[发明专利]基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法

说明书

本发明公开一种基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法，当转子的刚度势能处于较高位置时，通过一拍的悬浮力作用即可使得转子的刚度势能归零，控制结束，此时位移虽然不一定处于零位，但通过一段时间的自由运动，可自发的稳定在平衡位置。因此本发明综合了动态性能和稳态性能的优点，在远离平衡位置的区域可以获得非常好的动态性能。在平衡位置附近又可以获得较好的平滑性，规避了调节器输出变化过大引起抖震等问题。此外，负载观测器的引入又会大大改善转子的抗扰性能，大大提高其稳定性。

技术领域

本发明涉及无轴承电机控制技术领域，具体涉及一种基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法。

背景技术

无轴承电机由于其磁悬浮的特点，具有无磨损、寿命长的优点，在高转速、超洁净等领域有着特殊的优势。

传统无轴承电机的径向悬浮控制一般采用PID控制器。控制器中的微分环节对磁悬浮系统的阻尼特性和稳定性有着至关重要的影响。但微分环节又会存在引入噪声的负面影响。

因此PID整定参数往往较为困难，需要根据转子位移信号的信噪比确定微分系数，并在此基础上整定其他的参数。一旦出现参数失配或者是径向负载扰动的情况，无轴承电机的转子就会在径向出现震荡、扫膛等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法，当转子的刚度势能处于较高位置时，通过一拍的悬浮力作用即可使得转子的刚度势能归零，控制结束，此时位移虽然不一定处于零位，但通过一段时间的自由运动，可自发的稳定在平衡位置。因此本发明综合了动态性能和稳态性能的优点，在远离平衡位置的区域可以获得非常好的动态性能。在平衡位置附近又可以获得较好的平滑性，规避了调节器输出变化过大引起抖震等问题。此外，负载观测器的引入又会大大改善转子的抗扰性能，大大提高其稳定性。

一种基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法，包括：

一、通过检测装置获取转子的实时位移，根据转子的平动位移矢量、平动速度矢量状态、转子的刚度系数计算转子的等效刚度势能值，并通过和给定的势能值作差，得到能量误差值；

二、通过刚度势能控制器对下个控制周期内的位移进行预测，结合能量误差值计算设定悬浮力，并进行限幅；

三、通过径向负载观测器对系统输出的悬浮力和转子悬浮的状态量进行状态观测，将观测结果补偿至设定悬浮力端,并进行限幅；

四、根据电机的悬浮力模型将设定悬浮力解算为对应的悬浮电流分量；

五、获取悬浮绕组内的电流，并根据获得的电机转角信息，换算为控制XY方向悬浮力的电流分量；

六、将设定电流和反馈的悬浮力电流分量作差调节后，输出相应的电压分量，通过调制算法转换为PWM信号驱动三相桥臂。

优选的，计算转子的等效刚度势能的具体步骤如下：

步骤1、通过平动位移传感器检测转子在X和Y两个方向上的位移矢量信号，并通过前后两次位移矢量的差分得到转子的速度矢量状态；

步骤2、根据转子的位移矢量s、速度矢量v，以及转子的刚度系数k_s，计算转子的等效刚度势能值，其计算方法如下：

步骤3、根据转子的状态预测下一个控制周期内，转子的位移量；

步骤4、将转子刚度势能的设定值与步骤2计算得到的实际值作差后，产生需要的输入能量值，并结合步骤3中所预测的位移信息，计算得到需要给定的悬浮力，其计算方法如下：

F(k)＝ΔE_T/Δs(k+1)；