基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種五自由度交流磁軸承電主軸的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，具體涉及將矩陣變換器應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)五自由度交流磁軸承電主軸的控制技術(shù)，屬于高速電機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子無接觸地懸浮在空中，并且懸浮位置可以由控制系統(tǒng)控制。與傳統(tǒng)軸承相比，磁軸承具備了無摩擦磨損、無需潤滑、轉(zhuǎn)速高、精度高、壽命長等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來磁懸浮軸承已經(jīng)在離心分離機(jī)、高速精密數(shù)控機(jī)床、機(jī)電電池、汽輪發(fā)電機(jī)、渦輪分子泵、生命科學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
[0003]五自由度交流磁軸承電主軸由兩個(gè)徑向三極磁軸承與一個(gè)軸向磁軸承支承，內(nèi)裝電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，基本取消了帶輪傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，目前磁軸承支承的電主軸工作轉(zhuǎn)速一般在數(shù)千轉(zhuǎn)至數(shù)萬轉(zhuǎn)，已在車床、銑床、磨床、組合機(jī)床中使用。
[0004]傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制交流磁軸承電主軸的方法為:由兩個(gè)相同的驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)電主軸中的兩個(gè)徑向三極磁軸承，軸向磁軸承由軸向驅(qū)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)，徑向三極磁軸承的驅(qū)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)形式采用交流電整流成直流電，再由直流電逆變成交流電，或是由直流電直接逆變成交流電的結(jié)構(gòu)形式。這種驅(qū)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)形式中逆變環(huán)節(jié)的直流側(cè)存在儲(chǔ)能大電容，目前一般選用電解電容，電解電容存在壽命短、體積大等缺點(diǎn)，一旦損壞會(huì)對逆變器產(chǎn)生影響，降低了系統(tǒng)的可靠性。
[0005]三相-三相矩陣變換器采用3X3的開關(guān)矩陣陣列結(jié)構(gòu)形式，由9個(gè)雙向開關(guān)組成，通過控制器控制這9個(gè)雙向開關(guān)的通斷即可獲得期望的輸出電流與電壓來控制被控對象。矩陣變換器不含儲(chǔ)能電容，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、穩(wěn)定性高、能量可雙向流動(dòng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可對交流電能直接進(jìn)行變換，不存在直流側(cè)的大電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。目前，矩陣變換器可應(yīng)用在電機(jī)交流傳動(dòng)、電網(wǎng)電能變換、開關(guān)電源等領(lǐng)域。應(yīng)用在永磁同步電機(jī)中的傳統(tǒng)的矩陣變換器滯環(huán)電流控制方法為在三相輸入正弦電壓的自然換向點(diǎn)處把電壓分為6個(gè)相區(qū),此時(shí)輸入電壓每一相區(qū)存在一個(gè)電壓最大值相、一個(gè)電壓最小值相,在確定矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)三相輸出電流滯環(huán)比較的結(jié)果，輸出相只與輸入的最大值相和最小值相連接。這種方法的缺點(diǎn)是:每個(gè)輸入相有1/3的時(shí)間不參與調(diào)制，會(huì)使電源側(cè)輸入電流諧波含量豐富。三極磁軸承與永磁同步電機(jī)的特性相似，其線圈可看做電機(jī)定子上的集中繞組，其線圈是阻感負(fù)載，因此，雖然該方法也可用于驅(qū)動(dòng)交流磁軸承電主軸中的三極磁軸承，但會(huì)使電源側(cè)輸入電流諧波含量豐富。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對驅(qū)動(dòng)控制五自由度交流磁軸承電主軸傳統(tǒng)方法的缺陷，提供一種基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸的運(yùn)行控制系統(tǒng)及方法，利用矩陣變換器直接進(jìn)行交流電能變換，在驅(qū)動(dòng)控制電主軸中徑向三極磁軸承時(shí)不存在直流側(cè)的大電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0007]本發(fā)明基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制系統(tǒng)采用的技術(shù)方案是:包括三相調(diào)壓器、三相LC濾波器以及驅(qū)動(dòng)控制器，三相調(diào)壓器的輸出連接三相LC濾波器，三相LC濾波器的輸出分別連接驅(qū)動(dòng)控制器以及兩個(gè)矩陣變換器，驅(qū)動(dòng)控制器的輸出分別連接開關(guān)功率放大器和兩個(gè)矩陣變換器；兩個(gè)矩陣變換器的輸出均經(jīng)霍爾電流傳感器后連接五自由度交流磁軸承電主軸，霍爾電流傳感器的輸出連接驅(qū)動(dòng)控制器的輸入；檢測五自由度交流磁軸承電主軸的兩個(gè)徑向三極磁軸承徑向位移信息的電渦流位移傳感器以及檢測一個(gè)軸向磁軸承軸向位移信息的電潤流位移傳感器的輸出端均連接驅(qū)動(dòng)控制器的輸入端；開關(guān)功率放大器接直流電源并驅(qū)動(dòng)軸向磁軸承；驅(qū)動(dòng)控制器包括輸入電量檢測模塊、信號(hào)調(diào)理電路、軸向控制模塊以及兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的徑向運(yùn)算處理模塊，輸入電量檢測模塊的輸入接三相LC濾波器的輸出，輸入電量檢測模塊的輸出接信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路的輸出分別連接軸向控制模塊以及兩個(gè)徑向運(yùn)算處理模塊，第一徑向運(yùn)算處理模塊的輸出接第一矩陣變換器，第二徑向運(yùn)算處理模塊的輸出接第二矩陣變換器的輸入，軸向控制模塊的輸出接開關(guān)功率放大器。
[0008]本發(fā)明基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制方法采用的技術(shù)方案是是依次按以下步驟:
1)調(diào)節(jié)五自由度交流磁軸承電主軸的軸向磁軸承，使其懸浮；
2)三相調(diào)壓器輸出的電壓經(jīng)三相LC濾波器后同時(shí)輸入兩個(gè)矩陣變換器，驅(qū)動(dòng)控制器經(jīng)輸入電量檢測模塊檢測三相輸入電壓，由信號(hào)調(diào)理電路將輸入電壓調(diào)整為0-3.3V后送入，驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)送入的三相電壓數(shù)值大小以任意兩相交點(diǎn)和相電壓與零電壓的交點(diǎn)作為分界線，把送入的三相電壓分為12個(gè)相區(qū)，每一個(gè)相區(qū)都存在一個(gè)電壓最大值相，一個(gè)電壓中間值相和一個(gè)電壓最小值相；
3)靠近軸向磁軸承的徑向三極磁軸承的轉(zhuǎn)子在X、y方向的位移信息a7經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送入驅(qū)動(dòng)控制器，號(hào)與給定位移信號(hào)/、/作比較后分別經(jīng)第一徑向運(yùn)算處理模塊中對應(yīng)的兩個(gè)PID控制模塊運(yùn)算后輸出X、y方向電磁力信號(hào)F。Fy,電磁力信號(hào)F。Z7y再經(jīng)力/電流變換計(jì)算出X、y方向控制電流信號(hào)ix。、iy。，控制電流信號(hào)ix。、iy。再經(jīng)第一 2/3變換運(yùn)算后得到三相給定電流信號(hào)1:、h\ 霍爾電流傳感器將檢測的第一矩陣變換器輸出的兩相電流經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送入驅(qū)動(dòng)控制器，再第二經(jīng)2/3變換運(yùn)算求出另一相電流信號(hào)，將第一矩陣變換器的三個(gè)電流信號(hào)U、iB、i。與三相給定電流信號(hào)1:、i；, <作雙滯環(huán)比較，同時(shí)根據(jù)此時(shí)送入電壓對應(yīng)的相區(qū)經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制器處理由隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)第一矩陣變換器的9個(gè)雙向開關(guān)，使靠近軸向磁軸承的徑向三極磁軸承穩(wěn)定懸??；
4)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)離軸向磁軸承的徑向三極磁軸承，調(diào)節(jié)方法與步驟3)雷同，最終由第二徑向運(yùn)算處理模塊中的隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)第二矩陣變換器的9個(gè)雙向開關(guān)使遠(yuǎn)離軸向磁軸承的徑向三極磁軸承穩(wěn)定懸浮。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1.本發(fā)明由三相調(diào)壓器接三相市電作為三相輸入電源，其后接三相LC濾波器與兩個(gè)矩陣變換器構(gòu)成三相輸入，兩個(gè)矩陣變換器的輸出分別驅(qū)動(dòng)電主軸中兩個(gè)三極磁軸承，電主軸中軸向磁軸承由直流電源接開關(guān)功率放大器驅(qū)動(dòng)控制，矩陣變換器與開關(guān)功率放大器由驅(qū)動(dòng)控制器控制，控制磁軸承使電主軸的轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮。本發(fā)明采用矩陣變換器對電能直接進(jìn)行變換，直接驅(qū)動(dòng)控制電主軸中的三極磁軸承，沒有傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制徑向三極磁軸承的大電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，增加了裝置的可靠性。
[0010]2.本發(fā)明把驅(qū)動(dòng)控制電主軸中徑向三極磁軸承的三相輸入電壓分為12個(gè)相區(qū)，使每個(gè)輸入相在整個(gè)周期內(nèi)都參與調(diào)制，改善了輸入電流波形，減小了輸入側(cè)電流諧波。[0011 ] 3.本發(fā)明除了可應(yīng)用于高速精密數(shù)控機(jī)床中外，還可應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)的離心分離機(jī)、機(jī)電電池、汽輪發(fā)電機(jī)、渦輪分子泵等眾多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中。
【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明:
圖1是本發(fā)明基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
圖2是圖1中矩陣變換器常用的三種雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1所示控制系統(tǒng)的控制原理圖。
[0013]圖中:1.三相調(diào)壓器；2.三相LC濾波器；3.矩陣變換器；4.矩陣變換器；5.霍爾電流傳感器；6.五自由交流磁軸承電主軸；7.驅(qū)動(dòng)控制器；8.開關(guān)功率放大器；9.直流電源；10.電機(jī)電源驅(qū)動(dòng)控制器；71.輸入電量檢測模塊；72.信號(hào)調(diào)理電路；73、74.徑向運(yùn)算處理模塊，兩個(gè)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一樣；75.軸向控制模塊；731、732.PID控制模塊；733、735.2/3變換模塊；734.力/電流變換模塊；736.開關(guān)狀態(tài)換流邏輯模塊；737.隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制系統(tǒng)包括三相調(diào)壓器1、三相LC濾波器2以及驅(qū)動(dòng)控制器7，三相調(diào)壓器I接三相市電構(gòu)成輸入電源。三相調(diào)壓器I的輸出連接三相LC濾波器2，三相LC濾波器2的輸出分別連接驅(qū)動(dòng)控制器7以及兩個(gè)矩陣變換器3、4，驅(qū)動(dòng)控制器7的輸出再