本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)。本發(fā)明專利技術(shù)針對軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機，提出了由徑向懸浮力控制、軸向懸浮力控制和電磁轉(zhuǎn)矩控制三套控制子系統(tǒng)構(gòu)成的控制方案，可以實現(xiàn)軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩、徑向懸浮力、軸向懸浮力的控制。該新型電機及其控制方法可以用于高速和超高速主軸電機、航空航天、生命科學(xué)、化工、半導(dǎo)體工業(yè)等眾多特殊電力傳動領(lǐng)域，特別是需要無機械接觸、無摩擦與磨損、無需潤滑與密封的真空技術(shù)、超潔凈領(lǐng)域等場合。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種電力傳動控制設(shè)備
中的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)，適用于高速和超高速主軸電機、航空航天、生命科學(xué)、化工、半導(dǎo)體工業(yè)等眾多特殊電力傳動領(lǐng)域，特別是需要無機械接觸、無摩擦與磨損、無需潤滑與密封的真空技術(shù)、超潔凈領(lǐng)域等場合。
技術(shù)介紹
高速電機的無軸承技術(shù)將電機轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)子電磁懸浮支撐功能集成于一體，不但繼承了磁軸承支撐電機的無接觸、無潤滑、無磨損、無機械噪聲、高速度、高精度、長壽命等優(yōu)良特性，而且具有體積小、軸向空間利用率高、電能消耗小等優(yōu)點，適用于各種高速領(lǐng)域。軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機是在兩自由度無軸承交替極永磁電機基礎(chǔ)上增加了一套軸向懸浮力控制繞組，同時以電機轉(zhuǎn)子本體作為軸向與徑向懸浮磁鏈的閉合通路，以電機轉(zhuǎn)子自身的永磁體磁場作為徑向、軸向懸浮共同的偏置磁場，省去了原永磁偏置軸向磁軸承中必需的磁軸承轉(zhuǎn)子和偏置永磁體環(huán)，結(jié)構(gòu)更加緊湊。在解決傳統(tǒng)無軸承永磁同步電機存在的控磁能力差，可控懸浮力小，永磁體易退磁及懸浮力與轉(zhuǎn)矩控制相互耦合等問題的同時，集多自由度懸浮功能與電機旋轉(zhuǎn)功能于一體，簡化了電機系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，降低了整個系統(tǒng)體積與成本。但是，由于軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機比傳統(tǒng)的兩自由度無軸承交替極永磁電機多了一套軸向懸浮控制繞組，電機氣隙內(nèi)共有永磁體磁場、電磁轉(zhuǎn)矩繞組磁場、徑向懸浮力繞組磁場以及軸向懸浮力繞組磁場四個磁場相互疊加，使得這種新型電機的氣隙磁場更加復(fù)雜，在對其進行控制時，需要同時控制三套繞組，同時又要保證足夠的控制精度，因此在控制上要求比較高。此外，還要解決三個自由度之間的耦合問題，因此針對這種新型的無軸承電機，需要尋求一種性能更為優(yōu)越的控制系統(tǒng)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提出一種軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩、徑向懸浮力、軸向懸浮力的控制，獲得良好的懸浮調(diào)節(jié)特性以及轉(zhuǎn)矩、速度調(diào)節(jié)等各項控制性能指標(biāo)。實現(xiàn)上述目的的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)主要包括一套電磁轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，用于控制電機輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)調(diào)速等功能；一套徑向懸浮力控制系統(tǒng)，用于控制電機的徑向懸浮；一套軸向懸浮力控制系統(tǒng)，用于控制電機的軸向懸浮。為達到上述目的，本專利技術(shù)采用下述技術(shù)方案一種軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)，包括受控的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機，其特征在于由一個徑向懸浮力控制子系統(tǒng)、一個軸向懸浮力控制子系統(tǒng)和一個電磁轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)連接所述軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機構(gòu)成，其中所述徑向懸浮力控制子系統(tǒng)包括一個第一 DSP控制器、一個第一光耦隔離、一個第一 IPM智能功率模塊、一個第一位移傳感器和一個第一電流傳感器，所述軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機經(jīng)第一位移傳感器和第一電流傳感器連接第一 DSP控制器，第一 DSP控制器經(jīng)第一光耦隔離和第一 IPM智能功率模塊連接軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機；所述位移傳感器檢測出轉(zhuǎn)子徑向位移偏移量經(jīng)位置負反饋，采用第一 DSP控制器運算和處理，控制第一 IPM智能功率模塊輸出對應(yīng)的懸浮控制電流，改變電機旋轉(zhuǎn)磁場的對稱分布，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生大小和方向可控的徑向懸浮力。所述軸向懸浮力控制子系統(tǒng)包括一個開關(guān)功放、一個第二位移傳感器、一個第三電流傳感器和一個第三DSP控制器，所述軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機和第三DSP控制器分別連接開關(guān)功放、第二位移傳感器和第三電流傳感器；所述第二位移傳感器檢測出轉(zhuǎn)子軸向位移偏移量經(jīng)位置負反饋，采用第三DSP控制器運算和處理得到所需的控制信號，通過開關(guān)功放將這一控制信號轉(zhuǎn)換成軸向懸浮控制電流，改變轉(zhuǎn)子左右側(cè)氣隙中的磁場分布，從而產(chǎn)生一個軸向的磁拉力。所述電磁轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)包括一個光電編碼器，一個第二電流傳感器，一個第二 IPM智能功率模塊、一個第二光耦隔離和一個第二 DSP控制器，所述軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機經(jīng)光電編碼器和第二電流傳感器連接第二 DSP控制器，第二 DSP 控制器經(jīng)第二光耦隔離和第二 IPM智能功率模塊連接軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機；所述光電編碼器檢測出電機轉(zhuǎn)速信號經(jīng)速度負反饋，采用第二 DSP控制器運算和處理，控制第二 IPM智能功率模塊輸出對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩控制電流，從而控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩。本專利技術(shù)的工作原理是對于電磁轉(zhuǎn)矩的控制，通過光電編碼器檢測出轉(zhuǎn)子的速度， 經(jīng)速度負反饋與速度給定值比較作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，速度調(diào)節(jié)器輸出通過逆變器控制三相轉(zhuǎn)矩電流，從而產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩。對于徑向方向的兩自由度懸浮，通過徑向位移傳感器檢測出轉(zhuǎn)子徑向位移偏移量，經(jīng)位置負反饋與徑向位置給定值比較作為位置調(diào)節(jié)器的輸入，位置調(diào)節(jié)器輸出通過逆變器調(diào)節(jié)徑向懸浮控制電流，改變電機旋轉(zhuǎn)磁場的對稱分布， 從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生大小和方向可控的徑向懸浮力，實現(xiàn)電機徑向的兩自由度懸浮。對于軸向方向的懸浮，通過軸向位移傳感器檢測出轉(zhuǎn)子軸向位移偏移量，經(jīng)位置負反饋與軸向位置給定值比較后輸入控制器，控制器將位移信號變換成控制信號，然后通過功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成軸向懸浮控制電流，改變轉(zhuǎn)子左右側(cè)氣隙中的磁場分布，產(chǎn)生一個軸向的磁拉力，從而實現(xiàn)電機軸向的懸浮。本專利技術(shù)的優(yōu)點在于I.將電磁轉(zhuǎn)矩、徑向懸浮力和軸向懸浮力三套控制系統(tǒng)集成到一套控制系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)集成度，有利于開發(fā)小體積、高集成的控制系統(tǒng)。2.徑向懸浮采用的交替極無軸承永磁電機控磁容易，無普通無軸承永磁電機轉(zhuǎn)矩與懸浮力折中的矛盾，懸浮電流小，因此，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功耗降低，成本下降。3.軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機具備固有的徑向懸浮與軸向懸浮解耦、懸浮控制與轉(zhuǎn)矩控制解耦特性，懸浮控制模型簡單，大大降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。4.電磁轉(zhuǎn)矩控制和徑向懸浮力控制采用三相功率逆變電路，軸向懸浮力控制采用開關(guān)功率放大器，使得軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制方法簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，功耗降低，成本下降，擺脫了傳統(tǒng)磁軸承支承的電機控制系統(tǒng)復(fù)雜，功率放大器體積大、成本聞等缺陷。5.軸向懸浮采用永磁偏置，減小了開關(guān)功率放大器的體積和功耗，降低了制造成本。本專利技術(shù)構(gòu)造的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)子軸向、徑向懸浮力控制于一體，結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，功耗小，成本低， 在高速電機的無軸承
中具有廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。附圖說明圖I是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)的工作原理圖。圖2是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。具體實施例方式本專利技術(shù)的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖說明如下實施例一參見圖1，本軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機控制系統(tǒng)，包括受控的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機(25)，其特征在于由一個徑向懸浮力控制子系統(tǒng)(35)、一個軸向懸浮力控制子系統(tǒng)(37)和一個電磁轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)(36)連接所述軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機(25)構(gòu)成，其中所述徑向懸浮力控制子系統(tǒng)(35)包括一個第一本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：許偉躍，戚振亞，仇志堅，
申請(專利權(quán))人：上海大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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