无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制方法和系统技术方案

无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制方法，包括：检测转子在x、y轴的位移量，与给定位移量相比后得到x、y轴位移偏差，生成x、y轴的给定控制悬浮力；根据悬浮力控制绕组磁链、相角及电机的结构参数，计算出当前的x、y轴的悬浮力，并和x、y轴的给定控制悬浮力比较，得到悬浮力差值；根据悬浮力差值、转子旋转角、悬浮力控制绕组磁链的相角、转矩绕组气隙磁链和悬浮力控制绕组磁链ψs2，将悬浮力差值转化为在静止坐标系αβ下的悬浮力控制绕组磁链差值，求出当前所需的悬浮力控制绕组磁链差值分量；将悬浮力控制绕组磁链差值离散为控制用电压空间矢量；根据SVPWM原理调制电压空间矢量，形成PWM脉冲驱动逆变器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无轴承无刷直流电机的控制领域，具体而言涉及一种综合了无刷直流电机悬浮力特征和SVPWM (空间电压矢量调制)控制方法的特点，闭环控制无轴承无刷直流电机悬浮力的方法。
技术介绍
无刷直流电机是由电机本体和驱动器组成的，它结构简单紧凑，没有传统电机的电刷部分，转子部分使用永磁材料，通过对定子绕组通过相应顺序的电流可以使得转子正转或者反转。无刷直流电机的效率高，高效区域大，具有较高的功率和转矩密度，功率因数接近于I。同时无刷直流电机具有直流有刷电机的所有的优点，所以高效、宽调速范围、高能量比、稳态转速误差小的无刷直流电机在业界和高性能驱动领域有着强烈的需求。但随着应用层面的深入，传统机械轴承支承的无刷直流电机已不能满足高转速、高功率发展的需要，而磁悬浮轴承的研究克服了机械轴承带来的不足，利用磁场力悬浮于空间内，其具有无摩擦、无损耗、无需润滑剂、高精度、寿命长等多方面的优点，彻底改变了传统无刷电机的轴承支撑方式，结合了磁悬浮轴承的无刷直流电机可以实现高速高效率、无接触的运行，在医药、化工、军事、能源、机械工业等领域有着宽广的发展前景。目前无轴承无刷直流电机的研究才处于一个起步阶段。发表于《中国电机工程学报》的“无轴承永磁同步电动机的独立控制研究”论证了无轴承永磁同步电机悬浮力的控制只需获取转矩绕组气隙磁场的幅值和相角。如果可以在线实时获得所需的气隙磁场的信息，就可以实现转矩和悬浮力之间的独立控制。这为研究无轴承无刷直流电机的悬浮力控制打下了理论基础，但是这篇文献只涉及到了正弦波控制的无轴承永磁同步电机，没有涉及方波表贴型的无轴承无刷直流电机。此外，相关学术论文对“磁悬浮无轴承无刷直流电机及其在计算机硬盘中的应用研究”和“无轴承无刷直流电机原理与控制技术”进行了研究探索，这两篇论文讨论了无刷直流电机的双闭环控制和无轴承化，并建立了相关的仿真和实验。但是文献中对无刷直流电机无轴承化的原理和数学推导含糊不清。具体的地方需要进一步的论证。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制方法和控制系统，综合无轴承无刷直流电机转矩绕组气隙磁链周期性跃动的特点，设计悬浮力控制方程，并在此基础上结合SVPWM (空间电压矢量)控制策略，将悬浮力差值转换为控制电压矢量，调制出所需的控制力，从而实现对悬浮力的闭环控制，提高悬浮力控制的快速性和准确性。本专利技术的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。为达成上述一个目的，本专利技术提出如下技术方案。无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制方法，包括以下步骤S1:检测转子在X、y轴的位移量，与给定位移量相比后得到X轴位移偏差Ax、y轴位移偏差Λ y,并分别通过PID控制器，生成X、y轴的给定控制悬浮力F*x和F*y ；S2:根据无轴承无刷直流电机的结构参数、悬浮力控制绕组的磁势F2和相角Θ 2，计算出当前的x、y轴的悬浮力Fx和Fy,并与步骤SI生成的x、y轴的给定控制悬浮力Fitx和F*y比较，得到悬浮力差值；S3:将悬浮力差值转化为在静止坐标系α β下的悬浮力控制绕组磁链差值，求出当前所需的悬浮力控制绕组磁链差值分量Λ Tjrs2a、Δ Vs20 ；S4:将悬浮力控制绕组磁链差值Λ Vs2a、Λ ψ320离散为控制用电压空间矢量Us2a和 US2fi ;S5:根据SVPWM原理调制电压空间矢量Us2a和Us20，并以调制形成的PWM脉冲驱动逆变器；S6:根据SVPWM调制模块输出的电压空间矢量Us2a和Us20和逆变器状态变量P，计算悬浮力控制绕组磁链Vs2及相角θ2，输出至悬浮力估算模块，因悬浮力控制绕组的磁势F2和磁链Vs2相关,通过调整磁链Vs2实现对悬浮力Fx和Fy幅值大小的控制；其中，相角θ2取决于转子旋转角Θ ^和逆变器状态变量P，逆变器状态变量P的值与转子旋转角有关;S7:重复步骤S2-S6实现悬浮力的闭环控制。为达成上述另一个目的，本专利技术提出一种无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制系统，包括:位移检测器，设置于无轴承无刷直流电机的定子外壳，用于检测电机转子在xy轴向的位移量；转子旋转角计算模块，用于检测或计算转子旋转角Θ」转矩绕组磁链幅值计算模块，用于计算转矩绕组气隙磁链的幅值I VslI ；第一比较器，用于将转子在x、y轴的实际位移量分别与给定位移量相比后，得到X轴位移偏差Δ X和y轴位移偏差Δ y ；PID控制器，用于根据X轴位移偏差Λ X和y轴位移偏差Λ y,生成x、y轴的给定控制悬浮力F*x和F*y ；悬浮力估算模块，根据无轴承无刷直流电机的结构参数、悬浮力控制绕组的磁势F2和相角Θ 2，计算出当前的X、y轴的悬浮力Fx和Fy ；第二比较器，用于将当前的X、y轴的实际悬浮力Fx和Fy与所述的x、y轴的给定控制悬浮力F*x和F*y比较，得到悬浮力差值；悬浮力差值与悬浮力控制绕组磁链差值转换模块，用于将悬浮力差值转化为在静止坐标系α β下的悬浮力控制绕组磁链差值，求出当前所需的悬浮力控制绕组磁链差值分量 Δ Vs2a、Δ Vs2@ ；SVPWM调制模块，用于根据SVPWM调制方法，形成PWM脉冲以驱动逆变器；逆变器，用于输出电压驱动电机； 悬浮力控制绕组磁链的幅值和相角计算模块，用于根据SVPWM调制模块输出和逆变器状态变量P，计算悬浮力控制绕组磁链ψ32及相角θ2，输出至悬浮力估算模块，实现通过调整悬浮力控制绕组磁链Vs2，对悬浮力FjJPFjg值大小的控制，相角θ2取决于转子旋转角Θ r和逆变器状态变量P，逆变器状态变量P的值与转子旋转角Θ ^有关。由以上本专利技术的技术方案可知，本专利技术的有益效果在于:根据无轴承无刷直流电机周期性气隙磁链脉动的特点，设计了适合其特点的无轴承无刷直流电机闭环悬浮力的控制方法，通过调整悬浮力控制绕组磁链Vs2，控制悬浮力控制绕组的磁势F2，实现对悬浮力Fx和Fy幅值大小的控制；并且不同于一般无轴承的滞环电流比较器控制，本专利技术采用SVPWM(电压空间矢量调制)方案驱动逆变器，提高逆变器的工作效率，使得整个系统动态响应迅速，极大提高了悬浮力控制的快速性和准确性。附图说明图1为本专利技术较优实施例的无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制方法的控制原理图。图2为合成悬浮力与悬浮控制绕组的磁链矢量示意图。图3为图1实施例的无轴承无刷直流电机悬浮力闭环控制方法的流程图。图中标注说明:x*、y*为给定的转子悬浮位置；x、y为位移传感器检测出的转子位移；F*X、F*y为给定的悬浮控制力；FX、Fy为计算得到的当前悬浮控制力；Λ Tjrs2a、Λ Vs20转换为静止坐标系α β中的悬浮力控制绕组磁链分量差值；I Vs21、Θ 2为悬浮力控制绕组磁链的幅值和相角；I ￥sl为转矩绕组气隙磁链的幅值，为转子旋转角。F(k)、F(k+l)为k时刻和k+Ι时刻的悬浮控制力；Vs2(k)、￥s2(k+1)为k时刻和k+Ι时刻的悬浮控制力绕组磁链值；Θ 2为悬浮力控制绕组磁链相角。具体实施例方式为了更了解 本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。总体上来说，本专利技术优选实施例的无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制方法根据无轴承无刷直流电机转矩绕组气隙磁链周期性跃动的特本文档来自技高网...

【技术保护点】
无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制方法，其特征是，该方法包括以下步骤：S1：检测转子在x、y轴的位移量，与给定位移量相比后得到x轴位移偏差Δx、y轴位移偏差Δy，并分别通过PID控制器，生成x、y轴的给定控制悬浮力F*x和F*y；S2：根据无轴承无刷直流电机的结构参数、悬浮力控制绕组的磁势F2和相角θ2，计算出当前的x、y轴的悬浮力Fx和Fy，并与步骤S1生成的x、y轴的给定控制悬浮力F*x和F*y比较，得到悬浮力差值；S3：将悬浮力差值转化为在静止坐标系αβ下的悬浮力控制绕组磁链差值，求出当前所需的悬浮力控制绕组磁链差值分量Δψs2α、Δψs2β；S4：将悬浮力控制绕组磁链差值Δψs2α、Δψs2β离散为控制用电压空间矢量us2α和us2β；S5：根据SVPWM原理调制电压空间矢量us2α和us2β，并以调制形成的PWM脉冲驱动逆变器；S6：根据SVPWM调制模块输出的电压空间矢量us2α和us2β和逆变器状态变量P，计算悬浮力控制绕组磁链ψs2及相角θ2，输出至悬浮力估算模块，因悬浮力控制绕组的磁势F2和磁链ψs2相关，通过调整磁链ψs2实现对悬浮力Fx和Fy幅值大小的控制；其中，相角θ2取决于转子旋转角θr和逆变器状态变量P，逆变器状态变量P的值与转子旋转角θr有关；S7：重复步骤S2?S6实现悬浮力的闭环控制。...

【技术特征摘要】
1.无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制方法，其特征是，该方法包括以下步骤: 51:检测转子在X、y轴的位移量，与给定位移量相比后得到X轴位移偏差△ X、y轴位移偏差Λ y,并分别通过PID控制器，生成X、y轴的给定控制悬浮力F*x和F*y ； 52:根据无轴承无刷直流电机的结构参数、悬浮力控制绕组的磁势F2和相角Θ 2，计算出当前的X、y轴的悬浮力Fx和Fy,并与步骤SI生成的X、y轴的给定控制悬浮力Fitx和Fity比较，得到悬浮力差值； 53:将悬浮力差值转化为在静止坐标系α β下的悬浮力控制绕组磁链差值，求出当前所需的悬浮力控制绕组磁链差值分量Λ Tjrs2a、Δ Vs20 ； 54:将悬浮力控制绕组磁链差值Λ Vs2a、Δ Vs20离散为控制用电压空间矢量Us2a和Us2 055:根据SVPWM原理调制电压空间矢量Us2a和Us20，并以调制形成的PWM脉冲驱动逆变器；S6:根据SVPWM调制模块输出的电压空间矢量Us2a和Us20和逆变器状态变量P，计算悬浮力控制绕组磁链Vs2及相角θ2，输出至悬浮力估算模块，因悬浮力控制绕组的磁势F2和磁链Vs2相关，通过调整磁链Vs2实现对悬浮力Fx和Fy幅值大小的控制；其中，相角02取决于转子旋转角Θ r和逆变器状态变量P，逆变器状态变量P的值与转子旋转角Θ ^有关； S7:重复步骤S2-S6实现悬浮力的闭环控制。2.根据权利要求1所述的闭环控制方法，其特征是，所述步骤S2中x、y轴的悬浮力Fx和Fy悬浮力的计算公式为:3.根据权利要求1所述的闭环控制方法，其特征是，所述步骤S3中悬浮力差值转化为在静止坐标系α β下的悬浮力控制绕组磁链差值的关系式为:4.无轴承无刷直流电机悬浮力的闭环控制系统，其特征是，该系统包括: 位移检测器，设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭斐，李正明，张芊，盛碧琦，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：