[發明專利]無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器

有效

• 申請號: 201310335273.7
• 申請日: 2013-08-05
• 公開（公告）號: CN103427754A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 朱熀秋;祝蘇明;潘偉;朱利東;刁小燕
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02P23/00
• 分類號: H02P23/00;H02P23/12;H02P25/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明是一種直接對無軸承異步電機轉子徑向位移進行控制使其達到穩定懸浮并且高速旋轉的控制器方案，適用于大功率、超高速、高電磁效率和高空間利用率等眾多使用無軸承異步電機的特殊電氣傳動領域，屬于電力傳動控制的技術領域。

背景技術

利用電磁軸承支撐無軸承電機的轉子，并對轉子徑向位移進行精確控制實現電機轉子的穩定懸浮一直是無軸承電機研究的重點及難點。現已提出的電機轉子懸浮力控制方法主要有兩種：矢量控制方法和直接懸浮力控制方法，基本上能夠實現電機轉子徑向懸浮力的控制，但這兩種控制方法均存在明顯的不足：矢量控制方法需要繁瑣的坐標變換，增加了控制系統軟件的復雜程度，占用了過多的系統時鐘周期；直接懸浮力控制方法則需要對電機轉子徑向懸浮力進行在線辨識，不但增加了系統硬件設計成本，而且徑向懸浮力辨識精度也決定了系統的整體控制性能，且只能應用于特定類型的電機，很難得到廣泛應用。

無軸承異步電機是一種新型的無軸承電機，在電磁效率、空間利用率等方面均明顯優越于傳統的磁軸承電機，在大功率、超高速電機領域具有很好的發展前景。然而，無軸承異步電機電磁轉矩與徑向懸浮力之間存在著嚴重耦合，使得無軸承異步電機控制系統設計要復雜。為了實現這種電機轉子的穩定懸浮與高速旋轉，使這種電機能夠在生產中得到廣泛應用并發揮其所具有的獨特優勢，需要設計一種能夠實現電機轉子徑向穩定懸浮且簡單可行的懸浮控制器。

發明內容

為了實現無軸承異步電機的廣泛應用、簡單可行、穩定懸浮的目的，本發明提出一種無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器，對轉子徑向位移進行直接控制，且實現了電機轉矩和徑向懸浮力的獨立控制，使電機轉子能夠高速旋轉且穩定懸浮。

本發明采用的技術方案是：本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器由轉速控制器、徑向位移閉環控制器和轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊組成；所述轉速控制器輸出三相電流????????????????????????????????????????????????、、給無軸承異步電機轉矩繞組；所述徑向位移閉環控制器由轉子偏心位移和偏心角度計算模塊、神經元PID控制器、懸浮力繞組電流計算模塊、三相功率PWM逆變器、徑向位移傳感器和光電編碼器組成；所述轉子偏心位移和偏心角度計算模塊、神經元PID控制器、懸浮力繞組電流計算模塊、三相功率PWM逆變器和無軸承異步電機依次串接；所述光電編碼器檢測無軸承異步電機的轉子位置角，所述徑向位移傳感器檢測其轉子實際位移反饋值X、Y，轉子實際位移X、Y與轉子位移給定值X*、Y*一并輸入轉子偏心位移和偏心角度計算模塊，轉子偏心位移和偏心角度計算模塊計算得出轉子偏心位移和轉子偏心角度，所述轉子偏心位移輸入到神經元PID控制器得到轉子穩定懸浮所需的徑向懸浮力幅值，所述轉子偏心角度直接輸入懸浮力繞組電流計算模塊；所述轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊由U-I模型磁鏈觀測器串接極坐標變換共同組成，轉矩繞組氣隙磁鏈估算模塊以轉矩繞組三相相電壓、、和相電流、、為輸入，以轉矩繞組氣隙磁鏈幅值及相位為輸出；所述懸浮力繞組電流計算模塊以徑向懸浮力幅值、轉子偏心角度、轉矩繞組氣隙磁鏈幅值、相位、轉子位置角這五個變量為輸入，以三相懸浮力繞組電流命令值、、為輸出，經三相功率PWM逆變器得到轉子穩定懸浮所需的三相懸浮力繞組電流、、。

本發明的優點在于：

1．本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器將徑向位移傳感器檢測的轉子實際位移X、Y與位移給定值X^*、Y^*進行比較，通過懸浮力繞組電流計算模塊直接生成控制徑向位移所需要的懸浮力繞組電流值，使轉子穩定懸浮，與矢量控制方法相比，省去了中間復雜的坐標矢量變換，降低了控制系統的復雜程度及控制算法耗用的系統時鐘周期，控制系統響應更快。

2．本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器對轉子徑向位移進行直接控制，與直接懸浮力控制方法相比，不需要對轉子徑向懸浮力進行在線辨識，避免了使用直接懸浮力控制方法時，由于辨識精度而影響控制系統性能的問題。

3．本發明所述無軸承異步電機轉子徑向位移直接控制器中轉矩繞組氣隙磁鏈采用U-I（電壓-電流）模型磁鏈觀測器進行估算，這種磁鏈觀測器算法簡單可行，易于懸浮力繞組電流計算模塊的實現，降低了徑向位移閉環控制器的軟件和硬件的設計復雜度，減少了控制系統占用的系統時鐘周期。