基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種五自由度交流磁軸承電主軸的驅(qū)動控制技術(shù)，具體涉及將矩陣變換器應(yīng)用于驅(qū)動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徑向三極磁軸承與一個軸向磁軸承支承，內(nèi)裝電機(jī)直接驅(qū)動，基本取消了帶輪傳動或齒輪傳動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”，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)動控制交流磁軸承電主軸的方法為:由兩個相同的驅(qū)動器分別驅(qū)動電主軸中的兩個徑向三極磁軸承，軸向磁軸承由軸向驅(qū)動控制器驅(qū)動，徑向三極磁軸承的驅(qū)動控制器硬件結(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)動控制器結(jié)構(gòu)形式中逆變環(huán)節(jié)的直流側(cè)存在儲能大電容，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個雙向開關(guān)組成，通過控制器控制這9個雙向開關(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、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)的大電容儲能環(huán)節(jié)。目前，矩陣變換器可應(yīng)用在電機(jī)交流傳動、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個相區(qū)，此時輸入電壓每一相區(qū)存在一個電壓最大值相、一個電壓最小值相，在確定矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài)時，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:每個輸入相有1/3的時間不參與調(diào)制，會使電源側(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)動交流磁軸承電主軸中的三極磁軸承，但會使電源側(cè)輸入電流諧波含量豐富。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的是針對驅(qū)動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五自由度交流磁軸承電主軸的運(yùn)行控制裝置，利用矩陣變換器直接進(jìn)行交流電能變換，在驅(qū)動控制電主軸中徑向三極磁軸承時不存在直流側(cè)的大電容儲能環(huán)節(jié)，提高了可靠性。
[0007]本實(shí)用新型基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制裝置采用的技術(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)動控制器以及兩個矩陣變換器，驅(qū)動控制器的輸出分別連接開關(guān)功率放大器和兩個矩陣變換器；兩個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)動控制器的輸入；檢測五自由度交流磁軸承電主軸的兩個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軸向磁軸承軸向位移信息的電渦流位移傳感器的輸出端均連接驅(qū)動控制器的輸入端；開關(guān)功率放大器接直流電源并驅(qū)動軸向磁軸承；驅(qū)動控制器包括輸入電量檢測模塊、信號調(diào)理電路、軸向控制模塊以及兩個結(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調(diào)理電路，信號調(diào)理電路的輸出分別連接軸向控制模塊以及兩個徑向運(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]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0009]1.本實(shí)用新型由三相調(diào)壓器接三相市電作為三相輸入電源，其后接三相LC濾波器與兩個矩陣變換器構(gòu)成三相輸入，兩個矩陣變換器的輸出分別驅(qū)動電主軸中兩個三極磁軸承，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)動控制，矩陣變換器與開關(guān)功率放大器由驅(qū)動控制器控制，控制磁軸承使電主軸的轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮。采用矩陣變換器對電能直接進(jìn)行變換，直接驅(qū)動控制電主軸中的三極磁軸承，沒有傳統(tǒng)的驅(qū)動控制徑向三極磁軸承的大電容儲能環(huán)節(jié)，增加了裝置的可靠性。
[0010]2.本實(shí)用新型把驅(qū)動控制電主軸中徑向三極磁軸承的三相輸入電壓分為12個相區(qū)，使每個輸入相在整個周期內(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.本實(shí)用新型除了可應(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】對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0013]圖1是本實(shí)用新型基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0014]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，其中，(a)圖所示的是IGBT共射極結(jié)構(gòu)圖，(b)圖所示的是IGBT共集電極結(jié)構(gòu)圖，(c)圖所示的是IGBT橋式結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖3是圖1所示控制裝置的控制原理圖。
[0016]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)動控制器；71.輸入電量檢測模塊；72.信號調(diào)理電路；73、74.徑向運(yùn)算處理模塊，兩個模塊的內(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)動保護(hù)電路。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，本實(shí)用新型基于矩陣變換器的交流磁軸承電主軸運(yùn)行控制裝置包括三相調(diào)壓器1、三相LC濾波器2以及驅(qū)動控制器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)動控制器7以及兩個矩陣變換器3、4，驅(qū)動控制器7的輸出再分別連接兩個矩陣變換器3、4。兩個矩陣變換器3、4的輸出均經(jīng)霍爾電流傳感器5后連接五自由度交流磁軸承電主軸6，霍爾電流傳感器5的輸出連接驅(qū)動控制器7的輸入。霍爾電流傳感器5檢測兩個矩陣變換器3、4輸出的電流，將檢測結(jié)果輸入驅(qū)動控制器7，兩個矩陣變換器3、4輸出的電流供給五自由度交流磁軸承電主軸6中的兩個徑向三極磁軸承，五自由度交流磁軸承電主軸6由電機(jī)電源驅(qū)動控制器10控制其電機(jī)啟動。
[0018]在五自由度交流磁軸承電主軸6的殼體上，對應(yīng)于每個徑向三極磁軸承外安裝有4個電渦流位移傳感器，4個電渦流位移傳感器中的每2個電渦流位移傳感器為一對