CN104767454B - 一种降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，目的是进一步降低转子悬浮电流峰值，及改善转子悬浮运行的平稳性。该方法包括悬浮电流的产生及与之对应的电机悬浮绕组结构。电机可采用双绕组结构，也可以采用单绕组结构，前者悬浮绕组流过电流产生悬浮力，后者绕组中同时流过悬浮电流和转矩电流。利用机械空间垂直的两相悬浮绕组流过悬浮电流，产生空间近似垂直的两个悬浮力，并利用这两个悬浮力合成出转子所需要的悬浮力。由于，悬浮绕组均工作于其产生最大悬浮力附近，因此有效降低了悬浮电流幅值。

Description

一种降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制方法，特别是一种降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法。

背景技术

定子永磁型磁通切换同步电机将激磁用的永磁体嵌放在定子铁心中，更加方便了永磁体热量的散发；解决该种电机无轴承技术问题，可以将该种电机有效拓展至高速、大容量、无污染等领域。

定子永磁型无轴承同步电机的转子悬浮力可以采用六相绕组共同产生，每一相绕组流过电流产生的悬浮力，除了与电流大小有关外，还与转子位置有关。若绕组中流过较大的悬浮电流，会产生电流尖峰，影响转子悬浮运行的平稳性。

现有技术中定子永磁型无轴承同步电机转子悬浮控制方法，采用六相星型单绕组结构，利用机械空间对称的两相绕组流过悬浮电流，打破电机机械对称气隙中磁场的平衡，从而产生所需要的转子悬浮力，悬浮电流非独立控制。显然，任何瞬时六相绕组均流过电流，转子悬浮力由六相绕组共同产生。每一相绕组流过单位正电流产生的悬浮力系数，与转子位置有关。当某相绕组的悬浮力系数接近于零时，若仍然要求该相输出一定的悬浮力，则必然要在该相绕组中流过较大的悬浮电流，从而产生了电流尖峰。过大的尖峰电流对于有限电流容量的电机是不允许的，而且有限的变换器功率管电流容量也限制了流过绕组中电流尖峰值。

发明内容

为解决现有的悬浮电流非独立控制方法中出现的悬浮电流尖峰难题，进一步改善定子永磁型同步电机无机械轴承支撑时转子悬浮控制的稳定性。本发明提出一种降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法，提供一定子永磁型无轴承电机，其特征在于：包括以下步骤：步骤S01：提供悬浮力系数计算模块、扇区判断环节、电流控制器及悬浮电流给定计算环节；步骤S02：将所述电机转子电角度θ_r送给所述悬浮力系数计算模块，由所述悬浮力系数计算模块计算所述电机各绕组的悬浮力系数；步骤S03：将所述电机转子电角度θ_r送给所述扇区判断环节，所述扇区判断环节输出扇区编号；步骤S04：将x轴悬浮力给定y轴悬浮力给定悬浮力系数及扇区编号同时送给悬浮电流给定计算环节，由所述悬浮电流给定计算环节同时输出各绕组悬浮电流给定值；步骤S05：由所述电流控制器实现实际悬浮电流跟踪各自给定值，以产生转子悬浮所需要的悬浮力。

在本发明一实施例中，所述电机为双绕组电机；其包括a1、a2、b1、b2、c1、c2绕组。

在本发明一实施例中，所述电机为单绕组电机，包括a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4绕组。

进一步的，步骤S02还包括以下具体步骤：步骤S021：利用有限元分析方法或实验方法先获得转子位置处于0°～36°机械角度范围内各点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3、F_ya1a3；步骤S022：根据转子位置机械角度θ_m、F_xa1a3及F_ya1a3，获得θ_m+18点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(18+θ_m)、F_ya1a3(18+θ_m)，根据电机机械结构特点计算得a2绕组悬浮力系数F_xa2a4、F_ya2a4如下：步骤S023：根据转子位置机械角度θ_m、F_xa1a3及F_ya1a3，获得θ_m+12点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(12+θ_m)、F_ya1a3(12+θ_m)，根据电机机械结构特点计算得b1绕组悬浮力系数F_xb1b3、F_yb1b3如下：步骤S024：根据转子位置机械角度θ_m、F_xa1a3及F_ya1a3，获得θ_m+30点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(30+θ_m)、F_ya1a3(30+θ_m)；根据电机机械结构特点计算得b2绕组悬浮力系数F_xb2b4、F_yb2b4如下：步骤S025：根据转子位置机械角度θ_m、F_xa1a3及F_ya1a3，获得θ_m+6点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(6+θ_m)、F_ya1a3(6+θ_m)；根据电机机械结构特点计算得c1绕组悬浮力系数F_xc1c3、F_yc1c3如下：

步骤S026：根据转子位置机械角度θ_m、F_xa1a3及F_ya1a3，获得θ_m+24点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(24+θ_m)、F_ya1a3(24+θ_m)；根据电机机械结构特点计算得c2绕组悬浮力系数F_xc2c4、F_yc2c4如下：

在本发明一种实施例中，所述步骤S04还包括以下下具体步骤：步骤S041：当θ_r处于(60°，120°)和(240°，300°)内时，a1和a2绕组流过悬浮电流对应悬浮电流给定值计算如下：步骤S042：当θ_r处于(120°，180°)和(300°，360°)内时，b1和b2绕组流过悬浮电流，对应悬浮电流给定值计算如下：步骤S043：当θ_r处于(180°，240°)和(0°，60°)内时，c1和c2绕组流过悬浮电流，对应悬浮电流给定值计算如下：

进一步的，所述x轴悬浮力给定所述y轴悬浮力给定分别通过x轴位移控制器和y轴位移控制器输出。

进一步的，所述x轴位移控制器和所述y轴位移控制器为PI控制器。

在本发明一实施例中，所述电流控制器采用滞环电流跟踪控制或PWM电流跟踪控制。

采用本发明的技术方案，独立控制悬浮电流，即每一个悬浮电流没有电气上的直接联系；任何瞬时仅利用机械空间正交的两对绕组产生空间近似正交的两个转子悬浮力分量，并利用他们合成出任意方向及大小的悬浮力；用于产生悬浮力的两对正交绕组仅仅在各自产生最大悬浮力点±30°电角度范围内流过电流。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)每一个悬浮绕组产生悬浮力均在最大悬浮力附近，极大提高了悬浮电流的利用率，有效降低了悬浮电流峰值；

(2)对于有限的定子槽面积，由于悬浮电流得到了有效利用，从而提高了用于产生电磁转矩的有功电流，增强了电机带负载能力；

(3)由于悬浮电流峰值的有效降低，降低了功率管的电流额定值，从而降低了功率变换器的成本，提高了驱动系统运行的可靠性和平稳性。

附图说明

图1为本发明一实施例中电机悬浮绕组结构示意。

图2为本发明一实施例中各绕组悬浮电流产生流程图。

图3为本发明一实施例中各悬浮绕组作用区间。

图4为图1对应的三相转矩绕组连接方式示意图。

图5为图1和图4对应的转子悬浮驱动系统结构示意图。

图6为悬浮力系数计算流程图。

图7为悬浮电流给定计算环节结构示意图。

图8为本发明另一实施例中电机绕组结构示意图。

图9为本发明另一实施例中转子悬浮驱动系统结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

在本发明一实施例中，所述电机悬浮绕组结构示意如图1所示。该电机定子有12个“U”型导磁铁心，中间嵌入12片切向交替充磁的永磁体，充磁方向如图1中箭头所示。N_sa1、N_sa3串联构成悬浮绕组a1，N_sa2、N_sa4串联构成悬浮绕组a2，其他悬浮绕组b1、b2、c1、c2串联方式类似于a1和a2，具体串联接线可以参见图1。空间正交的绕组对分别为：N_sa1、N_sa3与N_sa2、N_sa4，N_sb1、N_sb3与N_sb2、N_sb4，N_sc1、N_sc3与N_sc2、N_sc4。各绕组流过悬浮电流分别为i_a1a3、i_a2a4、i_b1b3、i_b2b4、i_c1c3、i_c2c4。对xy坐标系进行定义：x轴与N_sa1、N_sa3轴线重合，y轴与N_sa2、N_sa4轴线重合，转子铁心槽中心线初始处于x轴。

各绕组悬浮电流产生流程图参见图2。首先将转子电角度θ_r送给各悬浮绕组悬浮力系数计算模块，分别输出a1绕组x轴和y轴悬浮力系数F_xa1a3、F_ya1a3，a2绕组x轴和y轴悬浮力系数F_xa2a4、F_ya2a4，b1绕组x轴和y轴悬浮力系数F_xb1b3、F_yb1b3，b2绕组x轴和y轴悬浮力系数F_xb2b4、F_yb2b4，c1绕组x轴和y轴悬浮力系数F_xc1c3、F_yc1c3，c2绕组x轴和y轴悬浮力系数F_xc2c4、F_yc2c4。然后将转子电角度θ_r送给扇区判断环节，输出扇区编号1、2或3。再将x轴悬浮力给定y轴悬浮力给定悬浮力系数及扇区编号同时送给悬浮电流给定计算环节，悬浮电流给定计算环节同时输出a1绕组悬浮电流给定a2绕组悬浮电流给定b1绕组悬浮电流给定b2绕组悬浮电流给定c1绕组悬浮电流给定c2绕组悬浮电流给定最后利用电流控制器实现实际悬浮电流跟踪各自给定值，以产生转子悬浮所需要的悬浮力。

本发明利用在空间正交的两对绕组中流过悬浮电流后，共同产生电机转子需要的悬浮力，从而实现转子悬浮。以图1中a1和a2绕组产生悬浮力为例。当a1绕组流过单位正向悬浮电流后，产生对应的x轴、y轴悬浮力分别为F_xa1a3、F_ya1a3。由于a1绕组轴线处于x轴上，所以F_xa1a3远大于F_ya1a3，忽略F_ya1a3作用，则可以认为a1绕组流过悬浮电流后，产生的悬浮力近似处于x轴方向；由于定、转子均为凸极式结构，所以F_xa1a3、F_ya1a3均随着转子位置角θ_r基本成正弦规律变化而变化。采用有限元分析方法，分析出F_xa1a3、F_ya1a3随θ_r在0～360°周期范围内变化关系曲线，也可以借助于实验的方法测量这两个关系曲线。而且进一步分析a1绕组流过单位正向悬浮电流后，产生悬浮力分别在接近转子位置电角度90°和270°处达到最大值。同理，a2绕组轴线处于y轴上，产生的悬浮力近似处于y轴方向，产生悬浮力分别在接近转子位置电角度90°和270°处达到最大值。为了降低a1和a2绕组悬浮电流幅值，应该充分利用每一个绕组产生悬浮力峰值附近区域，所以分别取转子位置角90°和270°的±30°范围作为a1和a2作用区域，即当转子旋转电角度处于(60°，120°)和(240°，300°)范围内时，在a1和a2中同时流过合适的悬浮电流i_a1a3、i_a2a4，共同产生满足要求的转子悬浮力。同样分析得到，b1和b2绕组流过悬浮电流后，分别产生的悬浮力近似正交，各自产生的悬浮力峰值点接近转子位置电角度150°和330°，所以当转子旋转电角度处于(120°，180°)和(300°，360°)范围内时，在b1和b2中同时流过合适的悬浮电流i_b1b3、i_b2b4，共同产生满足要求的转子悬浮力；c1和c2绕组流过悬浮电流后，分别产生的悬浮力近似正交，各自产生的悬浮力峰值点接近转子位置电角度210°和30°，所以当转子旋转电角度处于(180°，240°)和(0°，60°)范围内时，在c1和c2中同时流过合适的悬浮电流i_c1c3、i_c2c4，共同产生满足要求的转子悬浮力。各悬浮绕组作用区间参见图3。

根据转子位置电角度θ_r及图3，判断出转子处于何范围，从而即可确定出唯一一组工作绕组，再根据给定悬浮力就可以计算出工作绕组中流过悬浮电流给定值。

悬浮电流给定值的计算步骤具体如下：

(a)当θ_r处于(60°，120°)和(240°，300°)内时，a1和a2绕组流过悬浮电流，对应悬浮电流给定值计算如下：

公式(1)；

(b)当θ_r处于(120°，180°)和(300°，360°)内时，b1和b2绕组流过悬浮电流，对应悬浮电流给定值计算如下：

公式(2)；

(c)当θ_r处于(180°，240°)和(0°，60°)内时，c1和c2绕组流过悬浮电流，对应悬浮电流给定值计算如下：

公式(3)。

其中，悬浮力系数F_xa1a3、F_ya1a3为a1绕组流过单位正电流时产生的x和y轴悬浮力分量；悬浮力系数F_xa2a4、F_ya2a4为a2绕组流过单位正电流时产生的x和y轴悬浮力分量；悬浮力系数F_xb1b3、F_yb1b3为b1绕组流过单位正电流时产生的x和y轴悬浮力分量；悬浮力系数F_xb2b4、F_yb2b4为b2绕组流过单位正电流时产生的x和y轴悬浮力分量；悬浮力系数F_xc1c3、F_yc1c3为c1绕组流过单位正电流时产生的x和y轴悬浮力分量；悬浮力系数F_xc2c4、F_yc2c4为c2绕组流过单位正电流时产生的x和y轴悬浮力分量。

这些悬浮力系数的获取可以借助上述说明，利用有限元分析方法或实验方法依次获得，也可以采用以下技术方案实现：

(1)借助上述说明，利用有限元分析方法或实验方法先获得转子位置处于0°～36°机械角度范围内各点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3、F_ya1a3；

(2)根据转子位置机械角度θ_m及步骤(1)，获得θ_m+18点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(18+θ_m)、F_ya1a3(18+θ_m)，然后根据电机机械结构特点计算得a2绕组悬浮力系数F_xa2a4、F_ya2a4如下：

公式(4)；

(3)根据转子位置机械角度θ_m及步骤(1)，获得θ_m+12点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(12+θ_m)、F_ya1a3(12+θ_m)，然后根据电机机械结构特点计算得b1绕组悬浮力系数F_xb1b3、F_yb1b3如下：

公式(5)；

(4)根据转子位置机械角度θ_m及步骤(1)，获得θ_m+30点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(30+θ_m)、F_ya1a3(30+θ_m)，然后根据电机机械结构特点计算得b2绕组悬浮力系数F_xb2b4、F_yb2b4如下：

公式(6)；

(5)根据转子位置机械角度θ_m及步骤(1)，获得θ_m+6点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(6+θ_m)、F_ya1a3(6+θ_m)，然后根据电机机械结构特点计算得c1绕组悬浮力系数F_xc1c3、F_yc1c3如下：

公式(7)；

(6)根据转子位置机械角度θ_m及步骤(1)，获得θ_m+24点处的a1绕组悬浮力系数F_xa1a3(24+θ_m)、F_ya1a3(24+θ_m)，然后根据电机机械结构特点计算得c2绕组悬浮力系数F_xc2c4、F_yc2c4如下：

公式(8)。

在定子铁心上同时嵌入如图1所示的六个悬浮绕组a1～c2和三相转矩绕组a～c，其对应的三相转矩绕组连接方式如图4所示，三相绕组电流分别为i_a、i_b、i_c。图4中给出a相绕组的具体连接方式，b和c相连接方式依此类推。对应的转子悬浮驱动系统结构如图5所示。其转子旋转运行采用转子旋转控制器来控制。转子旋转控制器采用普通变频器即可，控制方法可以采用采用常见的磁场定向矢量控制或直接转矩控制。每一个悬浮绕组电流均采用一个电流控制器控制实际悬浮电流跟踪对应的给定值。电流控制器可以采用滞环电流跟踪控制，也可以采用PWM电流跟踪控制。采用x和y方向转子位移传感器，测量获得转子在x和y方向的位移x和y。采用x轴位移控制器和y轴位移控制器，分别输出x和y方向的转子悬浮力给定值较佳的，位移控制器采用PI控制器，其他控制器也可以，只要能根据位移偏差输出对应的悬浮力给定。将采用图2所示的悬浮电流产生环节输出a1～c2悬浮绕组电流给定值发送给对应悬浮绕组电流控制器。图5中悬浮力系数计算流程如图6所示。悬浮电流给定计算环节采用图7所示结构。其中开关S有三个位置，分别为1位置、2位置、3位置，扇区判断环节输出的扇区编号决定S闭合于何位置，当工作绕组选定为a1和a2时，S打到1位置；当工作绕组选定为b1和b2时，S打到2位置；当工作绕组选定为c1和c2时，S打到3位置。

在本发明另一实施例中，所述电机为单绕组电机，电机定子结构如图8所示。定子上12个线圈各自为一个绕组，分别为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，各个绕组流过电流分别为i_a1、i_a2、i_a3、i_a4、i_b1、i_b2、i_b3、i_b4、i_c1、i_c2、i_c3、i_c4。为了同时实现转子径向悬浮和切向旋转，各个绕组要同时流过悬浮电流和转矩电流，图8单绕组结构等效于图1和图4相同定子磁极上的悬浮线圈和转矩线圈作用效果合并结果，在已知图1和图4悬浮绕组电流给定情况下，本领域技术人员易分析得到图8单绕组结构中各绕组电流给定值如下：

公式(9)。

图9为单绕组电机转子悬浮驱动系统结构，转子旋转控制器、悬浮电流给定计算环节、转子x、y位移控制器、悬浮力系数计算环节、扇区判断环节等参见双绕组电机。区别在于单绕组电机将悬浮电流给定与三相转矩绕组电流给定同时送给计算绕组电流给定环节，输出12个绕组电流给定每一绕组采用一个独立的电流控制器，实现实际绕组电流跟踪各自的给定值。电流控制部分也可以参见双绕组电机。

采用本发明的技术方案，独立控制悬浮电流，即每一个悬浮电流没有电气上的直接联系；任何瞬时仅利用机械空间正交的两对绕组产生空间近似正交的两个转子悬浮力分量，并利用他们合成出任意方向及大小的悬浮力；用于产生悬浮力的两对正交绕组仅仅在各自产生最大悬浮力点±30°电角度范围内流过电流。

本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (7)

1.一种降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：提供一定子永磁型无轴承电机、悬浮力系数计算模块、扇区判断环节、电流控制器及悬浮电流给定计算环节；

步骤S02：将所述电机转子电角度送给所述悬浮力系数计算模块，由所述悬浮力系数计算模块计算所述电机各悬浮绕组的悬浮力系数；

步骤S03：将所述电机转子电角度送给所述扇区判断环节，所述扇区判断环节输出扇区编号；

步骤S04：a1、a2、b1、b2、c1、c2为电机悬浮绕组；电机的线圈绕组N_sa1、N_sa3串联构成悬浮绕组a1，电机的线圈绕组N_sa2、N_sa4串联构成悬浮绕组a2；对xy坐标系进行定义： x轴与N_sa1、N_sa3轴线重合，y轴与N_sa2、N_sa4轴线重合，转子铁心槽中心线初始处于x轴；将x轴悬浮力给定、y轴悬浮力给定、悬浮力系数及扇区编号同时送给悬浮电流给定计算环节，由所述悬浮电流给定计算环节同时输出各绕组悬浮电流给定值；

步骤S05：由所述电流控制器实现实际悬浮电流跟踪各自给定值，以产生转子悬浮所需要的悬浮力；

所述步骤S04还包括以下具体步骤：

步骤S041：当处于（60°，120°）和（240°，300°）内时，a1和a2绕组流过悬浮电流对应悬浮电流给定值计算如下：

；

步骤S042：当处于（120°，180°）和（300°，360°）内时，b1和b2绕组流过悬浮电流，对应悬浮电流给定值计算如下：

；

步骤S043：当处于（180°，240°）和（0°，60°）内时，c1和c2绕组流过悬浮电流，对应悬浮电流给定值计算如下：

；

其中为a1绕组悬浮力系数、；为a2绕组悬浮力系数；为b1绕组悬浮力系数；为b2绕组悬浮力系数；为c1绕组悬浮力系数；为c2绕组悬浮力系数。

2.根据权利要求1所述的降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法，其特征在于：所述电机为双绕组电机；所述双绕组电机包括a1、a2、b1、b2、c1、c2绕组。

3.根据权利要求1所述的降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法，其特征在于：所述电机为单绕组电机，包括a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4绕组。

4.根据权利要求2或3所述的降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法，其特征在于：步骤S02还包括以下具体步骤：

步骤S021：利用有限元分析方法或实验方法先获得转子位置处于0°~36°机械角度范围内各点处的a1绕组悬浮力系数、；

步骤S022：根据转子位置机械角度、及，获得+18点处的a1绕组悬浮力系数、，根据电机机械结构特点计算得a2绕组悬浮力系数、如下：

；

步骤S023：根据转子位置机械角度、及，获得+12点处的a1绕组悬浮力系数、，根据电机机械结构特点计算得b1绕组悬浮力系数、如下：

；

步骤S024：根据转子位置机械角度、及，获得+30点处的a1绕组悬浮力系数、；根据电机机械结构特点计算得b2绕组悬浮力系数、如下：

；

步骤S025：根据转子位置机械角度、及，获得+6点处的a1绕组悬浮力系数、；根据电机机械结构特点计算得c1绕组悬浮力系数、如下：

；

步骤S026：根据转子位置机械角度、及，获得+24点处的a1绕组悬浮力系数、；根据电机机械结构特点计算得c2绕组悬浮力系数、如下：

。

5.根据权利要求1所述的降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法，其特征在于： 所述x轴悬浮力给定、所述y轴悬浮力给定分别通过x轴位移控制器和y轴位移控制器输出。

6.根据权利要求5所述的降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法，其特征在于：所述x轴位移控制器和所述y轴位移控制器为PI控制器。

7.根据权利要求1所述的降低无轴承磁通切换电机转子悬浮电流的控制方法，其特征在于：所述电流控制器采用滞环电流跟踪控制或PWM电流跟踪控制。