CN109831124B - 一种适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，该方法将两台电机导通相的电流进行分解，将其中一台电机导通区间内电感曲线处于上平顶区的绕组电流分解为转矩电流、轴向力电流及径向力电流，其余相绕组电流分解为转矩电流和径向力电流。转矩电流控制系统转矩，径向力电流控制系统径向力，轴向力电流控制系统轴向力的大小和方向，从而实现旋转速度和径、轴向位移的闭环控制。

Description

一种适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，具体涉及一种由两台锥形无轴承开关磁阻电机构成的五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，属于开关磁阻电机技术领域。

背景技术

在需要多维驱动的场合，只具有转矩输出功能的电机往往不能满足要求，而五自由度磁悬浮系统一般由磁轴承和电机组合而成，磁轴承的使用，一方面增加系统损耗，另一方面会增加系统的轴向长度。为避免这些弊端，本发明涉及的五自由度磁悬浮系统采用双台锥形无轴承开关磁阻电机构成。由于锥形转子的特殊结构，该电机自身就可以产生轴向力，从而减少了轴向磁轴承的使用，减小了系统的轴向长度，提高了系统的功率密度，也提高了转子的临界转速。同时，由于开关磁阻电机结构简单坚固，可靠性高，容错能力强，该五自由度磁悬浮系统方案适用于航空领域高速电机应用场合。

已公布的适用于该五自由度磁悬浮系统的控制方案中，大多情况下每台电机的电流分量中既有控制转矩的电流分量，又有控制轴向力的电流分量，转矩和轴向力之间有一定的耦合性，从而导致转矩和轴向力控制相互影响较大，增加了系统控制的难度。已公布的转矩和轴向力耦合性较弱的控制算法中，存在控制实时性较差、计算复杂等缺陷。找到在一定程度上实现转矩和悬浮力解耦，同时又具有实时性强，控制效果较好，计算简单，易于实现的算法是系统控制的目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，该方法实现了转矩和悬浮力解耦，实现转子五自由度运动，缩短系统轴向长度，提高转子临界转速，提高系统功率密度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，包括如下步骤：

步骤1，五自由度磁悬浮系统包括两台锥形无轴承开关磁阻电机，对电机采用双相三状态的导通方式，依据电机各相的电感曲线选择导通相，选择电感曲线处于上升区的一相绕组导通，提供转矩和悬浮力，选择电感曲线处于上平顶区的一相绕组导通，提供悬浮力；

步骤2，对导通相电流进行等效分解，将其中一台电机导通区间内电感曲线处于上平顶区的绕组电流分解为转矩电流、轴向力电流及径向力电流，其余相绕组电流分解为转矩电流和径向力电流；

步骤3，由电涡流传感器检测得到每台电机两个径向方向的实际径向位移，即1号电机的实际径向位移α₁、β₁，2号电机的实际径向位移α₂、β₂，将1、2号电机的给定径向位移分别与上述对应的实际径向位移作差，差值经PID调节器得到给定径向力F_α1 ^*、F_β1 ^*、F_α2 ^*、F_β2 ^*；

步骤4，由光电传感器检测得到转子实际转速，将给定转速与实际转速作差，再经过PI调节器，得到系统给定转矩电流i_T；

步骤5，由电涡流传感器检测得到系统实际轴向位移，将给定轴向位移与实际轴向位移作差，再经过PID调节器，得到系统给定轴向力F_zref，根据给定转矩电流i_T及两台电机径向力电流产生的轴向力分量F_zs1、F_zs2，计算得到系统轴向力电流Δi_z；

步骤6，由给定径向力F_α1 ^*、F_β1 ^*、F_α2 ^*、F_β2 ^*，给定转矩电流i_T，轴向力电流Δi_z，及转子实际位置角计算得到导通相径向力电流，按照步骤2的等效分解，计算得到绕组电流给定值；

步骤7，根据得到的绕组电流给定值，采用电流滞环控制方法，使绕组实际电流实时跟踪给定值，从而产生系统旋转和悬浮所需的转矩和悬浮力，实现旋转速度和径、轴向位移的闭环控制。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述对导通相电流进行等效分解，以AB相导通为例，具体如下：

i_a1 ^1#＝i_T+i_1t1

i_a2 ^1#＝i_T-i_1t1

i_b1 ^1#＝i_T+i_1t2

i_b2 ^1#＝i_T-i_1t2

i_a1 ^2#＝i_T+i_2t1

i_a2 ^2#＝i_T-i_2t1

i_b1 ^2#＝i_T+Δi_z+i_2t2

i_b2 ^2#＝i_T+Δi_z-i_2t2

其中，i_a1 ^1#、i_a2 ^1#表示1号电机A相两个绕组电流，i_b1 ^1#、i_b2 ^1#表示1号电机B相两个绕组电流，i_a1 ^2#、i_a2 ^2#表示2号电机A相两个绕组电流，i_b1 ^2#、i_b2 ^2#表示2号电机B相两个绕组电流，i_T表示1、2号电机转矩电流，Δi_z表示2号电机悬浮相绕组电流中的轴向力电流，i_1t1、i_1t2分别表示1号电机第1、2个径向力电流，i_2t1、i_2t2分别表示2号电机第1、2个径向力电流。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述系统轴向力电流Δi_z，计算公式为：

F_zs1＝M₃i_1t1 ²+M₄i_1t2 ²+M₅i_1t1i_1t2

F_zs2＝M₃i_2t1 ²+M₄i_2t2 ²+M₅i_2t1i_2t2

其中，i_T为系统给定转矩电流，F_zs1、F_zs2分别为1、2号电机径向力电流产生的轴向力分量，F_zref为系统给定轴向力，M₂、M₃、M₄、M₅均为轴向力系数，i_1t1、i_1t2分别表示1号电机第1、2个径向力电流，i_2t1、i_2t2分别表示2号电机第1、2个径向力电流。

作为本发明的一种优选方案，步骤6所述导通相径向力电流，计算公式为：

其中，i_1t1、i_1t2分别表示1号电机第1、2个径向力电流，i_2t1、i_2t2分别表示2号电机第1、2个径向力电流，i_T为系统给定转矩电流，Δi_z为系统轴向力电流，F_α1 ^*、F_β1 ^*、F_α2 ^*、F_β2 ^*均为给定径向力，R₁、R₂、R₃、R₄均为径向力系数，S₁、S₂、S₃、S₄均为径向力系数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明采用单台电机控制轴向力的控制算法，仅单台电机的悬浮相绕组电流中含有轴向力电流，减少了系统轴向力的控制变量个数，在一定程度上实现了转矩和悬浮力解耦。

2、本发明转矩电流直接由PI调节器输出，轴向力电流的计算也较为简单，较其他控制算法而言，本发明提出的控制算法运算量有所减小。

附图说明

图1是本发明五自由度磁悬浮系统的整体架构图。

图2是本发明锥形无轴承开关磁阻电机绕组分布示意图。

图3是本发明三相绕组电感分布图。

图4是本发明适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法控制框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明控制方法以一种锥形无轴承开关磁阻电机(以6/4极)为实施例，电机转子外表面与轴线呈一定的锥角，定子内表面与转子外表面平行。绕组分布如图2所示，每个定子齿上均绕有一套绕组，绕组的控制器采用不对称半桥功率变换器。为实现转子五自由度运动，该五自由度磁悬浮系统采用双台锥形无轴承开关磁阻电机的结构，如图1所示，电机转子共轴，转子大端相对，两电机产生轴向力方向相反，均指向各自转子小端。

该五自由度磁悬浮系统的控制方法说明如下：

综合系统转矩、悬浮力的协调控制目标，采用双相导通的方式，每相导通60°机械周期。处于电感上升区的绕组，能产生正转矩；处于电感上平顶区的绕组，不产生转矩，但电感大，能提供足够的悬浮力。基于该特点，导通处于电感上升区和电感上平顶区的绕组，1#电机的绕组电流均由转矩电流和径向力电流构成，2#电机上升区绕组电流由转矩电流和径向力电流构成，上平顶区绕组电流由转矩电流、轴向力电流和径向力电流构成。转矩电流控制系统转矩，径向力电流控制径向力，轴向力电流控制系统轴向力，由此实现系统转矩、径向力、轴向力的协调控制。

(1)图3为锥形无轴承开关磁阻电机三相绕组电感分布示意图，其中横坐标为转子转角位置θ。以A相为例，区间θ∈[-37.5°，-7.5°]内，A相电感曲线处于上升区，B相电感曲线一部分处于上平顶区，选择A相导通，提供转矩和悬浮力，选择B相导通，提供悬浮力。因此采取双相三状态的导通方式。

(2)以AB相导通为例，对双台锥形无轴承开关磁阻电机导通相电流进行等效分解，五自由度锥形无轴承开关磁阻电机系统的转矩可通过转矩电流i_T来调节，轴向力可通过2#锥形无轴承开关磁阻电机的轴向力电流Δi_z来调节，径向悬浮力可通过径向力电流i_1t1、i_1t2、i_2t1、i_2t2来调节。只有一台电机的一相电流中有Δi_z。

i_a1 ^1#＝i_T+i_1t1

i_a2 ^1#＝i_T-i_1t1

i_b1 ^1#＝i_T+i_1t2

i_b2 ^1#＝i_T-i_1t2

i_a1 ^2#＝i_T+i_2t1

i_a2 ^2#＝i_T-i_2t1

i_b1 ^2#＝i_T+Δi_z+i_2t2

i_b2 ^2#＝i_T+Δi_z-i_2t2

(3)图4为由双台锥形无轴承开关磁阻电机构成的五自由度磁悬浮系统转矩与轴向力协调控制方法控制框图，其中α₁*、β₁*和α₁、β₁分别代表1#锥形无轴承开关磁阻电机的给定和实际径向位移，α₂*、β₂*和α₂、β₂分别代表2#锥形无轴承开关磁阻电机的给定和实际径向位移，给定位移与由电涡流传感器检测得到转子的实际径向位移作差，差值经过PID调节器得到径向力给定F_α1 ^*、F_β1 ^*、Fα2^*、F_β2 ^*。

(4)系统转矩T＝T₁+T₂，当径向力、轴向力负载均较小时，有

T≈2(N₁+N₂)i_T ²

其中，T₁、T₂分别为1#、2#电机的转矩，N₁、N₂为转矩系数，系统的给定转速n*与由光电传感器检测得到的转子实际转速n作差，经过PI调节器，输出得到系统给定转矩电流i_T。

(5)图4中，系统给定轴向位移z*和电涡流传感器检测得到的实际轴向位移z作差，再经过PID调节器，得到系统给定轴向力F_zref。根据图1所示轴向力的方向定义，系统轴向力F_zref＝|F_1z|-|F_2z|＝F_2z-F_1z，代入绕组电流进行计算有

F_zref＝M₂Δi_z ²+2M₂i_TΔi_z+F_zs2-F_zs1

其中，F_1z为电机1#产生轴向力，F_2z为电机2#产生轴向力，M₂为轴向悬浮力系数，F_zs1为电机1#的径向力电流产生的轴向力分量，F_zs2为电机2#的径向力电流产生的轴向力分量。

由上式可计算得到2#电机的轴向力电流分量，

(6)由径向力给定值F_α1 ^*、F_β1 ^*、F_α2 ^*、F_β2 ^*、转矩电流i_T、轴向力电流Δi_z、转子实际位置角θ可计算出导通相径向力电流值，按照(2)中的电流等效规则，可计算出绕组电流给定值i_a1 ^1#、i_a2 ^1#、i_b1 ^1#、i_b2 ^1#、i_a1 ^2#、i_a2 ^2#、i_b1 ^2#、i_b2 ^2#。

其中，R、S为径向力系数。

(7)最后，根据(2)中的电流等效规则，得到五自由度磁悬浮系统中两台电机绕组电流的给定值，采用电流滞环控制方法，使绕组实际电流实时跟踪给定值，从而产生系统旋转和悬浮所需的转矩和悬浮力，最终实现旋转速度和径、轴向位移的闭环控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，五自由度磁悬浮系统包括两台锥形无轴承开关磁阻电机，对电机采用双相三状态的导通方式，依据电机各相的电感曲线选择导通相，选择电感曲线处于上升区的一相绕组导通，提供转矩和悬浮力，选择电感曲线处于上平顶区的一相绕组导通，提供悬浮力；

步骤2，对导通相电流进行等效分解，将其中一台电机导通区间内电感曲线处于上平顶区的绕组电流分解为转矩电流、轴向力电流及径向力电流，其余相绕组电流分解为转矩电流和径向力电流；

步骤3，由电涡流传感器检测得到每台电机两个径向方向的实际径向位移，即1号电机的实际径向位移α₁、β₁，2号电机的实际径向位移α₂、β₂，将1、2号电机的给定径向位移分别与上述对应的实际径向位移作差，差值经PID调节器得到给定径向力F_α1 ^*、F_β1 ^*、F_α2 ^*、F_β2 ^*；

步骤4，由光电传感器检测得到转子实际转速，将给定转速与实际转速作差，再经过PI调节器，得到系统给定转矩电流i_T；

步骤5，由电涡流传感器检测得到系统实际轴向位移，将给定轴向位移与实际轴向位移作差，再经过PID调节器，得到系统给定轴向力F_zref，根据给定转矩电流i_T及两台电机径向力电流产生的轴向力分量F_zs1、F_zs2，计算得到系统轴向力电流Δi_z；

步骤6，由给定径向力F_α1 ^*、F_β1 ^*、F_α2 ^*、F_β2 ^*，给定转矩电流i_T，轴向力电流Δi_z，及转子实际位置角计算得到导通相径向力电流，按照步骤2的等效分解，计算得到绕组电流给定值；

步骤7，根据得到的绕组电流给定值，采用电流滞环控制方法，使绕组实际电流实时跟踪给定值，从而产生系统旋转和悬浮所需的转矩和悬浮力，实现旋转速度和径、轴向位移的闭环控制。

2.根据权利要求1所述适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，其特征在于，步骤2所述对导通相电流进行等效分解，以AB相导通为例，具体如下：

i_a1 ^1#＝i_T+i_1t1

i_a2 ^1#＝i_T-i_1t1

i_b1 ^1#＝i_T+i_1t2

i_b2 ^1#＝i_T-i_1t2

i_a1 ^2#＝i_T+i_2t1

i_a2 ^2#＝i_T-i_2t1

i_b1 ^2#＝i_T+Δi_z+i_2t2

i_b2 ^2#＝i_T+Δi_z-i_2t2

其中，i_a1 ^1#、i_a2 ^1#表示1号电机A相两个绕组电流，i_b1 ^1#、i_b2 ^1#表示1号电机B相两个绕组电流，i_a1 ^2#、i_a2 ^2#表示2号电机A相两个绕组电流，i_b1 ^2#、i_b2 ^2#表示2号电机B相两个绕组电流，i_T表示1、2号电机转矩电流，Δi_z表示2号电机悬浮相绕组电流中的轴向力电流，i_1t1、i_1t2分别表示1号电机第1、2个径向力电流，i_2t1、i_2t2分别表示2号电机第1、2个径向力电流。

3.根据权利要求1所述适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，其特征在于，步骤5所述系统轴向力电流Δi_z，计算公式为：

F_zs1＝M₃i_1t1 ²+M₄i_1t2 ²+M₅i_1t1i_1t2

F_zs2＝M₃i_2t1 ²+M₄i_2t2 ²+M₅i_2t1i_2t2

其中，i_T为系统给定转矩电流，F_zs1、F_zs2分别为1、2号电机径向力电流产生的轴向力分量，F_zref为系统给定轴向力，M₂、M₃、M₄、M₅均为轴向力系数，i_1t1、i_1t2分别表示1号电机第1、2个径向力电流，i_2t1、i_2t2分别表示2号电机第1、2个径向力电流。

4.根据权利要求1所述适用于五自由度磁悬浮系统的轴向力单机控制方法，其特征在于，步骤6所述导通相径向力电流，计算公式为：

其中，i_1t1、i_1t2分别表示1号电机第1、2个径向力电流，i_2t1、i_2t2分别表示2号电机第1、2个径向力电流，i_T为系统给定转矩电流，Δi_z为系统轴向力电流，F_α1 ^*、F_β1 ^*、F_α2 ^*、F_β2 ^*均为给定径向力，R₁、R₂、R₃、R₄均为径向力系数，S₁、S₂、S₃、S₄均为径向力系数。

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