基于转子位移刚度势能的无轴承电机转子悬浮控制方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.一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：
7.一、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；
8.二、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；
9.三、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；
10.四、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；
11.五、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；
12.六、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。
13.优选的，计算转子的等效刚度势能的具体步骤如下：
14.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；
15.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：
[0016][0017]
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；
[0018]
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：
[0019]
f(k)＝δe
t
/δs(k+1)；
[0020]
步骤5、根据电流的极限值计算悬浮力的作用边界，对步骤4所计算的悬浮力进行限幅，将其限制在悬浮力的作用域内；
[0021]
步骤6、构造悬浮力的径向负载观测器，进行位移状态观测；
[0022]
步骤7、将上述步骤6的观测结果叠加补偿至步骤5输出的悬浮力设定上，得到最终悬浮力的设定值；
[0023]
步骤8、将步骤7得到的悬浮力设定值转化为悬浮电流设定值，通过电流闭环控制悬浮绕组内的电流。
[0024]
优选的，所述刚度势能控制器预测转子位移的具体步骤如下：
[0025]
根据转子的状态方程，用本拍的速度乘以控制周期，得到下一个控制周期即将产生的位移；
[0026]
用刚度势能的误差量除以预测的位移值，计算得到对应的悬浮力；
[0027]
根据系统的悬浮力极限边界对上述结果进行限幅。
[0028]
优选的，通过径向负载观测器进行状态观测的具体步骤如下：
[0029]
将系统最终设定的悬浮力除以转子质量，得到加速度a1；
[0030]
将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h2，得到加速度a2；
[0031]
将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h3，并积分后得到观测的径向负载值，再除以转子质量后，得到加速度a3；
[0032]
将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h1，得到中间速度量v1；
[0033]
将观测器的观测位移乘以转子的位移刚度系数，在除以质量得到加速度a4；
[0034]
将上述的加速度a1，a2，a3，a4求和后，积分得到观测的速度，并将其与v1求和后再次积分，得到观测的位移。
[0035]
优选的，所述步骤3中，预测方法如下：
[0036][0037]
其中t
s
为控制周期，m为转子质量，f为悬浮力，k表示当前时刻的值，k+1表示下一
控制周期的值，得到下一拍的位移s(k+1)后，与当前时刻的位移作差得到下一个控制周期内的位移量δs(k+1)。
[0038]
优选的，所述步骤8中，具体方法如下，将电流设定值和反馈值作差后，将误差信号通过pi控制器输出目标电压值，并通过调制算法转化为pwm信号，输出给功率管用于驱动悬浮绕组。
[0039]
本发明的优点在于：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。
附图说明
[0040]
图1为本发明的无轴承电机系统控制原理示意图；
[0041]
图2为本发明的悬浮系统位移刚度势能控制器结构示意图；
[0042]
图3为本发明的无轴承电机转子势能归零过程示意图；
[0043]
图4为本发明的悬浮系统位移刚度势能控制算法仿真验证波形图。
具体实施方式
[0044]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0045]
如图1至图4所示，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，通过检测装置获取转子的实时位移、实时角度、绕组电流信息。
[0046]
根据转子所处的平动位移矢量状态、平动速度矢量状态、转子的刚度系数等信息计算转子的刚度势能值。
[0047]
将给定的刚度势能值与转子的实际势能值作差得到需要输入给转子的能量值；
[0048]
根据电机的数学模型预测在一个控制周期内的转子平动位移；
[0049]
根据给定的能量和转子在下一控制周期内的预测位移，计算得到需要给定的悬浮力；
[0050]
在控制器内构造径向负载观测器，将负载观测器输出量补偿到给定的悬浮力上，得到最终的悬浮力设定；
[0051]
将悬浮力设定值转换为悬浮电流设定值，和反馈的悬浮电流值进行作差后，经过pi控制器调节输出设定电压，并通过调制算法转化为pwm信号，输出给驱动器，驱动悬浮绕组；
[0052]
根据权利要求1所述的基于无轴承电机转子的位移刚度势能的悬浮控制方法，其具体步骤包括：
[0053]
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。
[0054]
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：
[0055][0056]
步骤3、根据转子的状态预测下一个控制器内，转子的位移量，预测方法如下。其中t
s
为控制周期，m为转子质量，f为悬浮力，k表示当前时刻的值，k+1表示下一控制周期的值。得到下一拍的位移s(k+1)后，与当前时刻的位移作差得到下一个控制周期内的位移量δs(k+1)。
[0057][0058]
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，计算方法如下：
[0059]
f(k)＝δe
t
/δs(k+1)
[0060]
步骤5、根据电流的极限值计算悬浮力的作用边界，对步骤4所计算的悬浮力进行限幅，将其限制在悬浮力的作用域内。
[0061]
步骤6、构造悬浮力的径向负载观测器，如图2中所示。具体方法如下：
[0062]
将系统最终设定的悬浮力除以转子质量，得到加速度a1；
[0063]
将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h2，得到加速度a2；
[0064]
将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h3，并积分后得到观测的径向负载值，再除以转子质量后，得到加速度a3；
[0065]
将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h1，得到中间速度量v1；
[0066]
将观测器的观测位移乘以转子的位移刚度系数，在除以质量得到加速度a4；
[0067]
将上述的加速度a1，a2，a3，a4求和后，积分得到观测的速度，并将其与v1求和后再次积分，得到观测的位移。
[0068]
步骤7、将上述步骤6观测器输出的观测结果，也即径向负载悬浮力观测值叠加补偿至步骤5输出的悬浮力设定上，得到最终悬浮力的设定值。
[0069]
步骤8、将步骤7得到的悬浮力设定值转化为悬浮电流设定值，通过电流闭环控制悬浮绕组内的电流，具体方法如下，将电流设定值和反馈值作差后，将误差信号通过pi控制器输出目标电压值，并通过调制算法转化为pwm信号，输出给功率管用于驱动悬浮绕组。
[0070]
具体实施方式及原理：
[0071]
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。根据转子所处的平动位移矢量状态s、平动速度矢量状态v、转子的位移刚度系数k
s
和转子的质量信息m来计算转子的等效刚度势能值。等效刚度势能值e
t
的计算方法如下，其中sign为符号函数，v大于零时为1，v小于零时为
‑
1。
[0072]
[0073]
定义转子处于中心平衡位置时的势能值为0，将给定的刚度势能值与转子的实际势能值作差得到需要输入给转子的能量值δe
t
；
[0074]
根据电机的数学模型预测在一个控制周期内的转子平动位移。根据转子的离散化运动方程，如下式，式中t
s
为控制周期时长，k
s
为转子位移刚度系数，f为输入的悬浮力。
[0075][0076]
通过该式计算得到k+1时刻的位移值s(k+1)，和k时刻位移作差后得到下个周期内即将发生的位移δs(k+1)。
[0077]
用转子的等效刚度势能的设定值除以下一周期内的位移后，得到悬浮的设定值f(k)＝δe
t
/δs(k+1)，并根据悬浮力的边界进行限幅。通过若干次的能量输出，转子的刚度势能逐步增加。最终当悬浮力的值位于边界内时，转子刚度势能归零，如图3所示，此时转子将自由的运动到平衡位置，保证了稳态附近的平稳性。
[0078]
为了抵消径向负载力给刚度力场带来了影响，需要在控制器内构造径向负载观测器，如图2所示。将系统最终设定的悬浮力除以转子质量，得到加速度a1；将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h2，得到加速度a2；将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h3，并积分后得到观测的径向负载值，再除以转子质量后，得到加速度a3；
[0079]
将系统的位移实际反馈信号和观测的位移信号作差后乘以观测系数h1，得到中间速度量v1；将观测器的观测位移乘以转子的位移刚度系数，在除以质量得到加速度a4；将上述的加速度a1，a2，a3，a4求和后，积分得到观测的速度，并将其与v1求和后再次积分，得到观测的位移。
[0080]
将观测的径向负载力补偿至悬浮力设定端，并限幅后得到最终的x和y方向的悬浮力设定和
[0081]
根据电机的数学模型。结合转角信息，将f
x
和f
y
换算为控制对应方向悬浮力的电流给定分量和
[0082]
检测悬浮绕组的电流，结合检测的转角信息，通过坐标变换，求得对应电流反馈分量i
x
和i
y
。
[0083]
将和i
x
作差后，经过pi控制器调节输出设定电压u
x
，将和i
y
作差后，经过pi控制器调节输出设定电压u
y
，将u
x
和u
y
做坐标变换，得到u
α
和u
β
，经过调制算法后输出pwm波驱动三相桥臂，产生相应的电流。
[0084]
电机的旋转控制采用i
d
＝0的矢量控制，转角检测装置对转角做微分后，得到实时转速；
[0085]
设定转速和实际转速作差后，通过pi控制器得到设定的转矩电流d轴设定电流为
[0086]
和i
q
作差后通过pi控制器输出q轴电压u
q
。
[0087]
和i
d
作差后通过pi控制器输出d轴电压u
d
。
[0088]
将u
d
和u
q
变换至αβ坐标系下得到u
α
和u
β
。通过调制模块后，生成pwm波驱动转矩的三相桥臂，进一步驱动转矩绕组，产生对应的电流。
[0089]
基于上述，本发明当转子处于势能较低状态时，每次需要输入给转子较多的能量，难以使得转子的势能一拍归零，此时悬浮力设定值处于悬浮力的边界上，和传统的bang
‑
bang控制类似，本质上是一种时间最优的控制算法。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。
[0090]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。