專利名稱：無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)與控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方法，適用于密封泵、高速或超高速數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、航空航天、生命科學(xué)等眾多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，特別是無接觸、無需潤(rùn)滑及無磨損等特點(diǎn)，用于真空技術(shù)、純凈潔室及無菌車間以及腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(zhì)的傳輸?shù)忍厥鈭?chǎng)合，屬于電力傳動(dòng)控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的五自由度無軸承永磁電機(jī)(除旋轉(zhuǎn)自由度外)，由2個(gè)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)單元，1個(gè)軸向磁軸承構(gòu)成。電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜、轉(zhuǎn)子軸向很長(zhǎng)，電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速受到很大限制，特別是控制系統(tǒng)比較龐大，2個(gè)二自由度無軸承永磁電機(jī)單元需要4個(gè)三相逆變驅(qū)動(dòng)電路，軸向磁軸承需要1路開關(guān)功率放大器，并且2個(gè)二自由度無軸承電機(jī)單元要考慮很好協(xié)調(diào)控制，控制系統(tǒng)過于復(fù)雜，很難在實(shí)際中得到應(yīng)用。
為了從本質(zhì)上簡(jiǎn)化五自由度無軸承永磁同步電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)懸浮轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)與控制，需要采用新的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制方法，研制結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡(jiǎn)單的無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方法。
國(guó)內(nèi)外沒有相關(guān)的專利和文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改變傳統(tǒng)五自由度無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種由三自由度徑向-軸向混合磁軸承和二自由度無軸承永磁同步電機(jī)構(gòu)成的五自由度無軸承永磁同步電機(jī)(除旋轉(zhuǎn)自由度外)樣機(jī)本體，同時(shí)采用了基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略對(duì)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)控制，三自由度磁軸承采用3個(gè)獨(dú)立位置PID控制器進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)了電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制系統(tǒng)性能優(yōu)良的效果。使得此類無軸承永磁同步電機(jī)在密封泵、高速或超高速數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、航空航天、生命科學(xué)等眾多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，特別是無接觸、無需潤(rùn)滑及無磨損等特點(diǎn)，用于真空技術(shù)、純凈潔室及無菌車間以及腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(zhì)的傳輸?shù)忍厥鈭?chǎng)合電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明的方案是五自由度無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)是由1個(gè)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)和1個(gè)三自由度徑向-軸向混合磁軸承構(gòu)成。三自由度徑向-軸向混合磁軸承由軸向定子、軸向控制線圈、轉(zhuǎn)子鐵芯、徑向控制線圈、徑向定子和環(huán)形永久磁鐵構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵芯分別與兩側(cè)軸向定子之間的間隙作為2個(gè)軸向氣隙；轉(zhuǎn)子鐵芯分別與徑向定子磁極之間的間隙作為4個(gè)徑向氣隙。軸向磁路和徑向磁路分別經(jīng)過相應(yīng)定子、氣隙和轉(zhuǎn)子構(gòu)成了完整的磁通回路。在軸向氣隙與徑向氣隙處合成磁通由永磁偏磁磁通與控制磁通進(jìn)行合成，合成磁通的變化能改變徑向或軸向的懸浮力。
三自由度徑向-軸向磁軸承控制系統(tǒng)由線性閉環(huán)控制器、開關(guān)功率放大器、三自由度磁軸承執(zhí)行電磁鐵控制線圈和位移傳感器構(gòu)成，通過位移傳感器檢測(cè)磁軸承徑向和軸向的位移與給定的參考量進(jìn)行比較，分別調(diào)整位置PID控制器參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)過開關(guān)功率放大器產(chǎn)生控制電流，分別驅(qū)動(dòng)電磁鐵線圈，產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)三自由度徑向-軸向磁軸承轉(zhuǎn)子懸浮在平衡位置。
二自由度無軸承永磁電機(jī)由定子鐵芯、轉(zhuǎn)子、永磁體、不銹鋼套環(huán)、電機(jī)繞組、徑向力繞組和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。轉(zhuǎn)子的徑向位移有位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)，速度有霍爾傳感器檢測(cè)。
二自由度無軸承電機(jī)控制系統(tǒng)由徑向位置控制子系統(tǒng)和速度控制子系統(tǒng)構(gòu)成，兩個(gè)子系統(tǒng)都采用雙閉環(huán)進(jìn)行控制。位置子系統(tǒng)內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)控制器、2個(gè)坐標(biāo)變換、電壓型三相逆變器和電流傳感器構(gòu)成，通過電流傳感器檢測(cè)懸浮力繞組中的實(shí)際電流，調(diào)整電流閉環(huán)控制器中電流PI控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；外環(huán)由位置閉環(huán)控制器、內(nèi)環(huán)、二自由度無軸承電機(jī)、電渦流位移傳感器等構(gòu)成，通過調(diào)整線性閉環(huán)控制器的參數(shù)就可以對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行控制。速度環(huán)子系統(tǒng)也由內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)速度環(huán)構(gòu)成，內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)控制器、2個(gè)坐標(biāo)變換、電壓型三相逆變器和電流傳感器構(gòu)成，通過電流傳感器檢測(cè)電機(jī)繞組中的實(shí)際電流，通過調(diào)整電流閉環(huán)控制器中電流PI控制器實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；外環(huán)由速度閉環(huán)控制器、內(nèi)環(huán)、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)、霍爾傳感器等構(gòu)成，通過調(diào)整速度PI控制器的參數(shù)，對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制。通過測(cè)量轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)大小，采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略對(duì)轉(zhuǎn)子位移和速度之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦控制。
本發(fā)明的原理是改變傳統(tǒng)五自由度無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種由三自由度徑向-軸向混合磁軸承和二自由度無軸承永磁同步電機(jī)構(gòu)成的五自由度無軸承永磁同步電機(jī)(除旋轉(zhuǎn)自由度)數(shù)控伺服系統(tǒng)樣機(jī)本體。采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略對(duì)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)進(jìn)行了非線性動(dòng)態(tài)解耦控制。對(duì)三自由度磁軸承位置采用三個(gè)位置控制器進(jìn)行獨(dú)立控制，通過調(diào)整位置PID控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三自由度混合磁軸承穩(wěn)定工作。對(duì)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)，通過霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置，采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向控制策略進(jìn)行解耦控制，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速控制環(huán)中PI控制器的參數(shù)，確保轉(zhuǎn)速具有良好的響應(yīng)性能；通過調(diào)整位置控制環(huán)中PI控制器參數(shù)和PID控制器的參數(shù)，確保無軸承電機(jī)徑向懸浮系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。
采用本方案研制的無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)，與3個(gè)磁軸承支承的永磁同步電機(jī)及傳統(tǒng)五自由度無軸承永磁同步電機(jī)(2個(gè)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)單元和1個(gè)軸向磁軸承構(gòu)成)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)①系統(tǒng)由2個(gè)部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度大大縮短，電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率可以進(jìn)一步得到提高，并可以實(shí)現(xiàn)微型化；②控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需考慮2個(gè)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)單元之間的協(xié)調(diào)控制，控制算法容易實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)更加合理，更實(shí)用。擺脫了3個(gè)磁軸承支承的永磁同步電機(jī)和傳統(tǒng)五自由度無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臨界轉(zhuǎn)速低，控制系統(tǒng)過于復(fù)雜的缺陷。
2.巧妙地實(shí)現(xiàn)了徑向-軸向三自由度磁軸承聯(lián)合控制。相比于二自由度徑向磁軸承與單自由度軸向磁軸承的給合，在相同功率或支承力下，大大縮小了轉(zhuǎn)子軸向的長(zhǎng)度；或使得相同體積下系統(tǒng)功率可以做得更高，懸浮力可以做得更大。
3.三自由度徑向-軸向混合磁軸承結(jié)構(gòu)緊湊、采用永磁偏磁，減少了功率放大器的體積和功耗，降低了制造成本。
4.二自由度無軸承永磁同步電機(jī)基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略，位置子系統(tǒng)和速度子系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，磁場(chǎng)檢測(cè)簡(jiǎn)單可靠，控制方法容易實(shí)現(xiàn)。
5.磁軸承開關(guān)功率放大器和無軸承電機(jī)的電壓型三相逆變器技術(shù)成熟，成本低，使得系統(tǒng)總體造價(jià)降低。
6.三自由度徑向-軸向混合磁軸承和二自由度無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)字控制部分共用一個(gè)DSP數(shù)字信號(hào)處理器，除開關(guān)功率放大器、電壓型三相逆變器和傳感器及接口電路外，其它控制環(huán)節(jié)都有軟件編程來實(shí)現(xiàn)，增加了系統(tǒng)的柔性和可靠性。
7.本發(fā)明設(shè)計(jì)的五自由度無軸承永磁同步電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，這種結(jié)構(gòu)可以用于其它類型的無軸承電機(jī)(如無軸承交流異步電機(jī)、無軸承磁阻電機(jī)、無軸承開關(guān)磁阻電機(jī))中。


圖1是五自由度無軸承永磁同步電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，由三自由度徑向-軸向混合磁軸承和二自由度無軸承永磁同步電機(jī)構(gòu)成。具體由徑向輔助軸承(1)，9個(gè)位移傳感器探頭(2)，轉(zhuǎn)軸(3)，后端蓋(4)，磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯(5)，磁軸承軸向定子(6)，磁軸承軸向控制線圈(7)，磁軸承環(huán)形永磁體(8)，磁軸承徑向定子(9)，磁軸承徑向控制線圈(10)，2個(gè)位移傳感器支架(11)，2個(gè)定位套筒(12)，無軸承永磁同步電機(jī)定子(13)，無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子(14)，4個(gè)無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)霍爾傳感器(15)，缸筒外套(16)，缸筒內(nèi)套(17)，前端蓋(18)，輔助軸承(19)。
圖2是五自由度無軸承永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)和三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)。
圖3是三自由度徑向-軸向混合磁軸承徑向定子(9)和軸向定子(6)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是三自由度徑向-軸向混合磁軸承徑向線圈(10)和軸向線圈(7)的結(jié)構(gòu)示意圖，軸向和徑向相對(duì)的兩個(gè)線圈分別串聯(lián)，作為相應(yīng)自由度的控制線圈。
圖5是三自由度徑向-軸向混合磁軸承軸向磁路的磁路圖，轉(zhuǎn)子鐵芯(5)分別與兩側(cè)軸向定子(6)之間的間隙作為2個(gè)軸向氣隙，在軸向氣隙處合成磁通由永磁偏磁磁通φPM分別與控制磁通φZ(yǔ)EM進(jìn)行合成，合成磁通的變化改變軸向的懸浮力。
圖6是三自由度徑向-軸向混合磁軸承徑向磁路的磁路圖，轉(zhuǎn)子鐵芯(5)分別與徑向定子(9)4個(gè)磁極之間的間隙作為4個(gè)徑向氣隙。徑向磁路分別經(jīng)過徑向定子(9)、氣隙和轉(zhuǎn)子鐵芯(5)構(gòu)成了完整的磁通回路。徑向氣隙處合成磁通由永磁偏磁磁通φPM分別與控制磁通(φXEM，φYEM)進(jìn)行合成，氣隙處合成磁通的變化能改變徑向或軸向的懸浮力。
圖7是三自由度徑向-軸向混合磁軸承控制系統(tǒng)框圖。由三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)、位移傳感器(50)，線性閉環(huán)控制器(30)，開關(guān)功率放大器(40)構(gòu)成。由位移傳感器(50)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，與給定的參考位置信號(hào)進(jìn)行比較并在DSP內(nèi)部通過軟件編程實(shí)現(xiàn)PID位置控制。
圖8是二自由度無軸承永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。兩個(gè)子系統(tǒng)都采用雙閉環(huán)進(jìn)行控制，位置子系統(tǒng)內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)控制器(70)、坐標(biāo)變換(81，82)、電壓型三相逆變器(91)、電流傳感器(101)構(gòu)成；外環(huán)由位置閉環(huán)控制器(60)、內(nèi)環(huán)、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、電渦流位移傳感器(54、55)構(gòu)成。
速度環(huán)子系統(tǒng)也由內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)速度環(huán)構(gòu)成，電流內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)控制器(74)、坐標(biāo)變換(83，84)、電壓型三相逆變器(92)、電流傳感器(102)構(gòu)成。外環(huán)由閉環(huán)控制器(64)、電流內(nèi)環(huán)、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、霍爾傳感器(15)構(gòu)成，通過調(diào)整速度PI控制器(64)的參數(shù)，可以對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制。
圖9是采用DSP作為無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方法的本發(fā)明裝置控制系統(tǒng)組成示意圖。其中DSP控制器110。
圖10是以DSP為控制器CPU的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)軟件框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施方式是其采用的控制方法是由二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)等構(gòu)成五自由度無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)樣機(jī)本體，采用線性閉環(huán)控制器(30)控制三自由度混合磁軸承徑向-軸向的位置；調(diào)整位置PID控制器(31，32，33)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三自由度徑向-軸向混合磁軸承穩(wěn)定工作；利用霍爾傳感器(15)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)大小，采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略對(duì)徑向位移和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦控制二自由度無軸承永磁同步電機(jī)；通過調(diào)整位置控制環(huán)中2個(gè)PI控制器參數(shù)(71，72)和2個(gè)PID控制器(61，62)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)徑向懸浮系統(tǒng)的良好的動(dòng)靜態(tài)性能；通過調(diào)整轉(zhuǎn)速控制環(huán)中3個(gè)PI控制器(64，75，76)的參數(shù)，確保轉(zhuǎn)速具有良好的響應(yīng)性能。
具體實(shí)施分以下9步1.無軸承永磁同步電機(jī)本體是由在缸筒內(nèi)套中二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)和三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)構(gòu)成；右端的三自由度徑向—軸向混合磁軸承(22)由徑向輔助軸承(1)固定在后端蓋(4)中；軸向位移傳感器探頭(2)固定在后端蓋(4)上，處于轉(zhuǎn)軸(3)的中心上，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸(3)的軸向位移；磁軸承的4個(gè)徑向位移傳感器探頭(2)固定在傳感器支架(11)上，傳感器支架(11)固定在緊靠磁軸承的側(cè)面；磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯(5)同轉(zhuǎn)軸(3)固定在一起，由硅鋼片材料疊壓而成；磁軸承的軸向定子(6)包圍徑向定子(9)和環(huán)形永磁體(8)，環(huán)形永磁體(8)安裝在磁軸承徑向定子(9)和磁軸承的軸向定子(6)之間；磁軸承徑向控制線圈(10)分別繞在徑向定子(9)的沿圓周均勻分布的四個(gè)磁極上，相對(duì)的2個(gè)磁極上的線圈相串聯(lián)為一個(gè)徑向自由度的控制線圈，提供徑向控制磁通；磁軸承的軸向控制線圈(7)在磁軸承軸向定子內(nèi)側(cè)，均勻分布的磁軸承徑向定子(9)和永磁體(8)兩側(cè)，2個(gè)線圈串聯(lián)；左端的二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)中，無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子(14)表面裝有永磁材料釹鐵硼做成極對(duì)數(shù)為2的永磁體，永磁體外面用鋼筒固定，電機(jī)轉(zhuǎn)子(14)裝在轉(zhuǎn)軸(3)上；無軸承永磁同步電機(jī)的定子(13)，套用標(biāo)準(zhǔn)永磁同步電機(jī)的定子，定子槽中疊壓2套繞組，兩套繞組的極對(duì)數(shù)為±1的關(guān)系；無軸承永磁同步電機(jī)的4個(gè)徑向位移傳感器探頭(2)安裝在靠近前端蓋(18)的傳感器支架(11)上，采用差動(dòng)測(cè)量徑向二自由度的位移，傳感器支架(11)固定在無軸承永磁同步電機(jī)(21)的左端；設(shè)有測(cè)量轉(zhuǎn)速的4個(gè)霍爾傳感器(15)固定在傳感器支架(11)；前端蓋中裝有輔助軸承(19)作為無軸承永磁同步電機(jī)的輔助支承軸承。
三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、2個(gè)定位套筒(12)、2個(gè)傳感器支架(11)全部裝在缸筒內(nèi)套17中，缸筒由內(nèi)套17和外套16構(gòu)成，用于支承三自由度徑向-軸向混合磁軸承定子和二自由度無軸承永磁同步電機(jī)定子的缸筒雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間具有螺旋溝道，通水對(duì)五自由度無軸承永磁同步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。
三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)的控制系統(tǒng)由線性閉環(huán)控制器(30)、開關(guān)功率放大器(40)、三自由度徑向-軸向磁軸承(22)、位移傳感器(50)依次相連構(gòu)成。
二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)的控制系統(tǒng)由徑向位置控制子系統(tǒng)和速度控制子系統(tǒng)構(gòu)成，位置子系統(tǒng)內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)控制器(70)、坐標(biāo)變換(81，82)、電壓型三相逆變器(91)、電流傳感器(101)等構(gòu)成；外環(huán)由位置閉環(huán)控制器(60)、內(nèi)環(huán)、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、位移傳感器(54、55)構(gòu)成。速度環(huán)子系統(tǒng)由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)構(gòu)成，電流內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)控制器(74)、坐標(biāo)變換(83，84)、電壓型三相逆變器(92)、電流傳感器(102)等構(gòu)成，外環(huán)由速度閉環(huán)控制器(63)、電流內(nèi)環(huán)、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、霍爾傳感器(15)等構(gòu)成。
采用二自由度無軸承異步電機(jī)代替所述的二自由度無軸承永磁同步電機(jī)，構(gòu)成五自由度無軸承異步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)；具體是無軸承異步電機(jī)套用標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)的定子和鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在定子槽中疊壓兩套繞組，兩套繞組的極對(duì)數(shù)為±1的關(guān)系，采用光電編碼盤安裝在轉(zhuǎn)軸的一端。
2.位移檢測(cè)。采用電渦流傳感器對(duì)軸向與徑向5個(gè)自由度位移進(jìn)行檢測(cè)。軸向采用一個(gè)電渦流傳感器，而徑向采用8個(gè)電渦流傳感器在x方向與y方向分別進(jìn)行差動(dòng)式檢測(cè)，以獲得精準(zhǔn)的位置信號(hào)，并經(jīng)接口電路處理使其在DSP的A/D輸入信號(hào)范圍之內(nèi)，由DSP內(nèi)置采樣/保持電路對(duì)其進(jìn)行信號(hào)采集處理。
3.轉(zhuǎn)速檢測(cè)。采用4霍爾傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)和處理，得到磁場(chǎng)轉(zhuǎn)角量和電機(jī)轉(zhuǎn)速大小。測(cè)量轉(zhuǎn)速的4個(gè)霍爾傳感器(15)固定在傳感器支架(11)上，接近電機(jī)轉(zhuǎn)子，通過測(cè)量轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)大小，來間接測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速；也可以采用光電編碼器安裝在轉(zhuǎn)軸的一端來測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
4.磁軸承開關(guān)功率放大器。采用傳統(tǒng)的開關(guān)功率放大器，具有響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)。由DSP輸出的控制信號(hào)直接作為開關(guān)功率放大器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)放大產(chǎn)生控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生主動(dòng)磁懸浮力來使轉(zhuǎn)子保持在平衡位置。
5.無軸承電機(jī)電壓型三相逆變器。采用的智能功率模塊IPM作為主逆變電路，DSP輸出三相PWM信號(hào)控制電壓型三相逆變器，DSP檢測(cè)逆變器故障信號(hào)，并進(jìn)行故障處理。
6.構(gòu)建三自由度徑向-軸向混合磁軸承控制系統(tǒng)。三自由度磁軸承位置控制系統(tǒng)由線性閉環(huán)控制器、開關(guān)功率放大器、三自由度徑向-軸向磁軸承執(zhí)行電磁鐵、位移傳感器構(gòu)成，通過位移傳感器檢測(cè)磁軸承徑向和軸向的位移與給定的位移參考值進(jìn)行比較，分別調(diào)整位置PID控制器的參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)過開關(guān)功率放大器產(chǎn)生控制電流，分別驅(qū)動(dòng)電磁鐵線圈，產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子懸浮在平衡位置。
對(duì)三自由度徑向-軸向磁軸承位置控制是通過位移傳感器(51，52，53)檢測(cè)磁軸承徑向和軸向的位移與給定的位移參考值進(jìn)行比較，分別調(diào)整位置PID控制器(31，32，33)的參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)過開關(guān)功率放大器(41，42，43)產(chǎn)生控制電流，分別驅(qū)動(dòng)三自由度徑向-軸向磁軸承(22)的電磁鐵線圈(10，7)，產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)三自由度徑向-軸向磁軸承轉(zhuǎn)子懸浮在平衡位置。
7.構(gòu)建二自由度無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。組成二自由度無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的徑向位置控制子系統(tǒng)和速度控制子系統(tǒng)都采用雙閉環(huán)進(jìn)行控制；通過電流傳感器(101)檢測(cè)懸浮力繞組中的實(shí)際電流，經(jīng)坐標(biāo)變換(81)運(yùn)算和處理，通過調(diào)整電流閉環(huán)控制器(70)中PI控制器(71，72)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；通過調(diào)整位置PID控制器(61，62)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子徑向位置進(jìn)行控制；通過電流傳感器(102)檢測(cè)無軸承永磁同步電機(jī)(21)電機(jī)繞組中的實(shí)際電流，通過調(diào)整電流閉環(huán)控制器(74)中PI控制器(75，76)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；通過調(diào)整速度PI控制器(64)的參數(shù)，可以對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制；位移和速度之間的動(dòng)態(tài)解耦控制，采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略進(jìn)行解耦，通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置角γ，將兩相旋轉(zhuǎn)D-Q坐標(biāo)(圖8中變量右上角用“F”表示)中的量變換到兩相靜止d-q坐標(biāo)(圖8中變量右上角用“S”表示)中，將測(cè)量到懸浮力和電機(jī)繞組中的量經(jīng)過從兩相靜止d-q坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)D-Q坐標(biāo)變換即可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)解耦控制。對(duì)位置控制子系統(tǒng)，兩相旋轉(zhuǎn)D-Q坐標(biāo)系相對(duì)于兩相靜止d-q坐標(biāo)系之間的夾角γB＝γ+B；對(duì)速度控制子系統(tǒng)，兩相旋轉(zhuǎn)D-Q坐標(biāo)系相對(duì)于兩相靜止d-q坐標(biāo)系之間夾角γM＝γ+M，B，M分別是懸浮力繞組A相繞組軸線和電機(jī)繞組A相繞組軸線與靜止d軸之間的電角度。具體解耦方法是在位置環(huán)控制子系統(tǒng)中，將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子徑向位移量X和Y與給定的命令值X*和Y*比較，經(jīng)過PID控制器(61，62)產(chǎn)生電流的命令值 將測(cè)量到懸浮力繞組兩相電流實(shí)際值i2u(s)、i2v(s) →計(jì)算 →Clark變換→Park變換→再與兩相旋轉(zhuǎn)D-Q坐標(biāo)系中電流的命令值 比較→經(jīng)過PI控制器(71，72)產(chǎn)生電壓命令值 →逆Clark變換→逆Park變換產(chǎn)生三相電壓命令值 和 →經(jīng)過電壓型三相逆變器(91)產(chǎn)生三相懸浮力繞組驅(qū)動(dòng)電壓 和 →實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在平衡位置。根據(jù)檢測(cè)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置角γ，計(jì)算出電機(jī)實(shí)際角速度ωm，與角速度命令值 比較后，經(jīng)過PI控制器(64)產(chǎn)生電流命令值 采用磁場(chǎng)定向控制i1d(F)*=0]]>再采用與位置內(nèi)環(huán)相似的變換和控制方法，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的獨(dú)立控制。
8.構(gòu)建DSP控制器(110)。采用TI公司的TMS320LF2407 DSP數(shù)字信號(hào)處理器作為DSP控制器的CPU。該款CPU具有運(yùn)算速度快，單條指令只需33ns時(shí)間，自帶有內(nèi)置采樣/保持電路的10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，PWM信號(hào)事件管理模塊，通過擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換器，能滿足磁軸承控制要求。
對(duì)磁軸承控制部分DSP控制器通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)徑向-軸向3自由度位移傳感器信號(hào)的采集、線性閉環(huán)控制器運(yùn)算處理，輸出相應(yīng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三自由度徑向-軸向混合磁軸承的閉環(huán)控制。
對(duì)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)部分DSP控制器通過軟件編程實(shí)現(xiàn)徑向二自由度位移、懸浮力和電機(jī)繞組電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)采集，對(duì)位置子系統(tǒng)來講，經(jīng)過位置PID控制器(61，62)運(yùn)算、坐標(biāo)變換(81)運(yùn)算、電流閉環(huán)控制器(71，72)運(yùn)算、坐標(biāo)變換(82)運(yùn)算和處理，輸出PWM信號(hào)至懸浮力繞組電壓型三相逆變器(91)。對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)來講，經(jīng)過速度PI控制器(64)運(yùn)算、坐標(biāo)變換(83)運(yùn)算、電流閉環(huán)控制器(75，76)運(yùn)算、坐標(biāo)變換(84)運(yùn)算和處理，輸出PWM信號(hào)至懸浮力繞組電壓型三相逆變器(92)。
9.控制參數(shù)調(diào)整。
1)磁軸承電流PI控制器采用線性理論中的比例積分控制器PI、極點(diǎn)配置或二次型指標(biāo)最優(yōu)等方法來設(shè)計(jì)。調(diào)整2個(gè)電流PI控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)控制。磁軸承位置PID控制器采用線性理論中的比例積分微分控制器PID、極點(diǎn)配置或二次型指標(biāo)最優(yōu)等方法來設(shè)計(jì)，調(diào)整3個(gè)位置PID控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)磁軸承懸浮。
2)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中PI控制器采用線性理論中的比例積分PI，極點(diǎn)配置或二次型指標(biāo)最優(yōu)等方法來設(shè)計(jì)。在調(diào)整位置子系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮后，調(diào)速度子系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)電流PI控制器參數(shù)，再調(diào)速度外環(huán)PI控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)穩(wěn)定懸浮和旋轉(zhuǎn)。
以上所述，僅用于說明本發(fā)明，而不用于限制。
權(quán)利要求
1.無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)，其特征在于無軸承永磁同步電機(jī)本體是由在缸筒內(nèi)套中二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)和三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)構(gòu)成；右端的三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)由徑向輔助軸承(1)固定在后端蓋(4)中；軸向位移傳感器探頭(2)固定在后端蓋(4)上，處于轉(zhuǎn)軸(3)的中心上，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸(3)的軸向位移；磁軸承的4個(gè)徑向位移傳感器探頭(2)固定在傳感器支架(11)上，傳感器支架(11)固定在緊靠磁軸承的側(cè)面；磁軸承轉(zhuǎn)子鐵芯(5)同轉(zhuǎn)軸(3)固定在一起，由硅鋼片材料疊壓而成；磁軸承的軸向定子(6)包圍徑向定子(9)和環(huán)形永磁體(8)，環(huán)形永磁體(8)安裝在磁軸承徑向定子(9)和磁軸承的軸向定子(6)之間；磁軸承徑向控制線圈(10)分別繞在徑向定子(9)的沿圓周均勻分布的四個(gè)磁極上，相對(duì)的2個(gè)磁極上的線圈相串聯(lián)為一個(gè)徑向自由度的控制線圈，提供徑向控制磁通；磁軸承的軸向控制線圈(7)在磁軸承軸向定子內(nèi)側(cè)，均勻分布的磁軸承徑向定子(9)和永磁體(8)兩側(cè)，2個(gè)線圈串聯(lián)；左端的二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)中，無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子(14)表面裝有永磁材料釹鐵硼做成極對(duì)數(shù)為2的永磁體，永磁體外面用鋼筒固定，電機(jī)轉(zhuǎn)子(14)裝在轉(zhuǎn)軸(3)上；無軸承永磁同步電機(jī)的定子(13)，套用標(biāo)準(zhǔn)永磁同步電機(jī)的定子，定子槽中疊壓2套繞組，兩套繞組的極對(duì)數(shù)為±1的關(guān)系；無軸承永磁同步電機(jī)的4個(gè)徑向位移傳感器探頭(2)安裝在靠近前端蓋(18)的傳感器支架(11)上，采用差動(dòng)測(cè)量徑向二自由度的位移，傳感器支架(11)固定在無軸承永磁同步電機(jī)(21)的左端；設(shè)有測(cè)量轉(zhuǎn)速的4個(gè)霍爾傳感器(15)固定在傳感器支架(11)；前端蓋中裝有輔助軸承(19)作為無軸承永磁同步電機(jī)的輔助支承軸承。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)，其特征在于三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)的控制系統(tǒng)由線性閉環(huán)控制器(30)、開關(guān)功率放大器(40)、三自由度徑向-軸向磁軸承(22)、位移傳感器(50)依次相連構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)，其特征在于二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)的控制系統(tǒng)由徑向位置控制子系統(tǒng)和速度控制子系統(tǒng)構(gòu)成，位置子系統(tǒng)內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)控制器(70)、坐標(biāo)變換(81，82)、電壓型三相逆變器(91)、電流傳感器(101)等構(gòu)成；外環(huán)由位置閉環(huán)控制器(60)、內(nèi)環(huán)、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、位移傳感器(54、55)構(gòu)成。速度環(huán)子系統(tǒng)由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)構(gòu)成，電流內(nèi)環(huán)由電流閉環(huán)控制器(74)、坐標(biāo)變換(83，84)、電壓型三相逆變器(92)、電流傳感器(102)等構(gòu)成，外環(huán)由速度閉環(huán)控制器(63)、電流內(nèi)環(huán)、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、霍爾傳感器(15)等構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)，其特征在于測(cè)量轉(zhuǎn)速的4個(gè)霍爾傳感器(15)固定在傳感器支架(11)上，接近電機(jī)轉(zhuǎn)子，通過測(cè)量轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)大小，來間接測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速；也可以采用光電編碼器安裝在轉(zhuǎn)軸的一端來測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)，其特征在于缸筒由內(nèi)套(17)和外套(16)構(gòu)成，兩層之間具有對(duì)電機(jī)系統(tǒng)通水冷卻的螺旋溝道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)，其特征在于采用二自由度無軸承異步電機(jī)代替所述的二自由度無軸承永磁同步電機(jī)，構(gòu)成五自由度無軸承異步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)；具體是無軸承異步電機(jī)套用標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)的定子和鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在定子槽中疊壓兩套繞組，兩套繞組的極對(duì)數(shù)為±1的關(guān)系，采用光電編碼盤安裝在轉(zhuǎn)軸的一端。
7.無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)的控制方法，其特征在于由二自由度無軸承永磁同步電機(jī)(21)、三自由度徑向-軸向混合磁軸承(22)等構(gòu)成五自由度無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)樣機(jī)本體，采用線性閉環(huán)控制器(30)控制三自由度混合磁軸承徑向-軸向的位置；調(diào)整位置PID控制器(31，32，33)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三自由度徑向-軸向混合磁軸承穩(wěn)定工作；利用霍爾傳感器(15)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)大小，采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略對(duì)徑向位移和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦控制二自由度無軸承永磁同步電機(jī)；通過調(diào)整位置控制環(huán)中2個(gè)PI控制器參數(shù)(71，72)和2個(gè)PID控制器(61，62)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)二自由度無軸承永磁同步電機(jī)徑向懸浮系統(tǒng)的良好的動(dòng)靜態(tài)性能；通過調(diào)整轉(zhuǎn)速控制環(huán)中3個(gè)PI控制器(64，75，76)的參數(shù)，確保轉(zhuǎn)速具有良好的響應(yīng)性能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)的控制方法，其特征在于對(duì)三自由度徑向-軸向磁軸承位置控制是通過位移傳感器(51，52，53)檢測(cè)磁軸承徑向和軸向的位移與給定的位移參考值進(jìn)行比較，分別調(diào)整位置PID控制器(31，32，33)的參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)過開關(guān)功率放大器(41，42，43)產(chǎn)生控制電流，分別驅(qū)動(dòng)三自由度徑向-軸向磁軸承(22)的電磁鐵線圈(10，7)，產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)三自由度徑向-軸向磁軸承轉(zhuǎn)子懸浮在平衡位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)的控制方法，其特征在于組成二自由度無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的徑向位置控制子系統(tǒng)和速度控制子系統(tǒng)都采用雙閉環(huán)進(jìn)行控制；通過電流傳感器(101)檢測(cè)懸浮力繞組中的實(shí)際電流，經(jīng)坐標(biāo)變換(81)運(yùn)算和處理，通過調(diào)整電流閉環(huán)控制器(70)中PI控制器(71，72)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；通過調(diào)整位置PID控制器(61，62)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子徑向位置進(jìn)行控制；通過電流傳感器(102)檢測(cè)無軸承永磁同步電機(jī)(21)電機(jī)繞組中的實(shí)際電流，通過調(diào)整電流閉環(huán)控制器(74)中PI控制器(75，76)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；通過調(diào)整速度PI控制器(64)的參數(shù)，可以對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制；位移和速度之間的動(dòng)態(tài)解耦控制，依據(jù)霍爾傳感器(15)檢測(cè)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置角γ，采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略，經(jīng)過多次坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)解耦；對(duì)位置控制子系統(tǒng)，兩相旋轉(zhuǎn)D-Q坐標(biāo)系與兩相靜止d-q坐標(biāo)系之間的夾角γB＝γ+B；對(duì)速度控制子系統(tǒng)，兩相旋轉(zhuǎn)D-Q坐標(biāo)系與兩相靜止d-q坐標(biāo)系之間的夾角γM＝γ+M，B，M分別是懸浮力繞組A相繞組軸線和電機(jī)繞組A相繞組軸線與靜止d軸之間的電角度。
全文摘要
本發(fā)明適用于密封泵、高速或超高速數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、航空航天、生命科學(xué)等眾多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域。其特征在于將三自由度徑向－軸向混合磁軸承、二自由度無軸承永磁同步電機(jī)構(gòu)成5自由度無軸承永磁同步電機(jī)數(shù)控伺服系統(tǒng)樣機(jī)本體；采用3個(gè)獨(dú)立的PID線性控制器進(jìn)行獨(dú)立控制，通過調(diào)整位置PID控制器的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)混合磁軸承穩(wěn)定工作。通過霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的大小，采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向控制策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦控制，通過調(diào)整位置控制環(huán)中2個(gè)PI控制器參數(shù)和2個(gè)PID控制器的參數(shù)，能保證無軸承電機(jī)徑向懸浮系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能；通過調(diào)整轉(zhuǎn)速控制環(huán)中3個(gè)PI控制器參數(shù)，確保轉(zhuǎn)速具有良好的響應(yīng)性能。
文檔編號(hào)H02K21/00GK1713490SQ20051004006
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者朱熀秋, 孫玉坤, 劉賢興, 高國(guó)琴, 陳志剛, 陳保進(jìn) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)