壓UDC將 開關(guān)信號計算變換到兩個兩相靜止坐標(biāo)系上得到實時控制轉(zhuǎn)矩電壓Ula、U1{!和實時控制懸 浮力電壓1^、1] 2{!，并將其輸入給繞組磁鏈觀測器6;將逆變器2、3的輸出電流分為兩路，一路 輸入到單繞組無軸承電機1，另一路輸入給矩陣變換模塊5,計算變換電機實時反饋的實際 電流到兩個兩相靜止坐標(biāo)系上得到實時控制轉(zhuǎn)矩電流和實時控制懸浮力電流i 2a、 i2f!，并將其分為三路，其中一路輸入給繞組磁鏈觀測器6，一路輸入給轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參 考值發(fā)生器13,另一路只把實時控制轉(zhuǎn)矩電流丨^^印輸入給轉(zhuǎn)矩觀測器8;然后由繞組磁鏈 觀測器6計算出直接轉(zhuǎn)矩和直接懸浮力控制所需的磁鏈分量的信息，其中繞組轉(zhuǎn)矩分量磁 鏈幅值和相位Θ分為兩路分別輸入給轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器13和轉(zhuǎn)矩觀測器8， 合成氣隙磁鏈和相位和相位γ、繞組懸浮力分量磁鏈幅值隊 2和相位λ輸入給懸浮力觀測 器7;轉(zhuǎn)矩觀測器8實施估算輸出轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩指令值Τ/進行比較;懸浮力觀測器7實時估算 輸出在X軸與y軸懸浮力F x和Fy與懸浮力指令值F/和F/進行比較。矩陣變換模塊4所根據(jù)的 表達式甚·
[0045]
[0046] 其中，Udc是直流母線電壓，Sa、Sb、Sc、S la、Slb、Slc是開關(guān)信號。
[0047] 7、最終由參考值計算部分18、觀測值計算部分19構(gòu)成完整的多相無軸承永磁電機 的轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制器20,如圖7所示，圖7所示的轉(zhuǎn)矩與懸浮力直接控制器20可根據(jù) 不同的控制要求采用不同的硬件或軟件來實現(xiàn)。
【主權(quán)項】
1. 一種單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器，其特征是；由參考值計算部分 (18)和觀測值計算部分（19)組成，所述觀測值計算部分（19)由繞組磁鏈觀測器(6)、懸 浮力觀測器(7)、轉(zhuǎn)矩觀測器(8)和兩個矩陣變換模塊組成，第一矩陣變換模塊(4)的輸出連 接繞組磁鏈觀測器(6)的輸入，繞組磁鏈觀測器(6)的輸出分別連接懸浮力觀測器(7)和轉(zhuǎn) 矩觀測器（8)，第二矩陣變換模塊（5)的輸出分別連接繞組磁鏈觀測器(6)和轉(zhuǎn)矩觀測器 (8);懸浮力觀測器⑴分別輸出實時懸浮力Fx和Fy，轉(zhuǎn)矩觀測器⑶輸出轉(zhuǎn)矩Te; 所述參考值計算部分（18)由轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器（13)、空間矢量脈寬調(diào)制 模塊（14)、兩個PID調(diào)節(jié)器、兩個PI調(diào)節(jié)器和兩個三相逆變器組成，兩個PID調(diào)節(jié)器的輸出連 接轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器（13)的輸入，第一PI調(diào)節(jié)器（11)串接第二PI調(diào)節(jié)器 (12) ，第二PI調(diào)節(jié)器（12)的輸出連接轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器（13)，轉(zhuǎn)矩與懸浮力 電壓參考值發(fā)生器（13)的輸出連接空間矢量脈寬調(diào)制模塊（14 )，空間矢量脈寬調(diào)制模塊 (14)的輸出分別連接兩個三相逆變器； 所述繞組磁鏈觀測器(6)的輸出端分別連接懸浮力觀測器(7)、轉(zhuǎn)矩觀測器(8)、轉(zhuǎn)矩與 懸浮力電壓參考值發(fā)生器(13)的輸入端。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器，其特征是；第一 PID調(diào)節(jié)器(9)和第二PID調(diào)節(jié)器（10)的輸出端分別連接轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器 (13) 的輸入端。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器，其特征是;空間矢 量脈寬調(diào)制模塊（14)的輸出端分別連接第一矩陣變換模塊(4)和兩個逆變器，兩個逆變器 的輸出端分別連接單繞組無軸承永磁電機(1)和第二矩陣變換模塊(5)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器，其特征是:第一矩 陣變換模塊(4)的輸出端連接繞組磁鏈觀測器(6)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述單繞組無軸承電機轉(zhuǎn)矩和懸浮力直接控制器，其特征是:繞組磁 鏈觀測器(6)的輸出端連接轉(zhuǎn)矩與懸浮力電壓參考值發(fā)生器(13)。
【文檔編號】H02P21/00GK205509912SQ201521037225
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年12月14日
【發(fā)明人】袁建飛, 朱熀秋
【申請人】江蘇大學(xué)