CN104201966A - 一种三相单绕组无轴承电机的驱动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相单绕组无轴承电机的驱动控制方法，该驱动控制方法通过对转速进行闭环控制，得到的一路电流信号，通过对悬浮力进行闭环控制，得到三路电流信号、和；再将分别与、和组成三组电流控制信号，分别经过a号、b号和c号电流控制器，对三相单绕组无轴承电机一套电枢绕组的a、b、c三个区域进行独立控制，同时实现转子的自悬浮和旋转。本发明克服了双绕组无轴承电机两套绕组之间耦合关系与两套绕组之间的夹角问题，可以有效地消除转矩与悬浮力之间耦合关系，提高系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明是一种无轴承电机的驱动控制方法，更准确地说是一种单绕组无轴承电机的驱动控制方法，适用于航空航天、飞轮储能、数控机床等特殊电气驱动领域。
背景技术
无轴承电机具有无摩擦磨损、无需润滑、高速高精、功率密度高、免维护等优点，除了在诸如飞轮储能、数控机床等高速运行领域外，在纯净洁室、真空技术、腐蚀性介质、以及无菌车间等特殊领域也具有广泛应用前景。目前无轴承电机的绝大部分都是采用转矩和悬浮力两套绕组控制模式，即通过转速闭环检测得到实际转速，与给定转速进行比较，经过相应算法得到控制转速的转矩绕组电流，通过悬浮力闭环检测得到实际径向位移，与给定悬浮力进行比较，并经过相应算法得到控制悬浮力的悬浮力绕组电流，显然目前的这种控制方法将无轴承电机等效为两台电机，利用两套逆变器分别控制两套绕组，这种控制方法存在以下严重的不足：两套绕组之间会互相耦合，互相影响，特别是两套绕组的之间的夹角很难确定，从而会响应电机的悬浮力、电磁转矩、转速的动静态特性，如果两套绕组之间的夹角太大，超过一定范围，将导致无轴承电机无法实现悬浮运行。
单绕组无轴承电机是最新研究的一种无轴承电机，目前有报道的研究只是多相单绕组无轴承永磁电机，其利用多相电机中不同的控制自由平面，分别控制无轴承永磁电机的悬浮和旋转，而对于三相单绕组无轴承电机的驱动控制至今还未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对三相单绕组无轴承电机自身的特点，提出一种三相单绕组无轴承电机的驱动控制方法。
本发明采用的技术方案是按以下步骤：1）将电机转子径向水平的实际位移值 、垂直方向的实际位移值与给定的参考位移信号、作为悬浮力控制器的输入，悬浮力控制器将实际位移值、分别与给定的参考位移信号、相比较，得到x方向和y方向的位移偏差值和；位移偏差值和分别经过悬浮力补偿、悬浮力2/3变换、力电流变换后输出abc三相坐标系下的d轴电流分量、和；
2）将电机转子位置信息输入转速控制器，通过转速计算得到转子的实际转速信号，通过转角计算得到转角信号；将转角信号分别作为电流总控制器的角度输入和悬浮力控制器用于悬浮力补偿，将实际转速信号与给定的参考转速信号作比较，得到转速的偏差值，再经过PI调节器得到输出电流信号；
3）将悬浮力控制器的输出信号和转速控制器的输出信号作为a号电流控制器的两个输入信号，悬浮力控制器的输出信号和转速控制器的输出信号作为b号电流控制器的两个输入信号，悬浮力控制器的输出信号和转速控制器的输出信号作为c号电流控制器的两个输入信号，信号、和和依次经2r/2s变换、2s/3s变换后分别输入相对应的a号、b号、c号逆变器，得到a号电流控制器的输出信号、和、b号电流控制器的输出信号、和、c号电流控制器的输出信号、和；
4）将三相单绕组无轴承电机的一套电枢绕组平均分为三个区域a、b、c，分别采用a号、b号、c号逆变器对三个区域a、b、c的绕组进行独立控制。
本发明的有益效果是：
1、本发明只采用一套电枢绕组即可同时实现转子的悬浮和旋转，具有结构简单、成本低等优点，与同等体积的双绕组无轴承电机相比，产生的悬浮力和电磁转矩增大。
2、本发明将无轴承电机的一套绕组平均分为三个区域，每个区域采用一个普通的三相逆变器独立控制，可以将原本大功率的逆变器分为功率等级较低的三个逆变器来实现，具有安全可靠的特点。
3、本发明通过独立控制一套绕组三个区域的电流实现转子的悬浮与旋转，不存在两套绕组之间耦合关系与两套绕组之间的夹角问题，因此可以有效消除转矩（或者是转速）与悬浮力之间耦合关系，使无轴承电机具有更优的动静态特性，提高系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明三相单绕组无轴承电机的驱动控制方法的框图；
图中：1.转速控制器；2.悬浮力控制器；3.电流总控制器；4.三相单绕组无轴承电机；11.转角计算；12.转速计算；14.光电编码盘；16. y方向位移传感器；17. x方向位移传感器；13、21、22. PID调节器；23.悬浮力补偿；24.悬浮力2/3变换；25.力电流变换；31. a号电流控制器；32. b号电流控制器；33. c号电流控制器；311、321、331 .2r/2s变换；312、322、332. 2s/3s变换；313. a号逆变器；323. b号逆变器；333. c号逆变器。
具体实施方式
参见图1，将三相单绕组无轴承电机4的一套电枢绕组平均分为三个区域a、b、c，通过对三相单绕组无轴承电机4的转速进行闭环控制，得到的一路电流信号，通过对悬浮力进行闭环控制，得到三路电流信号、和；再将分别与、和组成三组电流控制信号，分别经过a号、b号和c号电流控制器，分别采用a号、b号和c号3个逆变器313、323、333对三个区域a、b、c的绕组进行独立控 同时实现转子的自悬浮和旋转。具体实现步骤如下：
1）采用x方向位移传感器17检测三相单绕组无轴承电机转子径向水平的实际位移值，采用y方向位移传感器16检测三相单绕组无轴承电机转子垂直方向的实际位移值，将实际位移值、与给定的参考位移信号、作为悬浮力控制器2的输入，悬浮力控制器2将实际位移值、分别与给定的参考位移信号、相比较，分别得到x方向和y方向的位移偏差值和。悬浮力控制器2由两个相同的PID调节器21、22、一个悬浮力补偿模块、一个悬浮力2/3变化模块和力电流变化模块组成，PID调节器21、22的输出分别接悬浮力2/3变化模块的输入，悬浮力2/3变化模块的输出依次连接悬浮力2/3变换模块、力电流变换模块。x方向位的移偏差值经过PID调节器21得到转子所受径向水平方向的悬浮力，y方向的位移偏差值经过PID调节器22得到转子所受垂直方向的悬浮力，然后悬浮力、经过悬浮力补偿模块，经悬浮力补偿23，按公式（1）求得补偿以后的径向水平、垂直方向的悬浮力分量和分别为：
（1）
将和经过悬浮力2/3变换模块，经悬浮力2/3变换24，按公式（2）得到abc三相坐标系下的悬浮力分量、和分别为：
（2）
最后，将悬浮力分量、和经过力电流变换模块，经力电流变换25，按公式（3）得到abc三相坐标系下的d轴电流分量、和分别为：
（3）
式中，为电流刚度系数，其值取为k=320N/A。
2）采用光电编码盘14检测三相单绕组无轴承电机转子位置信息，将转子位置信息输入转速控制器1。转速控制器1包括PI调节器13、转角计算模块和转速计算模块。转子位置信息先通过转速计算12，得到转子的实际转速信号，同时通过转角计算11，得到转角信号；将转角信号分别作为电流总控制器3和悬浮力控制器2的角度输入，用于悬浮力补偿23，参见公式（1）和2r/2s变化公式（4）；将实际转速信号与给定的参考转速信号作比较，得到转速的偏差值，再经过PI调节器13得到输出电流信号。
3）电流总控制器3由a号电流控制器31、b号电流控制器32和c号电流控制器33组成。a号电流控制器31由2r/2s变换311、2s/3s变换312和a号逆变器313组成，b号电流控制器32由2r/2s变换321、2s/3s变换322和b号逆变器323组成，c号电流控制器33由2r/2s变换331、2s/3s变换332和c号逆变器333组成。a号、b号、c号电流控制器31、32、33均具有2个输入信号，其中的一个输入信号分别为悬浮力控制器2的3个输出信号、和，另一个输入信号为转速控制器1的输出信号，a号电流控制器31的两个输入信号为和，b号电流控制器32的两个输入信号为和，c号电流控制器33的两个输入信号为和，即：悬浮力控制得到输出信号之一与转速控制得到的输出信号共同构成j号电流控制器的2个输入信号，其中；和分别经过公式（4）的2r/2s变换311、321、331得到的αβ两相坐标系下的电流分量和，将αβ两相坐标系下的电流分量再经过公式（5）的2s/3s变换321、322、332得到uvw三相坐标系下的电流分量的参考值、和：
（4）
（5）
其中，和分别为αβ两相坐标系下的电流分量；、和分别为uvw三相坐标系下的电流分量的参考值；、和分别经过相对应的a号、b号和c号逆变器313、323、333转换得到三相单绕组无轴承电机电流控制器的输出信号、和；将a号电流控制器31、b号电流控制器32和c号电流控制器33的输出信号、和，、和、以及、和输入三相单绕组无轴承电机4内，对一套绕组的a、b、c三个区域进行独立控制，同时实现电机转子的自悬浮和旋转运行。
Claims (3)
1.一种三相单绕组无轴承电机的驱动控制方法，其特征在于按以下步骤：
1）将电机转子径向水平的实际位移值 、垂直方向的实际位移值与给定的参考位移信号、作为悬浮力控制器的输入，悬浮力控制器将实际位移值、分别与给定的参考位移信号、相比较，得到x方向和y方向的位移偏差值和；位移偏差值和分别经过悬浮力补偿、悬浮力2/3变换、力电流变换后输出abc三相坐标系下的d轴电流分量、和；
2）将电机转子位置信息输入转速控制器，通过转速计算得到转子的实际转速信号，通过转角计算得到转角信号；将转角信号分别作为电流总控制器的角度输入和悬浮力控制器用于悬浮力补偿，将实际转速信号与给定的参考转速信号作比较，得到转速的偏差值，再经过PI调节器得到输出电流信号；
3）将悬浮力控制器的输出信号和转速控制器的输出信号作为a号电流控制器的两个输入信号，悬浮力控制器的输出信号和转速控制器的输出信号作为b号电流控制器的两个输入信号，悬浮力控制器的输出信号和转速控制器的输出信号作为c号电流控制器的两个输入信号，信号、和和依次经2r/2s变换、2s/3s变换后分别输入相对应的a号、b号、c号逆变器，得到a号电流控制器的输出信号、和、b号电流控制器32的输出信号、和、c号电流控制器33的输出信号、和；
4）将三相单绕组无轴承电机的一套电枢绕组平均分为三个区域a、b、c，分别采用a号、b号、c号逆变器对三个区域a、b、c的绕组进行独立控制。
2.根据权利要求1所述的驱动控制方法，其特征在于：
步骤1）x方向位的移偏差值经过PID调节器得到转子所受径向水平方向的悬浮力，y方向的位移偏差值经过PID调节器得到转子所受垂直方向的悬浮力，悬浮力、经过悬浮力补偿得到补偿以后的径向水平、垂直方向的悬浮力分量和分别为：
，
和经过经悬浮力2/3变换得到abc三相坐标系下的悬浮力分量、和分别为：
，
悬浮力分量、和经力电流变换得到的abc三相坐标系下的d轴电流分量、和分别为：
，
为电流刚度系数，取k=320N/A。
3.根据权利要求1所述的驱动控制方法，其特征在于：步骤3）中，信号、和和经2r/2s变换得到αβ两相坐标系下的电流分量和：；再经过2s/3s变换得到uvw三相坐标系下的电流分量的参考值、和： ，。
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