[發(fā)明專利]磁懸浮高速電機的一體化控制系統(tǒng)及其控制方法

有效

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• 申請日: 2013-10-30
• 公開（公告）號: CN103618484A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 紀(jì)歷;徐龍祥
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H02P6/16
• 分類號: H02P6/16;H02P6/08
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于一種數(shù)字控制設(shè)備，應(yīng)用于主動磁懸浮軸承支承的高速變頻電機。

背景技術(shù)

高速電機（指轉(zhuǎn)速超過10000r/min的電機）是當(dāng)前國際電工領(lǐng)域的研究熱點之一。相比中低速電機，它的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：

l??轉(zhuǎn)速高，電機的功率密度大，其幾何尺寸遠小于輸出功率相同的中低速電機，節(jié)約材料；

l??高速電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較小，動態(tài)響應(yīng)快；

l??高速電機省去了傳統(tǒng)的機械變速裝置，因而可減小噪音，提高傳動系統(tǒng)的效率。

然而高速電機的發(fā)展常受到軸承技術(shù)以及潤滑技術(shù)的制約。采用磁懸浮軸承支承技術(shù)后，高速電機的轉(zhuǎn)子與軸承之間實現(xiàn)了無接觸，進而不會發(fā)生機械摩擦和磨損，不需要潤滑系統(tǒng)，且省去了機械變速裝置，市場前景廣闊，具有傳統(tǒng)電機無法比擬的技術(shù)特點。

磁懸浮軸承（文中指主動磁懸浮軸承）需要一套控制系統(tǒng)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。而高速電機則需要變頻器來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。由于磁懸浮軸承與電機控制屬于不同的學(xué)科，因此，磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)與高速電機的變頻器通常是兩個分立的設(shè)備。而操作這兩個設(shè)備時也有嚴(yán)格的順序，開啟時必須先開啟磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，之后才能夠開啟變頻器轉(zhuǎn)動電機，而關(guān)機時則必須先關(guān)閉變頻器，等到轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)后才能關(guān)閉磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)。否則將有可能導(dǎo)致電機損壞。此外，出于安全性的考慮，這兩個設(shè)備之間需要一套通訊設(shè)備以獲取彼此的信息。如變頻器需要知道磁懸浮軸承的工作狀態(tài)，一旦在工作中磁懸浮軸承出現(xiàn)失穩(wěn)的跡象，變頻器必須立刻停止向高速電機提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，以免造成整臺設(shè)備損壞。如此一來，要使一臺磁懸浮高速電機能夠工作至少需要一套磁懸浮控制系統(tǒng)、一臺變頻器以及一套通訊設(shè)備。并且需要按照指定的順序操作才能正確啟停。而常規(guī)電機則無需這些配套設(shè)備，而且操作非常簡單，往往只需要接通電源就能工作。以至于許多單位在權(quán)衡考慮之后放棄了磁懸浮高速電機而繼續(xù)使用常規(guī)電機。

綜上所述，配套設(shè)備繁多、操作復(fù)雜、成本較高限制了磁懸浮高速電機的推廣。因此，對于有著廣闊市場前景的磁懸浮高速電機，迫切需要研發(fā)一種一體化程度高、操作簡便且成本較低的控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有磁懸浮高速電機配套設(shè)備繁多、操作復(fù)雜、成本較高的不足。本發(fā)明提供了一種磁懸浮高速電機一體化控制系統(tǒng)，將原本獨立的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)與電機變頻器進行了整合，并省去了兩者間的通訊設(shè)備。不僅操作簡便，而且節(jié)約了成本。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種磁懸浮高速電機的一體化控制系統(tǒng)，用于控制采用磁懸浮軸承支撐的高速電機，該一體化控制系統(tǒng)包括控制電路板、功率放大器以及傳感器，所述的控制電路板包括AC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊、信號處理芯片以及A/D模數(shù)信號轉(zhuǎn)換芯片；所述的功率放大器包括整流模塊、直流母線排、磁懸浮軸承開關(guān)器件以及變頻器開關(guān)器件；所述傳感器包括用于檢測磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子位置信號的位移傳感器、用于檢測磁懸浮軸承線圈電流信號的第一電流傳感器、用于檢測高速電機繞組線圈電流信號的第二電流傳感器；整流模塊將所接入的交流市電轉(zhuǎn)換為直流電儲存在直流母線排；磁懸浮軸承開關(guān)器件、變頻器開關(guān)器件并聯(lián)在直流母線排上；位移傳感器、第一電流傳感器、第二電流傳感器均通過A/D模數(shù)信號轉(zhuǎn)換芯片與信號處理芯片連接；信號處理芯片依次通過第一接口電路、磁懸浮軸承開關(guān)器件與磁懸浮軸承線圈連接，同時信號處理芯片依次通過第二接口電路、變頻器開關(guān)器件與高速電機繞組線圈連接；信號處理芯片根據(jù)位移傳感器所反饋的轉(zhuǎn)子位置信號、第一電流傳感器所反饋的磁懸浮軸承線圈電流信號，輸出軸承控制信號，經(jīng)第一接口電路轉(zhuǎn)換后，通過磁懸浮軸承開關(guān)器件控制磁懸浮軸承的位置；同時數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)第二電流傳感器所反饋的高速電機繞組線圈電流信號，輸出變頻器控制信號，經(jīng)第二接口電路轉(zhuǎn)換后，通過變頻器開關(guān)器件控制高速電機的旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明另一技術(shù)目的是提供一種基于上述磁懸浮高速電機的一體化控制系統(tǒng)的控制方法，所述信號處理芯片接收到一體化控制系統(tǒng)啟動信號后，首先向磁懸浮軸承開關(guān)器件輸出軸承控制信號，直到位移傳感器、第一電流傳感器反饋至信號處理芯片的信號表明磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)后，信號處理芯片才向變頻器開關(guān)器件輸出變頻器控制信號，控制高速電機旋轉(zhuǎn)；所述信號處理芯片接收到關(guān)閉一體化控制系統(tǒng)的信號后，信號處理芯片首先向變頻器開關(guān)器件輸出變頻器控制信號，控制高速電機降速，直至信號處理芯片接收到第二電流傳感器反饋的信號表明高速電機轉(zhuǎn)速為零后，才通過磁懸浮軸承開關(guān)器件，關(guān)閉磁懸浮軸承。