本发明公开一种单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法，控制器由参考值计算部分和观测值计算部分组成，观测值计算部分由绕组磁链观测器、悬浮力观测器、转矩观测器和两个矩阵变换模块组成，第一矩阵变换模块的输出连接绕组磁链观测器的输入，绕组磁链观测器的输出分别连接悬浮力观测器和转矩观测器，第二矩阵变换模块的输出分别连接绕组磁链观测器和转矩观测器；将所观测的绕组实时磁链应用于转矩观测器、悬浮力观测器和转矩与悬浮力电压参考值发生器，根据磁链幅值指令值、实时绕组转矩分量磁链幅值和相位以及实际反馈电流在转矩与悬浮力电压参考值发生器中生成电压静止坐标指令值，对转矩和转子径向悬浮力直接控制。
1.一种单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，其特征是：由参考值计算部分(18)和观测值计算部分(19)组成，所述观测值计算部分(19)由绕组磁链观测器(6)、悬浮力观测器(7)、转矩观测器(8)和两个矩阵变换模块组成，第一矩阵变换模块(4)的输出连接绕组磁链观测器(6)的输入，绕组磁链观测器(6)的输出分别连接悬浮力观测器(7)和转矩观测器(8)，第二矩阵变换模块(5)的输出分别连接绕组磁链观测器(6)和转矩观测器(8)；悬浮力观测器(7)分别输出实时悬浮力Fx和Fy，转矩观测器(8)输出转矩Te；
所述参考值计算部分(18)由转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)、空间矢量脉宽调制模块(14)、两个PID调节器、两个PI调节器和两个三相逆变器组成，两个PID调节器的输出连接转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)的输入，第一PI调节器(11)串接第二PI调节器(12)，第二PI调节器(12)的输出连接转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)，转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)的输出连接空间矢量脉宽调制模块(14)，空间矢量脉宽调制模块(14)的输出分别连接两个三相逆变器；
所述绕组磁链观测器(6)计算出绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ、合成气隙磁链ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ；其中绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ分为两路，分别输入转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)和转矩观测器(8)，合成气隙磁链ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ输入悬浮力观测器(7)。
2.根据权利要求1所述单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，其特征是：电机转子的x轴径向位移值x与转子位移指令值x*进行比较得到的差值输入第一PID调节器(9)生成悬浮力指令值Fx*，悬浮力指令值Fx*与所述实时悬浮力Fx进行比较得到差值ΔFx，该差值ΔFx输入转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)；电机转子的y轴径向位移值y与转子位移指令值y*行比较得到的差值输入第二PID调节器(10)生成悬浮力指令值Fy*，悬浮力指令值Fy*与所述实时悬浮力Fy进行比较得到差值ΔFy，该差值ΔFy输入转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)；电机转子的实际转速ω与转速指令值ω*进行比较得到差值，将该差值输入第一PI调节器(11)生成转矩指令值Te*，该转矩指令值Te*与转矩观测器(8)输出的转矩Te进行比较得到差值并将差值输入到第二PI调节器(12)，得到绕组转矩分量磁链相位角增量Δδ并将Δδ输入转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)；磁链指令值ψs1*也输入至转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)。
3.根据权利要求2所述单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，其特征是：转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)根据其输入生成两相静止坐标下的控制转矩的电压指令值U1α*和U1β*、改变气隙平衡磁场的电压指令值U2α*和U2β*变量，这些变量输入到空间矢量脉宽调制模块(14)中，得到两个逆变器的开关信号。
4.根据权利要求3所述单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，其特征是：两个逆变器的开关信号输入第一矩阵变换模块(4)，两个逆变器产生六相电流，六相电流分为两路，一路连接单绕组无轴承永磁电机(1)上进行转矩与悬浮力直接控制，另一路反馈输入第二矩阵变换模块(5)中。
5.根据权利要求3所述单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，其特征是：两个逆变器的开关信号输入第一矩阵变换模块(4)，得到实时控制转矩电压U1α、U1β和实时改变气隙平衡磁场电压U2α、U2β，并将U1α、U1β和U2α、U2β输入给绕组磁链观测器(6)。
6.根据权利要求4所述单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，其特征是：所述六相电流输入第二矩阵变换模块(5)得到实时控制转矩电流i1α、i1β和实时改变气隙平衡磁场电流i2α、i2β，实时控制转矩电流i1α、i1β输入给转矩观测器(8)，实时控制转矩电流i1α、i1β和实时改变气隙平衡磁场电流i2α、i2β分为两路，一路直接输入绕组磁链观测器(6)，另一路经绕组磁链观测器(6)输入转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)。
7.根据权利要求6所述单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，其特征是：转矩观测器(8)由输入的绕组转矩分量磁链幅值ψs1、相位θ、实时控制转矩电流i1α、i1β实时估算出输出转矩Te；悬浮力观测器(7) 由输入的合成气隙磁链ψg1、相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2、相位λ实时估算出x轴与y轴的悬浮力Fx和Fy。
8.一种如权利要求1所述单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器的构造方法，其特征是：先依次构造转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)和参考值计算部分(18)，再依次构造绕组磁链观测器(6)、悬浮力观测器(7)、转矩观测器(8)和观测值计算部分(19)，最后形成转矩和悬浮力直接控制器；
所述转矩与悬浮力电压参考值发生器(13)根据电压参考值表达式
所述悬浮力观测器(7)根据转子径向悬浮力公式 在线计算出悬浮
其中，ψs1是磁链指令值，ψs1、θ分别是绕组转矩分量磁链幅值和相位，ψs2、λ分别是绕组悬浮力分量磁链幅值和相位，ψg1、γ分别是合成气隙磁链ψg1和相位γ，ψs1α、ψs1β是绕组转矩分量磁链在静止坐标系上的分量，ψg1α、ψg1β是合成气隙磁链在静止坐标系上的分量，ψs2α、ψs2β分别是绕组悬浮力分量磁链在静止坐标系上的分量，ΔFx是悬浮力指令值Fx*与实时悬* * *浮力Fx进行比较的差值，ΔFy是悬浮力指令值Fy与实时悬浮力Fy进行比较的差值，U1α、U1β分别是转矩电压指令值，U2α*、U2β*分别是悬浮力电压指令值，Δδ是绕组转矩分量磁链相位角增量，U1α、U1β分别是实时控制转矩电压，U2α、U2β分别是实时悬浮力电压，i1α、i1β是实时控制转矩电流，i2α、i2β分别是实时改变气隙平衡磁场电流，Rs是定子绕组电阻，Ts是采样周期，KF是参考系数，KF根据合成气隙磁链确定，p1、p2分别是转矩磁场与悬浮力磁场等效极对数；
l是电机转子铁心有效长度；r是转子半径；n是绕组每相串联有效匝数；μ0是真空磁导率；
9.根据权利要求8所述的构造方法，其特征是：空间矢量脉宽调制模块(14)输出的开关信号输入给第一矩阵变换模块(4) ，第一矩阵变换模块(4)根据表达式变换到两个两相静止坐标
系上得到实时控制转矩电压U1α、U1β和实时控制悬浮力电压U2α、U2β，UDC是直流母线电压，Sa、Sb、Sc、S1a、S1b、S1c是开关信号。
单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力传动控制设备技术领域，是一种多变量非线性的单绕组双三相无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器技术，适用于多相无轴承永磁电机的高性能控制。
背景技术
[0002] 传统的无轴承永磁电机采用双绕组结构，电机内部嵌有转矩绕组和悬浮力绕组，需要2套绕组共同实现电机的无轴承运行，不可避免的使得电机内部结构复杂，绕组占用更多的空间，造成损耗。单绕组无轴承永磁电机继承了传统的双绕组无轴承电机的功率密度高、无润滑、无磨损、无机械噪声等特点，同时单绕组设计使得结构更为紧凑，电机加工难度降低，又融合了多相电机转矩波动小、密度高、可低压大功率传动的优势，因此单绕组多相无轴承电机在机床电主轴、涡轮分子泵、离心机、压缩机、机电贮能、船舶推进、电动汽车、航空航天等特殊电气传动领域具有广泛的使用前景。
[0003] 单绕组双三相无轴承永磁电机结构与普通的单层分布式绕组结构永磁同步电机相同，电机内部只有一套绕组嵌入24槽内，但分为两个独立三相绕组单元，相与相之间的分布空间上相差120°。每组三相绕组单元中的各相绕组依次排列，分布在定子圆周的一侧，两组三相绕组单元之间的夹角为180°，在定子机械空间中呈镜像分布。当给该电机加激励时，同属于一组三相绕组单元中的各相绕组的电流分量相位相差120°，两组三相绕组单元中的绕组对应相相位相同。当给该电机加悬浮力电流分量时，同属于一组三相绕组单元中的各相绕组的电流分量相位同样相差120°，但两组三相绕组单元中的绕组对应相相位相差180°。当2组电流同时通入绕组内经坐标变换可将其映射到两个相互正交的dq平面上，产生极对数相差为1的旋转磁场，因此可实现旋转和自悬浮，所提出的电机需要两个三相逆变器为其供电。
[0004] 无轴承永磁电机是一种多变量、非线性、强耦合的被控对象，通过对电机转矩力和悬浮力进行解耦控制，能够实现电机转子稳定悬浮和运行。对于新型的单绕组多相无轴承永磁电机，其变量更多，耦合性更强，控制更加复杂。目前，现有多相无轴承永磁电机转矩和悬浮力解耦控制主要采用矢量控制。其中中国专利公开号为CNIO1459408A的文献中提出的一种多相单套绕组无轴承电机传动系统，其电机采用特定的结构安排，使得绕组同时含有奇次与偶次谐波，通过控制两种谐波电流产生极对数相差为1的磁场，实现电机的无轴承运行。但由于转矩与悬浮力采用传统的矢量控制，过多依赖于电机参数以及矢量坐标变换的复杂性使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果；同时悬浮力矢量控制采用电流跟踪型逆变器，逆变器开关频率高，逆变器容量利用率不高。中国专利公开号为CN101162882A的文献中提出一种容错功能的单绕组无轴承薄片电机，其采用功率最优的数学模型和id＝0的转子磁场定向控制方法控制电机绕组的输入电流，能够用一套绕组同时实现转动和悬浮功能，并设计一种基于H桥功率模块的多相驱动功率系统。但由于功率系统中开关管过多而引起控制过程相对复杂，同时也存在电流波动较大,功率损耗较大的缺点。
[0005] 相对于矢量控制，直接转矩控制是在定子坐标系下，借助空间矢量，对普通电机的数学模型通过采用定子磁场定向分析方法进行直接分析，并且在一定程度上对电机的磁链、转矩进行计算和控制。在控制结构方面，直接转矩控制方式相对比较简单，对于利用矢量控制技术进行控制的过程中出现控制性能受参数变化影响的问题，完全可以通过直接转矩控制方式加以避免。因此，为更好的实现多相无轴承永磁电机的转矩和径向悬浮力的解耦控制，结合直接转矩控制技术，采用新的控制技术和新的控制方法控制多相无轴承电机，能够更加充分发挥多相无轴承电机的优良性能。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种既可使单绕组双三相无轴承永磁电机具有优良的动、静态控制性能、抗电机参数变化及抗负载扰动能力强，又能有效地提高无轴承电机的各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度及参数鲁棒性的单绕组多相无轴承永磁电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法。
[0007] 本发明单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器采用的技术方案是：所述转矩和悬浮力直接控制器由参考值计算部分和观测值计算部分组成，所述观测值计算部分由绕组磁链观测器、悬浮力观测器、转矩观测器和两个矩阵变换模块组成，第一矩阵变换模块的输出连接绕组磁链观测器的输入，绕组磁链观测器的输出分别连接悬浮力观测器和转矩观测器，第二矩阵变换模块的输出分别连接绕组磁链观测器和转矩观测器；悬浮力观测器分别输出实时悬浮力Fx和Fy，转矩观测器输出转矩Te；
[0008] 所述参考值计算部分由转矩与悬浮力电压参考值发生器、空间矢量脉宽调制模块、两个PID调节器、两个PI调节器和两个三相逆变器组成，两个PID调节器的输出连接转矩与悬浮力电压参考值发生器的输入，第一PI调节器串接第二PI调节器，第二PI调节器的输出连接转矩与悬浮力电压参考值发生器，转矩与悬浮力电压参考值发生器的输出连接空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块的输出分别连接两个三相逆变器；
[0009] 所述绕组磁链观测器计算出绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ、合成气隙磁链ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ；其中的绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ分为两路，分别输入转矩与悬浮力电压参考值发生器和转矩观测器，合成气隙磁链ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ输入悬浮力观测器。
[0010] 进一步地，电机转子的x轴径向位移值x与转子位移指令值x*进行比较得到的差值输入第一PID调节器生成悬浮力指令值Fx*，悬浮力指令值Fx*与所述实时悬浮力Fx进行比较得到差值ΔFx，该差值ΔFx输入悬浮力电压参考值发生器；电机转子的y轴径向位移值y与转子位移指令值y*行比较得到的差值输入第二PID调节器生成悬浮力指令值Fy*，悬浮力指令值Fy*与所述实时悬浮力Fy进行比较得到差值ΔFy，该差值ΔFy输入悬浮力电压参考值发生*器；电机转子的实际转速ω与转速指令值ω进行比较得到差值差值输入第一PI调节器生成转矩指令值Te*，该转矩指令值Te*与转矩观测器输出的转矩Te进行比较得到差值输入到第二PI调节器，得到绕组转矩分量磁链相位角增量Δδ输入悬浮力电压参考值发生器；磁链指令值ψs1*也输入至悬浮力电压参考值发生器。
[0011] 更进一步地，，转矩与悬浮力电压参考值发生器根据其输入生成两相静止坐标下的控制转矩的电压指令值U1α*和U1β*、改变气隙平衡磁场的电压指令值U2α*和U2β*这些变量，这些变量输入到空间矢量脉宽调制模块中，得到两个逆变器的开关信号。
[0012] 本发明单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器的构造方法采用的技术方案是：先依次构造转矩与悬浮力电压参考值发生器和参考值计算部分，再依次构造绕组磁链观测器、悬浮力观测器、转矩观测器和观测值计算部分，最后形成转矩和悬浮力直接控制器；
[0013] 所述转 矩与悬浮 力电 压参考 值发生器 根据电 压参 考值表达式构造，
[0014] 所述绕组磁链观测器(6)根据表达式构造，
[0015] 所述悬浮力观测器(7)根据转子径向悬浮力公式 在线计算出悬浮力静止坐标分量
[0016] 所述转矩观测器(8)根据公式 计算出转矩Te；
[0017] 其中，ψs1*是磁链指令值，ψs1、θ分别是绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位，[0018] ψs2、λ分别是绕组悬浮力分量磁链幅值和相位，ψg1、γ分别是合成气隙磁链ψg1和相位γ，ψs1α、ψs1β是绕组转矩分量磁链在静止坐标系上的分量，ψg1α、ψg1β是合成气隙磁链在静止坐标系上的分量，ψs2α、ψs2β分别是绕组悬浮力分量磁链在静止坐标系上的分量，ΔFx是悬浮力指令值Fx*与实时悬浮力Fx进行比较的差值，ΔFy是悬浮力指令值Fy*与实时悬浮力Fy进行比较的差值，U1α*、U1β*分别是转矩电压指令值，U2α*、U2β*分别是悬浮力电压指令值，Δδ是绕组转矩分量磁链相位角增量，U1α、U1β分别是实时控制转矩电压，U2α、U2β分别是实时悬浮力电压，i1α、i1β是实时控制转矩电流，i2α、i2β分别是实时改变气隙平衡磁场电流，Rs是定子绕组电阻，Ts是采样周期，KF是参考系数，KF根据合成气隙磁链确定，p1、p2分别是转矩磁场与悬浮力磁场等效极对数；l是电机转子铁心有效长度；r是转子半径；n是绕组每相串联有效匝数。
[0019] 本发明实时计算电机反馈的实际电流与电压，然后由一个绕组磁链观测器来获取直接转矩和直接悬浮力控制所需的无轴承永磁电机绕组磁链的信息；再将所观测的绕组实时磁链应用于转矩观测器、悬浮力观测器和转矩与悬浮力电压参考值发生器，转矩观测器是由绕组磁链分量及观测电流实施估算出转矩，悬浮力观测器是由绕组磁链分量及相位实时估算出悬浮力静止坐标分量。对于参考值的计算，首先将转子位置指令值与电涡流位移传感器获得的实际位移值分别进行比较得到位移差值，再经PID调制后生成悬浮力指令值，然后将悬浮力指令值与实时悬浮力比较得到悬浮力差值通入转矩与悬浮力电压参考值发生器生成电压静止坐标指令值。同理，将转速指令值和实时转速进行比较得到转速差值，通过PI调制后生成转矩指令值，然后将转矩指令值与转矩实时值进行比较得到转矩差值，通过PI调制后生成转矩绕组磁链相位角增量，根据磁链幅值指令值、实时绕组转矩分量磁链幅值和相位以及实际反馈电流在转矩与悬浮力电压参考值发生器中生成电压静止坐标指令值，将得到两组电压静止坐标指令值通入空间矢量脉宽调制模块调制后得到电压型逆变器开关信号，驱动逆变器实现单绕组无轴承永磁电机转矩与悬浮力直接控制。其优点在于：
[0020] 1.采用转矩和悬浮力直接控制方法，将多相无轴承永磁电机复杂非线性强耦合系统的转矩和转子径向悬浮力控制问题转化为简单的直接转矩和直接悬浮力控制系统，很容易实现电机转矩和悬浮力之间的直接控制，可获得优良的电机运行性能。
[0021] 2.用转矩和悬浮力直接控制方法来实现单绕组多相无轴承永磁电机高性能控制，具有控制结构简单，转速响应快，优良的动静态性能，对电机参数表现出强的鲁棒性等优点，完全摆脱了传统矢量控制过多依赖于电机参数、复杂的矢量坐标变换、电流跟踪型逆变器开关频率高的缺点。也摆脱了处于开环状态的悬浮力矢量控制对悬浮力控制精度和动态响应性能的限制。
[0022] 3、本发明改变了传统无轴承永磁电机采用矢量控制的策略，对电机的转矩和转子径向悬浮力进行直接控制，确保电机转子稳定悬浮和快速运行，同时能够适用于多相无轴承永磁电机的高性能控制，提高多相无轴承电机控制性能，而且可推广到其它多相无轴承电机控制系统。
附图说明
[0023] 图1是图7中参考值计算部分18的转矩与悬浮力电压参考值发生器13的构成框图；
[0024] 图2是由两个PID调节器9和10、两个PI调节器11和12、转矩与悬浮力电压参考值发生器13、空间矢量脉宽调制模块14、两个三相逆变器2和3组成的参考值计算部分18的内部原理框图；
[0025] 图3是图7中观测值计算部分19中的绕组磁链观测器6构成框图；
[0026] 图4是图7中观测值计算部分19中的悬浮力观测器7构成框图；
[0027] 图5是图7中观测值计算部分19中的转矩观测器8构成框图；
[0028] 图6是由光电编码器17、电涡流位移传感器15和16、矩阵变换模块4和5、绕组磁链观测器6、转矩观测器8和悬浮力观测器7组成的观测值计算部分19的内部原理框图；
[0029] 图7是本发明单绕组无轴承永磁电机的转矩与悬浮力直接控制器20的组成原理框图。
[0030] 图中：1.单绕组无轴承电机；2.三相逆变器；3.三相逆变器；4.矩阵变换模块；5.矩阵变换模块；6.绕组磁链观测器；7.悬浮力观测器；8.转矩观测器；9.PID调节器；10.PID调节器；11.PI调节器；12.PI调节器；13.转矩与悬浮力电压参考值发生器；14.空间矢量脉宽调制模块；15.电涡流位移传感器；16.电涡流位移传感器；17.光电编码器；18.参考值计算部分；19.观测值计算部分；20.转矩与悬浮力直接控制器。
具体实施方式
[0031] 图7所示的是完整的单绕组双三相无轴承永磁电机的转矩与悬浮力直接控制器20的构成示意图。该转矩与悬浮力直接控制器20由参考值计算部分18和观测值计算部分19组成。
[0032] 所述的观测值计算部分19，由绕组磁链观测器6、悬浮力观测器7、转矩观测器8和两个矩阵变换模块4、5组成，其中矩阵变换模块4的输出连接绕组磁链观测器6的输入，绕组磁链观测器6的输出分别连接悬浮力观测器7和转矩观测器8，矩阵变换模块5的输出分别连接绕组磁链观测器6和转矩观测器8。悬浮力观测器7分别输出实时悬浮力Fx和Fy。转矩观测器8输出转矩Te。
[0033] 所述的参考值计算部分18，由转矩与悬浮力电压参考值发生器13、空间矢量脉宽调制模块14、两个PID调节器9、10、两个PI调节器11、12、两个三相逆变器2、3组成。其中，两个PID调节器9、10的输出连接转矩与悬浮力电压参考值发生器13的输入，PI调节器11串接PI调节器12，PI调节器12的输出连接转矩与悬浮力电压参考值发生器13，转矩与悬浮力电压参考值发生器13的输出连接空间矢量脉宽调制模块14，空间矢量脉宽调制模块14的输出分别连接两个三相逆变器2。
[0034] 在单绕组无轴承永磁电机1上设置光电编码器17和两个电涡流位移传感器15和16，光电编码器17用于实时检测电机转子的实际转速ω，两个电涡流位移传感器15、16分别用于实时检测电机转子x轴与y轴径向位移值x、y。
[0035] 电涡流位移传感器15实时检测的转子的x轴径向位移值x与转子位移指令值x*进行比较得到差值，将该差值输入PID调节器9生成悬浮力指令值Fx*。将悬浮力指令值Fx*与悬浮力观测器7输出的实时悬浮力Fx进行比较得到差值ΔFx，将该差值ΔFx输入悬浮力电压参考值发生器13。
[0036] 电涡流位移传感器16实时检测的转子的y轴径向位移值y与转子位移指令值y*行比较得到差值，将该差值输入PID调节器10生成悬浮力指令值Fy*。将悬浮力指令值Fy*与悬浮力观测器7输出的实时悬浮力Fy进行比较得到差值ΔFy，将该ΔFy输入悬浮力电压参考值发生器13。
[0037] 光电编码器17实时检测的电机转子的实际转速ω与转速指令值ω*进行比较得到差值，将该差值输入PI调节器11生成转矩指令值Te*。将该转矩指令值Te*与转矩观测器8输出的转矩Te进行比较得到差值，然后再将差值输入到PI调节器12进行调制，得到绕组转矩分量磁链相位角增量Δδ，将磁链相位角增量Δδ输入悬浮力电压参考值发生器13。
[0038] 同时将磁链指令值ψs1*也输入悬浮力电压参考值发生器13。
[0039] 空间矢量脉宽调制模块14输出开关信号Sa、Sb、Sc、S1a、S1b、S1c分为两路，一路输入给矩阵变换模块4，结合外电路输入的直流母线电压UDC，将开关信号计算变换到两个两相静止坐标系上，得到实时控制转矩电压U1α、U1β和实时改变气隙平衡磁场电压U2α、U2β，并将U1α、U1、U2α、U2β输入给绕组磁链观测器6。
[0040] 两个逆变器2、3输出的电流输入给矩阵变换模块5，将电机实时反馈的实际电流计算变换到两个两相静止坐标系上，经矩阵变换模块5得到实时控制转矩电流i1α、i1β和实时改变气隙平衡磁场电流i2α、i2β，将实时控制转矩电流i1α、i1β输入给转矩观测器8，实时控制转矩电流i1α、i1β和实时改变气隙平衡磁场电流i2α、i2β分别两路，一路直接输入给绕组磁链观测器6，另一路经绕组磁链观测器6输入给转矩与悬浮力电压参考值发生器13。
[0041] 绕组磁链观测器6计算出直接转矩和直接悬浮力控制所需的磁链分量的信息，包括绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ、合成气隙磁链ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ。其中，绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ分为两路，分别输入给转矩与悬浮力电压参考值发生器13和转矩观测器8。合成气隙磁链ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ输入给悬浮力观测器7。
[0042] 转矩观测器8由输入的绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ、实时控制转矩电流i1α、i1β实时估算出输出转矩Te。悬浮力观测器7由输入的合成气隙磁链ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ实时估算出x轴与y轴的悬浮力Fx和Fy。
[0043] 转矩与悬浮力电压参考值发生器13根据输入的磁链相位角增量Δδ、悬浮力差值ΔFx和ΔFy、磁链指令值ψs1*以及从绕组磁链观测器6输入来的绕组转矩分量实时磁链幅值ψs1和相位θ以及实时控制转矩电流i1α、i1β和实时控制悬浮力电流i2α、i2β，最终生成两相静止坐标下的控制转矩的电压指令值U1α*和U1β*、改变气隙平衡磁场(悬浮力)的电压指令值U2α*和U2β*这些变量；然后将这些变量输入到空间矢量脉宽调制模块14中，得到两个逆变器2、3的开关信号Sa、Sb、Sc、S1a、S1b、S1c。这些开关信号Sa、Sb、Sc、S1a、S1b、S1c分为两路，一路输入给矩阵变换模块4，另一路输入给两个逆变器2、3；驱动逆变器2和3连接有直流母线电压UDC能够产生六相电流ia、ib、ic、i1a、i1b、i1c，然后再将电流分为两路，一路连接到单绕组无轴承永磁电机1上进行转矩与悬浮力直接控制，另一路反馈输入到矩阵变换模块5中。
[0044] 具体构造直接转矩与直接悬浮力控制器20时，先依次构造转矩与悬浮力电压参考值发生器13和构造参考值计算部分18，再构造绕组磁链观测器6、悬浮力观测器7、构造转矩观测器8和构造观测值计算部分19，最后形成转矩与悬浮力直接控制器20，具体步骤分以下7步：
[0045] 1、构造转矩与悬浮力电压参考值发生器13，如图1所示。转矩与悬浮力电压指令值U1α*、U1β*、U2α*、U2β*的产生是由以下几个变量得到的：绕组转矩分量磁链相位角增量Δδ，x轴与y轴悬浮力比较差值ΔFx和ΔFy、磁链指令值ψs1*、绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ、电机的实际电流i1α、i1β、i2α、i2β。其中，电机的实际电流中的i1α、i1β是实时控制转矩电流，i2α、i2β是实时改变气隙平衡磁场(悬浮力)电流i2α、i2β，定子绕组电阻Rs、采样周期Ts和参考系数KF，KF根据合成气隙磁链确定。构造转矩与悬浮力电压参考值发生器13的电压参考值表达式为：
[0046]
[0047] 2、构造参考值计算部分18，如图2所示。首先由实时径向位移值x、y与转子位移指令值x*和y*的比较得到的两个差值分别输入到对应的PID调节器9、10中，调制后生成x轴与y轴悬浮力指令值Fx*、Fy*，然后与悬浮力观测器7输入来的实时悬浮力Fx和Fy进行比较得到差值ΔFx和ΔFy；同理，由实际转速ω与转速指令值ω*的比较得到的差值输入到PI调节器11中，调制后生成转矩指令值Te*，然后与转矩观测器8输入来的实时转矩Te比较得到差值，输入到PI调节器12进行调制得到绕组转矩分量磁链相位角增量Δδ；将磁链相位角增量Δδ和悬浮力差值ΔFx和ΔFy、磁链指令值ψs1*依次输入到转矩与悬浮力电压参考值发生器13中；转矩与悬浮力电压参考值发生器13再根据从绕组磁链观测器6输入来的绕组转矩分量实时磁链幅值ψs1和相位θ以及实时控制转矩电流i1α、i1β和实时改变气隙平衡磁场电流i2α、i2β，* *
最终生成两相静止坐标下的控制转矩的电压指令值U1α和U1β、改变气隙平衡磁场的电压指令值U2α*和U2β*；然后将这些变量输入到空间矢量脉宽调制模块14中得到的逆变器开关信号Sa、Sb、Sc、S1a、S1b、S1c，将这些开关信号为两路，逆变器开关信号Sa、Sb、Sc、S1a、S1b、S1c一路输入给矩阵变换模块4，另一路输入给两个逆变器2、3；驱动两个连接直流母线电压UDC的逆变器2、3，产生并输出六相电流ia、ib、ic、i1a、i1b、i1c，然后将六相电流ia、ib、ic、i1a、i1b、i1c分为两路，一路反馈输入到矩阵变换模块5中，另一路连接到单绕组双三相无轴承永磁电机1上进行转矩与悬浮力直接控制。
[0048] 3、构造绕组磁链观测器6，利用电机在静止坐标系下的实时控制转矩电压U1α、U1β和实时改变气隙平衡磁场电压U2α、U2β以及实时控制转矩电流i1α、i1β和实时改变气隙平衡磁场(悬浮力)电流i2α、i2β，考虑到定子绕组漏感Los1，根据图3下列表达式可实时得到控制器所需要的绕组磁链信息：绕组转矩分量磁链在静止坐标系上的分量ψs1α、ψs1β及其幅值ψs1和相位θ、合成气隙磁链在静止坐标系上的分量ψg1α、ψg1β及其幅值ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链在静止坐标系上的分量ψs2α、ψs2β及其幅值ψs2和相位λ。
[0049]
[0050] 4、构造悬浮力观测器7，如图4所示。悬浮力估算器7输入端连接绕组磁链观测器6输出端的合成气隙磁链ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ，悬浮力观测器7根据无轴承电机转子径向悬浮力公式 在线计算出悬浮力静止坐标分量Fx、Fy，其中系数km表达式为 式中：p1、p2分别为为转矩磁场与悬浮力磁场等
效极对数；l为电机转子铁心有效长度；r为转子半径；n为绕组每相串联有效匝数。
[0051] 5、构造转矩观测器8。转矩观测器8输入端连接绕组磁链观测器6输出端的绕组转矩分量磁链幅值ψs1、相位θ和矩阵变换模块5的实时控制转矩电流i1α、i1β，根据如图5所示的传统电机直接转矩控制中的转矩计算公式计算出实时转矩：
[0052]
[0053] 6、构造观测值计算部分块19，如图6所示。首先将电涡流位移传感器15、16实时的检测转子x轴与y轴径向位移值x、y输出；光电编码器17将实时检测转子的实际转速ω输出；然后将空间矢量脉宽调制模块14输出的开关信号Sa、Sb、Sc、S1a、S1b、S1c分为两路，一路输入给矩阵变换模块4，矩阵变换模块4根据下列表达式，结合外电路输入的直流母线电压UDC将开关信号计算变换到两个两相静止坐标系上得到实时控制转矩电压U1α、U1β和实时控制悬浮力电压U2α、U2β，并将其输入给绕组磁链观测器6；将逆变器2、3的输出电流分为两路，一路输入到单绕组无轴承电机1，另一路输入给矩阵变换模块5，计算变换电机实时反馈的实际电流到两个两相静止坐标系上得到实时控制转矩电流i1α、i1β和实时控制悬浮力电流i2α、i2β，并将其分为三路，其中一路输入给绕组磁链观测器6，一路输入给转矩与悬浮力电压参考值发生器13，另一路只把实时控制转矩电流i1α、i1β输入给转矩观测器8；然后由绕组磁链观测器6计算出直接转矩和直接悬浮力控制所需的磁链分量的信息，其中绕组转矩分量磁链幅值ψs1和相位θ分为两路分别输入给转矩与悬浮力电压参考值发生器13和转矩观测器8，合成气隙磁链和相位ψg1和相位γ、绕组悬浮力分量磁链幅值ψs2和相位λ输入给悬浮力观测器7；转矩观测器8实施估算输出转矩Te与转矩指令值Te*进行比较；悬浮力观测器7实时估算输出在x轴与y轴悬浮力Fx和Fy与悬浮力指令值Fx*和Fy*进行比较。矩阵变换模块4所根据的表达式是：
[0054]
[0055] 其中，UDC是直流母线电压，Sa、Sb、Sc、S1a、S1b、S1c是开关信号。
[0056] 7、最终由参考值计算部分18、观测值计算部分19构成完整的多相无轴承永磁电机的转矩与悬浮力直接控制器20，如图7所示，图7所示的转矩与悬浮力直接控制器20可根据不同的控制要求采用不同的硬件或软件来实现。
