CN102185547A - 多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法 - Google Patents

多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法。多相单绕组无轴承电机的转矩和悬浮控制分别在相互正交的两个平面中完成，通过一台多相逆变器给电机同时通入相位差不同的两组电流，分别实现电机的转矩驱动和转子悬浮。针对相数n≥7多相单绕组无轴承电机，根据多相电机多自由度的特点，利用偏心状态下不同平面间的互感与偏心的关系，在有别于转矩平面和悬浮平面的另外一个平面提取位移信号，研究了此类电机的无位移传感器控制技术。本发明利用多相单绕组无轴承电机自身的多控制自由度的特点，在基频下提取转子径向位移信息，降低了系统成本，缩短了系统的轴向长度，提高了系统的可靠性。

Description

多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法
技术领域
本发明涉及无轴承电机的无位移传感控制方法，尤其涉及一种多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法。
背景技术
对于一个无轴承系统，其核心是通过位移反馈调节电机中的激励使得电机平稳悬浮在电机中心，这就要求设置位移传感器准确捕捉电机转子径向位移的精确信息。而位移传感器的线性度、灵敏度、分辨率易受温度和电磁噪声的干扰，导致电机的悬浮性能受到影响，限制了无轴承电机的推广。此外位移传感器的造价昂贵，影响了此类电机的实用化。因此研究无轴承电机的无位移传感器技术对提高此类电机的可靠性，推进其实用化进程有着重要的意义。
目前主要有两种方法提取电机的转子位置信息，一种是利用电机的自感信息获取电机的偏心信息，此方法需将悬浮绕组的中线引出，在转矩绕组上注入持续的高频激励信号，通过测得的悬浮绕组的电压差辨识电机转子径向位移。
另外一种是利用电机两套绕组之间的互感获取电机的偏心信息。转子偏心时，电机定子不同极对数的绕组之间的互感会随转子偏心变化，但是由于两套绕组内均存在自身平面的基频激励（用于提供电机转矩或悬浮力），该激励也会在自身绕组上感应出电压信号。即对于双绕组无轴承电机而言，转矩绕组与悬浮绕组的电流均由两部分组成。以悬浮绕组为例，一部分为悬浮电流感应出的电压，另一部分包含互感信息由转矩绕组电流产生，该部分电流中包含了两套绕组之间的互感信息。目前并无方法在基频激励下将两者有效的分离，从而准确的估算出转子位移。当前广泛研究的是高频注入法，即在两套绕组中的一套注入高频激励，检测另一套绕组中感应出的高频信号。此时，由于在检测的绕组中不存在相应的高频激励，其高频信号全部由电机互感感应产生，将检测得到的信号（高频信号）经过滤波后可以有效的获取电机的互感信息，进而辨识出转子径向位移，实现电机的无传感器运行。但是为避免注入信号对电机悬浮力及转矩产生干扰，注入信号频率往往较高，故高频注入法对系统的硬件要求很高，造成成本上升，一定程度上限制了该项技术的推广应用。
多相单绕组无轴承电机为最新研究的一种无轴承电机，其采用一套多相绕组取代传统的两套三相绕组，利用多相电机中不同的控制自由度（平面），分别控制电机的旋转和悬浮。多相单绕组结构中，类比于传统无轴承电机中转矩绕组和悬浮绕组的概念，定义产生电磁转矩的平面为转矩平面，为电机提供悬浮磁场的平面为悬浮平面。该电机具有损耗低、高可靠性、易于实现大功率、多控制自由度等优势。
目前还未有利用多相单绕组永磁型无轴承电机的空余平面检测转子径向位移的方法见诸报道。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的问题，针对多相单绕组无轴承电机自身的特点，提供一种多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法。
多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法为：
检测电机各相电流和相邻相的线电压，并将其经过多相坐标变换环节转换到如下电机的各个正交的d q平面坐标系下，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE002
式中
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE004
表示坐标变换矩阵，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE006
为转子位置角，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE008
，当n为奇数时，变换矩阵应删去最后一行；
选取多相单绕组无轴承电机中有别于转矩平面和悬浮平面的d3-q3平面作为信号平面，通过电流闭环保持该平面的电流为0，利用d2-q2平面的电流反馈信号和d3-q3平面的电压反馈信号，将其滤波后，通过下式检测出两平面间的互感信息，进而实时估算出转子径向方向的位移，实现电机的无位移传感器运行，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE010
式中，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE014
分别为需检测的电机径向水平和垂直方向的位移，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE016
为转子永磁体等效励磁电流，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE018
表示d2-q2平面和d3-q3平面之间的互感系数，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE020
为转子角速度， 
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE022
、分别为当d2-q2平面电流的d、q轴分量，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE028
分别为d3-q3平面电流的d、q轴分量；
位移信号
Figure 420524DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 991445DEST_PATH_IMAGE014
分别与给定的位移参考信号
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE032
进行比较，经过PID调节器分别得到给定悬浮力
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE034
、，然后通过如下悬浮电流计算公式求得d1-q1平面的电流给定值、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE040
，将光电码盘反馈的转速信号
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE042
与给定转速信号
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE044
相比较，经过PI调节器得到d2-q2平面的q轴电流给定信号，同时保持d3-q3平面的电流给定值
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE048
、为0；
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE052
其中
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE054
表示电机的等效气隙长度，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE056
表示永磁体产生的激磁磁链，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE060
分别表示电机d1-q1、d2-q2平面的电感。
再通过d1-q1、d2-q2、d3-q3平面的电流闭环，分别求得三个平面内所需的电压给定信号
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE062
、、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE072
，经过多相坐标变换将其转化为电机各相电压给定信号通过多相逆变器为电机供电。
本发明提出的多相单绕组无径向传感器运行控制策略无需机械式位移传感器，充分利用多相电机多控制自由度的特点，利用多相电机中除控制转矩和悬浮之外多余的控制自由度（平面）检测转子的径向位移，通过电流检测辨识出转子径向位移，降低了系统成本，减小了系统体积，与传统的无轴承电机的无径向传感器控制控制策略相比，此方法无需额外的高频信号激励，降低了控制系统硬件设备的成本，对此项技术的推广和工业化有着重要意义。
附图说明
图1是多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法框图；
图2是具有无径向位移传感器功能的九相单绕组无轴承电机结构示意图；
图3是九相单绕组无轴承电机的磁动势分布图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明：
如图1所示，多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法为：
检测电机各相电流和相邻相的线电压，并将其经过多相坐标变换环节转换到如下电机的各个正交的d q平面坐标系下，
Figure 112240DEST_PATH_IMAGE002
式中表示坐标变换矩阵，
Figure 617356DEST_PATH_IMAGE006
为转子位置角，，当n为奇数时，变换矩阵应删去最后一行；
选取多相单绕组无轴承电机中有别于转矩平面和悬浮平面的d3-q3平面作为信号平面，通过电流闭环保持该平面的电流为0，利用d2-q2平面的电流反馈信号和d3-q3平面的电压反馈信号，将其滤波后，通过下式检测出两平面间的互感信息，进而实时估算出转子径向方向的位移，实现电机的无位移传感器运行，
Figure 448226DEST_PATH_IMAGE010
式中，
Figure 250091DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 113005DEST_PATH_IMAGE014
分别为需检测的电机径向水平和垂直方向的位移，
Figure 524263DEST_PATH_IMAGE016
为转子永磁体等效励磁电流，
Figure 523443DEST_PATH_IMAGE018
表示d2-q2平面和d3-q3平面之间的互感系数，
Figure 493280DEST_PATH_IMAGE020
为转子角速度， 
Figure 843490DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 58439DEST_PATH_IMAGE024
分别为当d2-q2平面电流的d、q轴分量，
Figure 240022DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 367378DEST_PATH_IMAGE028
分别为d3-q3平面电流的d、q轴分量；
位移信号
Figure 955617DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 459410DEST_PATH_IMAGE014
分别与给定的位移参考信号
Figure 948029DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 308603DEST_PATH_IMAGE032
进行比较，经过PID调节器分别得到给定悬浮力
Figure 633406DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 688693DEST_PATH_IMAGE036
，然后通过如下悬浮电流计算公式求得d1-q1平面的电流给定值、
Figure 500977DEST_PATH_IMAGE040
，将光电码盘反馈的转速信号
Figure 47496DEST_PATH_IMAGE042
与给定转速信号
Figure 909404DEST_PATH_IMAGE044
相比较，经过PI调节器得到d2-q2平面的q轴电流给定信号
Figure 857768DEST_PATH_IMAGE046
，同时保持d3-q3平面的电流给定值
Figure 825724DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 108807DEST_PATH_IMAGE050
为0；
Figure 758094DEST_PATH_IMAGE052
其中
Figure 308768DEST_PATH_IMAGE054
表示电机的等效气隙长度，
Figure 385308DEST_PATH_IMAGE056
表示永磁体产生的激磁磁链，
Figure 155687DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 405403DEST_PATH_IMAGE060
分别表示电机d1-q1、d2-q2平面的电感。
再通过d1-q1、d2-q2、d3-q3平面的电流闭环，分别求得三个平面内所需的电压给定信号、
Figure 326533DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 334941DEST_PATH_IMAGE066
、、
Figure 352761DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 518907DEST_PATH_IMAGE072
，经过多相坐标变换将其转化为电机各相电压给定信号通过多相逆变器为电机供电。
如图2所示，具有无径向位移传感器功能的九相单绕组无轴承电机与传统多相单绕组无轴承类似，为了保证电机的转矩性能和悬浮性能，需保证电机绕组函数的基波分量和两次谐波分量的幅值。与一般的多相单绕组无轴承电机相比，其不同之处在于设计电机时为了便于检测电机的转子位移信息，实现电机的无位移传感器运行，需调整电机绕组节距，保证绕组函数的三次谐波的幅值含量取值不能太小，否则在d3-q3平面的检测信号太弱，无法有效的辨识转子径向位移信息，故此电机选择绕组节距为10。
以一台九相单绕组无轴承为例，图3表示九相电机的磁动势分布，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE074
，为多相单绕组无轴承电机正常工作需要的磁动势，两者相互作用为电机提供悬浮力。箭头指向区域为位移信号检测区域，两对极磁场通过多相电机d2-q2、d3-q3平面间的互感，在d3-q3平面感应出相应电压信号，用于电机的转子径向位移检测。值得注意的是，如图3所示，永磁体3次谐波的反向磁场作用在信号平面上，在信号平面上带来四倍频干扰信号（旋转坐标变换后），所以需引入图1中的滤波环节滤除
Figure 935982DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 730762DEST_PATH_IMAGE028
中由永磁体低次谐波和PWM高频信号带来的干扰。
本发明的工作原理是：
在一个多相系统中，经过多相坐标变换后将形成多组相互正交的d q分量，对应于多个控制自由度，而三相时则只有1组（或一个控制自由度）。实现电机的转矩控制只需一组d q分量，或一个控制自由度就可完成，多相单绕组无轴承电机则利用多相电机中存在的另外一个平面（控制自由度）完成转子的悬浮控制，实现无轴承运行。
当n≥7，多相系统中至少存在3个控制自由度（平面），坐标变换矩阵中的前六行分别对应于d1-q1，d2-q2，d3-q3平面。经过解析分析，可得多相单绕组无轴承电机同步速坐标系下前三个平面（d1-q1、d2-q2、d3-q3平面）的定子电感矩阵可以写为：
从上式可知，多相电机中相邻平面的互感与转子偏心位移量线性相关。其中
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE082
分别表示相邻平面的互感系数。
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE088
分别表示三平面的自感。
Figure 2011100781657100002DEST_PATH_IMAGE090
为转子径向水平和垂直方向位移偏心。
由于器件功率和开关频率的限制，实现高频注入成本较高，而采用基频信号直接提取转矩平面和悬浮平面之间互感数学模型复杂，而且会因为自身平面的电流激励造成信号难以有效的分离。所以考虑在转矩平面和悬浮平面之外再选一个相邻的空白平面（d3-q3平面），视为信号平面，通过检测该平面上的信号来确定电机转子的偏心位置。
如果要检测电机的互感值，需要一个相对标准的激励源，对一台多相单绕组无轴承电机，转矩平面的激励为较为标准的正弦波，而悬浮平面的电流与反馈的位置信号有关，很不规则而且包含大量的谐波分量，不利于相邻平面的信号检测。所以考虑选择d2-q2平面为转矩平面，d1-q1平面为悬浮平面，并选取d3-q3为信号平面。
两对极磁场通过多相电机d2-q2、d3-q3平面间的互感，在定子d3-q3平面上感应出电压信号，用于电机的转子径向位移检测。值得注意的是d3-q3平面有别于d1-q1和d2-q2平面（维持电机旋转和悬浮），该平面上并无电流激励信号，故该平面上电压信号完全由电机d2-q2平面和d3-q3平面的互感引起，不含自身平面的激励信息，所以可以通过d3-q3平面和d2-q2平面上的检测信息可以有效的估算电机的互感，进而有效的辨识转子径向位移，实现多相单绕组无轴承电机的无位移传感器运行。

Claims (1)

1. 一种多相单绕组无轴承电机的无径向位移传感器控制方法，其特征在于：
检测电机各相电流和相邻相的线电压，并将其经过多相坐标变换环节转换到如下电机的各个正交的d q平面坐标系下，
式中表示坐标变换矩阵，为转子位置角，
Figure 958615DEST_PATH_IMAGE004
，当n为奇数时，变换矩阵应删去最后一行；
选取多相单绕组无轴承电机中有别于转矩平面和悬浮平面的d3-q3平面作为信号平面，通过电流闭环保持该平面的电流为0，利用d2-q2平面的电流反馈信号和d3-q3平面的电压反馈信号，将其滤波后，通过下式检测出两平面间的互感信息，进而实时估算出转子径向方向的位移，实现电机的无位移传感器运行，
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE005
     式中，
Figure 710670DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE007
分别为需检测的电机径向水平和垂直方向的位移，
Figure 179739DEST_PATH_IMAGE008
为转子永磁体等效励磁电流，表示d2-q2平面和d3-q3平面之间的互感系数，为转子角速度， 
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE011
、分别为当d2-q2平面电流的d、q轴分量，
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE013
、分别为d3-q3平面电流的d、q轴分量；
位移信号、
Figure 623096DEST_PATH_IMAGE007
分别与给定的位移参考信号
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE015
、进行比较，经过PID调节器分别得到给定悬浮力
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 945810DEST_PATH_IMAGE018
，然后通过如下悬浮电流计算公式求得d1-q1平面的电流给定值
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 1753DEST_PATH_IMAGE020
，将光电码盘反馈的转速信号
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE021
与给定转速信号
Figure 368012DEST_PATH_IMAGE022
相比较，经过PI调节器得到d2-q2平面的q轴电流给定信号，同时保持d3-q3平面的电流给定值
Figure 328622DEST_PATH_IMAGE024
、为0；
Figure 34410DEST_PATH_IMAGE026
其中
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE027
表示电机的等效气隙长度，
Figure 57992DEST_PATH_IMAGE028
表示永磁体产生的激磁磁链，
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE029
、分别表示电机d1-q1、d2-q2平面的电感；
再通过d1-q1、d2-q2、d3-q3平面的电流闭环，分别求得三个平面内所需的电压给定信号
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 928045DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 49191DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 2011100781657100001DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 945472DEST_PATH_IMAGE036
，经过多相坐标变换将其转化为电机各相电压给定信号通过多相逆变器为电机供电。
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