專利名稱：無軸承電機(jī)懸浮力單閉環(huán)唯一pid控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無軸承電機(jī)的控制方法，尤其涉及一種無軸承電機(jī)懸浮力
單閉環(huán)唯一 PID控制方法。
背景技術(shù)：
無軸承電機(jī)的控制通常分為兩部分轉(zhuǎn)矩控制和懸浮力控制。
① 目前，國內(nèi)外學(xué)者對于無軸承電機(jī)控制的研究均集中在如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩繞 組和懸浮繞組的解耦上，其解耦控制算法均是建立在轉(zhuǎn)矩繞組控制采用d軸電 流為零的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的^出上，其懸浮效果不僅依賴于轉(zhuǎn)矩繞組磁 場定向控制的準(zhǔn)確性，同時也受懸浮繞組自身磁場定向控制準(zhǔn)確性的約束。
② 傳統(tǒng)的懸浮繞組控制是通過控制懸浮繞組電流來控制懸浮繞組磁場，對 懸浮電流進(jìn)行閉環(huán)控制，從而間接的控制所需懸浮力的大小和方向，使得懸浮 力控制的準(zhǔn)確性和快速性受到限制，存在著動態(tài)懸浮響應(yīng)慢的缺點(diǎn)。
③ 傳統(tǒng)的懸浮繞組矢量控制需要定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制算法復(fù)雜。
④ 傳統(tǒng)的懸浮繞組控制采用電流跟蹤型逆變器和正弦脈寬調(diào)制方法 (SP麗)，直流母線電壓利用率不高，逆變器開關(guān)器件開關(guān)次數(shù)多，開關(guān)損耗較高。
⑤傳統(tǒng)的的懸浮繞組控制采用的是位移閉環(huán)和電流閉環(huán)的雙閉環(huán)控制，需 要電流調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)過于復(fù)雜，使懸浮力控制的準(zhǔn)確性和快速性受到限制，動 態(tài)響應(yīng)'l"曼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出 一種無軸承電機(jī)懸浮力單閉環(huán)唯一 PID控 制方法。可以提高對懸浮力控制的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，從而為無軸 承電機(jī)懸浮力控制的研究開辟一條新的思路。
本發(fā)明無軸承電機(jī)懸浮力單閉環(huán)唯一PID控制方法，采用X軸電渦流傳感 器采集得到無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫向?qū)崟r位移信號x,釆用Y軸電渦流傳感器采 集得到無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向?qū)崟r位移信號y,將所述橫向?qū)崟r位移信號x和 給定的無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫向參考位移信號Z經(jīng)過第一減運(yùn)算環(huán)得到橫向位 移矢量差Z，將所述縱向?qū)崟r位移信號y和給定的7lc磁型無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱
向參考位移信號/經(jīng)過第二減運(yùn)算環(huán)得到縱向位移矢量差y，其特征在于
將所述橫向位移矢量差I(lǐng)和縱向位移矢量差F經(jīng)過偏移量計算得到轉(zhuǎn)子
偏心位移的幅值S = Vx2 和轉(zhuǎn)子偏心位移的相角P =《—1工；將轉(zhuǎn)子偏心
位移的幅值S經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器得到徑向懸浮力的給定幅值，將轉(zhuǎn)子偏心位移的 相角6>加上180°作為徑向懸浮力的給定相角；將轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩繞組 合成氣隙磁鏈的幅值I^J和相角//與徑向懸浮力的給定幅值和相角依次經(jīng)過懸
浮力數(shù)學(xué)模型F=kMv|/mlVs2Z(V"和極坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)系下a相的實(shí)際懸
浮繞組磁鏈^和/ 相的實(shí)際懸浮繞組磁鏈W;,其中F為x、 y方向徑向力的合
力，yml為轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙f茲鏈，^2為懸浮繞組定子》茲鏈， X為懸浮繞組定子f茲鏈^,與a軸的夾角，kM為固定系數(shù)；采用懸浮繞組定子f茲 鏈幅值與相位計算模塊檢測永磁型無軸承電機(jī)的三相輸入電流和電壓即A相電流Ia、 A相電壓Ua， B相電流Ib、 B相電壓Ub, C相電流Ic、 C相電壓Uc,輸
出靜止坐標(biāo)系下"相的給定懸浮繞組磁鏈^和"相的給定懸浮繞組磁鏈^;
將靜止坐標(biāo)系下"相的實(shí)際懸浮繞組;茲鏈^與a相的給定懸浮繞組-茲鏈^經(jīng) 過第三減運(yùn)算環(huán)得到"相懸浮繞組磁鏈?zhǔn)噶坎睿瑢? 相的實(shí)際懸浮繞組磁鏈
^與"相的給定懸浮繞組f茲鏈^^經(jīng)過第四減運(yùn)算環(huán)得到/ 相懸浮繞組》茲鏈?zhǔn)?br> 量差；將a相懸浮繞組》茲《連矢量差和A相懸浮繞組石茲鏈?zhǔn)噶坎罱?jīng)過空間電壓矢 量模塊SVM得到功率變換器的三相開關(guān)信號，將功率變換器的三相開關(guān)信號經(jīng) 過功率變換器VSI得到永磁型無軸承電機(jī)的三相驅(qū)動電流和電壓即永磁型無軸 《義電才幾的三相豐俞人電流和電壓即A相電流Ia、 A相電壓Ua, B相電流Ib、 B相 電壓Ub， C相電流Ic、 C相電壓Uc。
本發(fā)明的無軸承電機(jī)懸浮力單閉環(huán)唯一PID控制方法具有以下特點(diǎn)①本 控制方法是對懸浮力的單閉環(huán)控制，不需要電流調(diào)節(jié)器，直接對逆變器的開關(guān) 狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，提高了懸浮力的準(zhǔn)確性和動態(tài)響應(yīng)速度；②懸浮力控制 無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，不依賴于轉(zhuǎn)矩控制繞組磁場定向控制的準(zhǔn)確性，控制算法 簡單，進(jìn)一步對轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮力繞組解耦；③懸浮力控制除繞組電阻 外，不依賴于容易變化的其它電機(jī)參數(shù)，因而還對電機(jī)參數(shù)有較好的魯棒性。 ④本控制方法不對電流進(jìn)4亍控制，無電流閉環(huán)，即省去了 3個PI調(diào)節(jié)器，并 且對位移反饋進(jìn)行了簡化,使得原來的X、Y方向分別進(jìn)行PID調(diào)節(jié)簡化為對X、 Y合成的偏心位移進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，又省去了一個PID調(diào)節(jié)器，縱)t見整個控制系 統(tǒng)，只有一個調(diào)節(jié)器，這樣使得控制系統(tǒng)大為簡化，必然提高懸浮力控制的快 速準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)?？偟膩碚f，無軸承電機(jī)懸浮力單閉環(huán)唯一 PID控制方法是一種對懸浮力控 制準(zhǔn)確性高，動態(tài)響應(yīng)快，受電機(jī)參數(shù)影響小，控制系統(tǒng)大為優(yōu)化的控制方法。


圖l為本發(fā)明的麥克斯韋力時空向量圖。 圖中標(biāo)號vml:轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈；v)/s2 :懸浮控制繞組定子磁鏈；n: 為Vw與A相繞組軸線夾角；X:為i與a軸夾角；vf:永磁體磁鏈；5:為轉(zhuǎn) 矩控制繞組定子;茲鏈Vsl與Vf的夾角。
圖2為電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向偏心時的位移圖。 圖中標(biāo)號Fx、 Fy為與x、 y方向徑向位移反向的力；H吏轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置 的最有效的方法就是讓轉(zhuǎn)子受到與徑向偏移反向的力，即徑向懸浮力與徑向位 移反向)F為x、 y方向徑向力的合力；O為轉(zhuǎn)子參考原點(diǎn)；o'為轉(zhuǎn)子偏心參考 原點(diǎn)；/9為轉(zhuǎn)子偏心參考原點(diǎn)與實(shí)際轉(zhuǎn)子參考原點(diǎn)之間的夾角，6> + 180°即為 徑向合力的方向。
圖3為無軸承電機(jī)懸浮力單閉環(huán)唯一PID控制系統(tǒng)框圖。
圖中標(biāo)號x、y:為位移傳感器才企測出轉(zhuǎn)子的實(shí)時位移信號；x'、 /:為
位移給定信號；^=>/3^^:為轉(zhuǎn)子偏心位移的幅值，6> =《—'工為轉(zhuǎn)子偏
心原點(diǎn)與參考原點(diǎn)之間的夾角，6> + 180°為徑向合力的方向；結(jié)合由轉(zhuǎn)矩繞組 控制系統(tǒng)傳遞來的轉(zhuǎn)矩氣隙》茲鏈的幅值與相角，V2、人為經(jīng)過懸浮獨(dú)立控制 算法模塊計算得到懸浮繞組下一時刻所需要達(dá)到的磁鏈的幅值與相角； Va'、為經(jīng)過極坐標(biāo)變換即得到的a、 (3靜止坐標(biāo)系下的懸浮繞組磁鏈； Va、 Vp:為懸浮繞組定子磁鏈計算模塊計算得到的"、-靜止坐標(biāo)系下的懸浮繞組磁鏈；A^、AilV為a、卩靜止坐標(biāo)系下的懸浮繞組磁鏈增量值，直接送入 SVP麗模塊計算；SVP麗模塊給出逆變器開關(guān)管的開關(guān)信號；VSI模塊輸出三相 電壓電流控制電機(jī)懸浮繞組；懸浮繞組定子磁鏈幅值與相位計算模塊將懸浮繞 組的三相電壓電流Ua、 Ub、 Uc， Ia、 Ib、 Ic轉(zhuǎn)換為Ua、 、 /a、 ^ ， 再由
y = -/i 計算出坐標(biāo)系下的懸浮繞組定子f茲鏈。轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)控制才莫塊將轉(zhuǎn)矩
繞組的三相電壓電流Ua、 Ub、 Uc， Ia、 Ib、 Ic轉(zhuǎn)換為U 、 U々，/a、 ^再由
^= ~-/及計算出"/ 坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩繞組定子;茲鏈，減去漏》茲《連得到轉(zhuǎn)矩繞組
的氣隙磁鏈，經(jīng)極坐標(biāo)變換得到幅值Vml與相位卜
具體實(shí)施例方式
如圖1所示。根據(jù)推導(dǎo)出的極坐標(biāo)系下的懸浮力數(shù)學(xué)模型懸浮力可以看做 一個幅值大小為kMVmlVs2,以懸浮繞組磁鏈Vs2與轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈i的夾 角即^i角度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。當(dāng)轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒定且穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)矩繞組合成 氣隙磁鏈L的幅值及定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角5基本保持恒定不變，且實(shí)時傳遞給懸 浮繞組控制系統(tǒng)，則懸浮力的控制可以通過調(diào)節(jié)懸浮繞組磁鏈Vs2的幅值大小 和相位來實(shí)現(xiàn)。在極坐標(biāo)系下的懸浮力數(shù)學(xué)模型
如圖2所示。為電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向偏心時的位移圖。
如圖3所示。本發(fā)明基本思想是l.首先對傳統(tǒng)的懸浮力的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 推導(dǎo)演化，得到在極坐標(biāo)系下的懸浮力數(shù)學(xué)模型2.其次由X、 Y方向的轉(zhuǎn)子偏 移量經(jīng)計算得到轉(zhuǎn)子偏心位移的幅值和方向，位移幅值經(jīng)一個PID調(diào)節(jié)器產(chǎn)生徑向懸浮力的給定幅值，方向?yàn)槠脑c(diǎn)與參考原點(diǎn)的延長線方向，位移環(huán)省
去了一個PID調(diào)節(jié)器。3.然后將由轉(zhuǎn)矩繞組控制系統(tǒng)傳遞來的轉(zhuǎn)矩氣隙石茲鏈帶 入用磁鏈表達(dá)的懸浮力數(shù)學(xué)模型計算得到懸浮繞組所需要的磁鏈，將此磁鏈減 去反饋回來的懸浮繞組磁鏈，即得到下一時刻需要產(chǎn)生的磁鏈增量值4.最后逆 變器選用SVP麗控制算法，(SVP麗的輸入端為磁鏈的增量值，輸出端則為3 個橋臂的開關(guān)信號，能夠產(chǎn)生需要的磁鏈增量),將磁鏈增量值直接輸入SVP麗， 計算即可得到需要的開關(guān)信號，懸浮繞組產(chǎn)生需要的^茲鏈，與轉(zhuǎn)矩氣隙;茲鏈共 同合成產(chǎn)生懸浮力。
本發(fā)明的工作原理是轉(zhuǎn)子在X、 Y方向的位移由電渦流傳感器檢測，由X、 Y方向的轉(zhuǎn)子偏移量經(jīng)極坐標(biāo)變換得到轉(zhuǎn)子偏心位移的大小和方向，經(jīng)過一個 PID的調(diào)節(jié)作用得到控制所需的懸浮力給定幅值，給定懸浮力的方向則是由偏 心后的原點(diǎn)與參考原點(diǎn)的延長線方向給出，將此時的懸浮力極坐標(biāo)表達(dá)形式經(jīng) 過變化得到X、 Y坐標(biāo)下懸浮力，轉(zhuǎn)矩繞組控制系統(tǒng)傳遞來的轉(zhuǎn)矩氣隙》茲鏈帶
入磁鏈表達(dá)的懸浮力數(shù)學(xué)模型計算得到下 一時刻懸浮繞組應(yīng)該持有的磁鏈值， 將其與反饋回來的懸浮繞組磁鏈值作差得到需要增加的磁鏈值，將其矢量差直
接輸入SVP麗，通過基本空間電壓矢量(SVPWM)算法得到逆變器的開關(guān)信號來 合成所需的懸浮繞組^茲鏈，與轉(zhuǎn)矩氣隙;茲《連共同作用得到下一時刻所需的懸浮 力，從而實(shí)現(xiàn)懸浮力的快速準(zhǔn)確控制和電機(jī)的穩(wěn)定懸浮。
從無軸承電機(jī)直接懸浮力控制的工作原理框圖可知，通過位移傳感器檢測 出轉(zhuǎn)子的實(shí)時位移信號x、 y，在位移環(huán)通過計算得到轉(zhuǎn)子偏心位移的幅值與相 角，幅值經(jīng)過PID控制器的調(diào)節(jié)作用下得到控制所需的給定懸浮力乙，得到懸浮力的相角；懸浮力控制系統(tǒng)結(jié)合轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)傳遞來的轉(zhuǎn)矩氣隙i茲鏈，通 過懸浮繞組獨(dú)立控制模塊計算得到下一時刻懸浮繞組需要達(dá)到的磁鏈幅值與
相角v^、 X,經(jīng)過極坐標(biāo)反變換得到a、 p靜止坐標(biāo)系下的懸浮繞組磁鏈給定值 Va*、 懸浮繞組定子磁鏈計算模塊計算得到a、 p靜止坐標(biāo)系下的懸浮繞組磁 鏈vv Vp;給定與反饋?zhàn)鞑畹玫絘、卩靜止坐標(biāo)系下的懸浮繞組^茲鏈增量值；最 后此磁鏈?zhǔn)噶坎钤偻ㄟ^空間電壓矢量(SVP麗)方法得到逆變器開關(guān)管的開關(guān) 信號，從而保證懸浮繞組中能夠產(chǎn)生所需的磁鏈來合成懸浮力，實(shí)現(xiàn)懸浮力的
快速準(zhǔn)確控制和電機(jī)的穩(wěn)定懸浮。
由附圖3，系統(tǒng)的控制框圖可知懸浮獨(dú)立控制算法模塊將輸出懸浮繞組給定 磁鏈，下面將詳細(xì)推導(dǎo)如何由極坐標(biāo)系下懸浮力數(shù)學(xué)公式結(jié)合轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)傳 遞來的轉(zhuǎn)矩氣隙磁鏈計算得到懸浮繞組給定磁鏈。
由位移環(huán)得到給定懸浮力的幅值F^，和相角(9 + 180°,則其在極坐標(biāo)系下的 表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 10</formula> (1 )
由理論推導(dǎo)出的懸浮力在極坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為 <formula>formula see original document page 10</formula> (2 )
則(1)式與(2)式應(yīng)該是相等的，將幅值與相角分別寫出來，得到下面的等 式..
<formula>formula see original document page 10</formula>( 3 )
<formula>formula see original document page 10</formula> ( 4 )
式中kM為一個固定的與電機(jī)參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，V^轉(zhuǎn)矩氣隙磁鏈幅值，^l為 轉(zhuǎn)矩氣隙磁鏈相角，X為懸浮繞組定子磁鏈相角。
轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)傳遞來的轉(zhuǎn)矩氣隙-茲鏈幅值為tp相角為p,將其分別帶入(3)式和(4)式則可以計算得到下一時刻懸浮繞組定子萬茲鏈的幅值與相角<formula>formula see original document page 11</formula>
權(quán)利要求
1. 一種無軸承電機(jī)懸浮力單閉環(huán)唯一PID控制方法，采用X軸電渦流傳感器采集得到無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫向?qū)崟r位移信號x，采用Y軸電渦流傳感器采集得到無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向?qū)崟r位移信號y，將所述橫向?qū)崟r位移信號x和給定的無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫向參考位移信號x*經(jīng)過第一減運(yùn)算環(huán)得到橫向位移矢量差X，將所述縱向?qū)崟r位移信號y和給定的無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向參考位移信號y*經(jīng)過第二減運(yùn)算環(huán)得到縱向位移矢量差Y，其特征在于將所述橫向位移矢量差X和縱向位移矢量差Y經(jīng)過偏移量計算得到轉(zhuǎn)子偏心位移的幅值和轉(zhuǎn)子偏心位移的相角將轉(zhuǎn)子偏心位移的幅值S經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器得到徑向懸浮力的給定幅值，將轉(zhuǎn)子偏心位移的相角θ加上180°作為徑向懸浮力的給定相角；將轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈的幅值|ψm1|和相角μ與徑向懸浮力的給定幅值和相角依次經(jīng)過懸浮力數(shù)學(xué)模型F＝kMψm1ψs2∠(λ-μ)和極坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)系下α相的實(shí)際懸浮繞組磁鏈和β相的實(shí)際懸浮繞組磁鏈其中F為x、y方向徑向力的合力，ψm1為轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩繞組合成氣隙磁鏈，ψs2為懸浮繞組定子磁鏈，λ為懸浮繞組定子磁鏈ψs2與α軸的夾角，kM為固定系數(shù)；采用懸浮繞組定子磁鏈幅值與相位計算模塊檢測永磁型無軸承電機(jī)的三相輸入電流和電壓即A相電流Ia、A相電壓Ua，B相電流Ib、B相電壓Ub，C相電流Ic、C相電壓Uc，輸出靜止坐標(biāo)系下α相的給定懸浮繞組磁鏈ψα和β相的給定懸浮繞組磁鏈ψβ；將靜止坐標(biāo)系下α相的實(shí)際懸浮繞組磁鏈與α相的給定懸浮繞組磁鏈ψα經(jīng)過第三減運(yùn)算環(huán)得到α相懸浮繞組磁鏈?zhǔn)噶坎?，將β相的?shí)際懸浮繞組磁鏈與β相的給定懸浮繞組磁鏈ψβ經(jīng)過第四減運(yùn)算環(huán)得到β相懸浮繞組磁鏈?zhǔn)噶坎睿粚ⅵ料鄳腋±@組磁鏈?zhǔn)噶坎詈挺孪鄳腋±@組磁鏈?zhǔn)噶坎罱?jīng)過空間電壓矢量模塊SVM得到功率變換器的三相開關(guān)信號，將功率變換器的三相開關(guān)信號經(jīng)過功率變換器VSI得到永磁型無軸承電機(jī)的三相驅(qū)動電流和電壓即永磁型無軸承電機(jī)的三相輸入電流和電壓即A相電流Ia、A相電壓Ua，B相電流Ib、B相電壓Ub，C相電流Ic、C相電壓Uc。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種無軸承電機(jī)懸浮力單閉環(huán)唯一PID控制方法，由X、Y方向的轉(zhuǎn)子偏移量經(jīng)極坐標(biāo)變換得到轉(zhuǎn)子偏心位移的大小和方向，經(jīng)過一個PID的調(diào)節(jié)作用得到控制所需的懸浮力給定幅值，將此時的懸浮力極坐標(biāo)表達(dá)形式經(jīng)過變化得到X、Y坐標(biāo)下懸浮力，轉(zhuǎn)矩繞組控制系統(tǒng)傳遞來的轉(zhuǎn)矩氣隙磁鏈帶入磁鏈表達(dá)的懸浮力數(shù)學(xué)模型計算得到下一時刻懸浮繞組應(yīng)該持有的磁鏈值，將其與反饋回來的懸浮繞組磁鏈值作差得到需要增加的磁鏈值，將其矢量差直接輸入SVPWM，通過基本空間電壓矢量算法得到逆變器的開關(guān)信號來合成所需的懸浮繞組磁鏈，與轉(zhuǎn)矩氣隙磁鏈共同作用得到下一時刻所需的懸浮力，從而實(shí)現(xiàn)懸浮力的快速準(zhǔn)確控制和電機(jī)的穩(wěn)定懸浮。
文檔編號G05B19/04GK101533264SQ20091003121
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月27日
發(fā)明者仇志堅(jiān), 楠 李, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學(xué)