[发明专利]基于矩阵变换器的交流磁轴承电主轴运行控制方法

摘要

本发明公开一种基于矩阵变换器的交流磁轴承电主轴运行控制系统及方法，由三相调压器接三相市电作为三相输入电源，其后接三相LC滤波器与两个矩阵变换器构成三相输入，两个矩阵变换器的输出分别驱动五自由度交流磁轴承电主轴中两个径向三极磁轴承，轴向磁轴承由直流电源接开关功率放大器驱动控制，矩阵变换器与开关功率放大器由驱动控制器控制，使电主轴的转轴实现五自由度悬浮；本发明采用矩阵变换器对电能直接进行变换，增加了可靠性；把径向三极磁轴承的三相输入电压分为12个相区，使每个输入相在整个周期内都参与调制，改善了输入电流波形，减小了输入侧电流谐波。

主权项

一种基于矩阵变换器的交流磁轴承电主轴运行控制方法，采用基于矩阵变换器的交流磁轴承电主轴运行控制系统，该运行控制系统包括三相调压器（1）、三相LC滤波器（2）以及驱动控制器（7），三相调压器（1）的输出连接三相LC滤波器（2），三相LC滤波器（2）的输出分别连接驱动控制器（7）以及两个矩阵变换器（3、4），驱动控制器（7）的输出分别连接开关功率放大器（8）和两个矩阵变换器（3、4）；两个矩阵变换器（3、4）的输出均经霍尔电流传感器（5）后连接五自由度交流磁轴承电主轴（6），霍尔电流传感器（5）的输出连接驱动控制器（7）的输入；检测五自由度交流磁轴承电主轴（6）的两个径向三极磁轴承径向位移信息的电涡流位移传感器以及检测一个轴向磁轴承轴向位移信息的电涡流位移传感器的输出端均连接驱动控制器（7）的输入端；开关功率放大器（8）接直流电源（9）并驱动轴向磁轴承；驱动控制器（7）包括输入电量检测模块（71）、信号调理电路（72）、轴向控制模块（75）以及两个结构一样的径向运算处理模块（73、74），输入电量检测模块（71）的输入接三相LC滤波器（2）的输出，输入电量检测模块（71）的输出接信号调理电路（72），信号调理电路（72）的输出分别连接轴向控制模块（75）以及两个径向运算处理模块（73、74），第一径向运算处理模块（73）的输出接第一矩阵变换器（3），第二径向运算处理模块（74）的输出接第二矩阵变换器（4），轴向控制模块（75）的输出接开关功率放大器（8），其特征是依次按以下步骤：1）调节五自由度交流磁轴承电主轴（6）的轴向磁轴承，使其悬浮；2）三相调压器（1）输出的电压经三相LC滤波器（2）后同时输入两个矩阵变换器（3、4），驱动控制器（7）经输入电量检测模块（71）检测三相输入电压，由信号调理电路（72）将输入电压调整为0‑3.3V后送入，驱动控制器（7）根据送入的三相电压数值大小，以任意两相交点和相电压与零电压的交点作为分界线，把送入的三相电压分为12个相区，每一个相区都存在一个电压最大值相，一个电压中间值相和一个电压最小值相；3）靠近轴向磁轴承的径向三极磁轴承的转子在x、y方向的位移信息x、y经信号调理电路（72）送入驱动控制器（7），x、y信号与给定位移信号x*、y*作比较后分别经第一径向运算处理模块（73）中对应的两个PID控制模块（731、732）运算后输出x、y方向电磁力信号Fx、Fy，电磁力信号Fx、Fy再经力/电流变换（734）运算计算出x、y方向控制电流信号ixc、iyc，控制电流信号ixc、iyc再经第一2/3变换（735）运算后得到三相给定电流信号iA*、iB*、iC*；霍尔电流传感器（5）将检测的第一矩阵变换器（3）输出的两相电流经信号调理电路（72）送入驱动控制器（7），再经第二2/3变换模块（733）求出另一相电流信号，将第一矩阵变换器（3）的三个电流信号iA、iB、iC与三相给定电流信号iA*、iB*、iC*作双滞环比较，同时根据此时送入电压对应的相区，经驱动控制器（7）处理由隔离驱动保护电路（737）驱动第一矩阵变换器（3）的9个双向开关，使靠近轴向磁轴承的径向三极磁轴承稳定悬浮；4）调节远离轴向磁轴承的径向三极磁轴承，调节方法与步骤3）相同，最终由第二径向运算处理（74）中的隔离驱动保护电路驱动第二矩阵变换器（4）的9个双向开关使远离轴向磁轴承的径向三极磁轴承稳定悬浮。