CN105391214B - 一种统一绕组无轴承电机及其驱动控制系统 - Google Patents

一种统一绕组无轴承电机及其驱动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种统一绕组无轴承电机，其特征在于，该电机包括定子和转子，以定子上相邻的两个齿为一对，定子每相占据在定子圆周上相对的相差180°的两对，一对上设置一组绕组，每相的两套绕组分别由驱动模块实现驱动，定子上还设置有用于测量转子偏移位置的两个位置传感器，两个位置传感器的位置相差90°相差位，电机还包括与驱动模块连接的驱动控制系统。按照本发明实现的统一绕组无轴承电机及其驱动控制系统，组成结构简单，转子悬浮，无机械磨损，不需要机械轴承支撑，硬件结构简单，并且避免了桥臂直通的问题。

Description

一种统一绕组无轴承电机及其驱动控制系统
技术领域
本发明属于电机及其控制领域，更具体地，涉及一种统一绕组无轴承电机及其驱动控制系统。
背景技术
随着电力电子与控制技术的发展，新型无轴承电机在近些年得到开发的应用，用于摆脱对传统机械轴承的依赖。目前主要的无轴承电机采用的是旋转和悬浮两套绕组和独立的驱动控制系统，和传统变频器驱动电机相比，由于采用了两套系统增加了控制系统的硬件复杂度，同时由于定子槽内加入两套绕组，也降低了电机绕组匝数，而目前新型的单绕组多相磁悬浮轴承采用同一绕组，通过电流叠加的原理将悬浮力和旋转力进行合成，提高了系统的集成度，但是采用这种结构的电机每个独立的绕组需要一个独立的H桥驱动，并且存在桥臂直通的风险。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种统一无轴承电机及其驱动控制系统，其目的在于将磁悬浮轴承的悬浮力电流和电机旋转用的三相(或者多相)驱动电流集中在同一套绕组中，由此实现在硬件结构上更加简单、成本更低。
本发明提供了一种统一绕组无轴承电机，其特征在于，该电机包括定子和转子，以所述定子上相邻的两个齿为一对，所述定子每相占据在所述定子圆周上相对的相差180°的两对，一对上设置一组绕组，每相的两套绕组分别由驱动模块实现驱动，所述定子上还设置有用于测量所述转子偏移位置的两个位置传感器，所述两个位置传感器的位置相差90°相差位，所述电机还包括与所述驱动模块连接的驱动控制系统。
进一步地，所述绕组驱动电流由旋转电流和悬浮电流组成，所述悬浮电流的直流偏置大于所述旋转电流。
进一步地，所述驱动控制系统包括旋转控制器与悬浮控制器，所述旋转控制器包括依次相连的速度控制器以及dq-abc坐标变换器，所述悬浮控制器包括依次相连的位置控制器以及坐标变换器，电流运算器分别于所述dq-abc坐标变换器及所述坐标变换器相连，所述电流运算器与所述驱动模块相连。
进一步地，所述驱动电力电子电路为一桥式电路，其包括两个桥臂，一侧桥臂包括连接的上端二极管及下端开关管，另一侧桥臂包括连接的上端开关管及下端二极管，所述两侧桥臂的中点分别与绕组的两端连接。
本发明还公开了一种实现统一绕组无轴承电机的驱动系统的驱动方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)所述速度控制器产生dq轴参考电流id*和iq*，通过所述dq-abc坐标变换模块转换到abc坐标系下的旋转参考电流，同时，所述位置控制器调节u、v两轴的等效悬浮控制电流参考值iu*和iv*来控制u、v两轴的悬浮，通过所述2/3坐标变换模块转换到abc坐标系下得到悬浮控制电流参考值；
(2)所述电流运算器将所述旋转参考电流加上偏置电流，再与所述悬浮控制电流运算，获得各个绕组中的参考电流从而输入驱动模块。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)绕组结构简单，容易制作；(2)转子悬浮，无机械磨损，不需要机械轴承支撑；(3)用同一套驱动电路实现悬浮和旋转控制，硬件结构简单；(4)控制保持电流单向流动，采用半桥结构电路，电力电子器件成本降低；(5)半桥结构电路，避免了桥臂直通的问题。
附图说明
图1是按照本发明实现的统一绕组无轴承电机的结构图(以三相12槽表贴式永磁电机为例)；
图2是按照本发明实现的统一绕组无轴承电机的驱动控制系统的示意框图；
图3是按照本发明实现的统一绕组中对应的半桥驱动电路的拓扑结构示意图；
图4是按照本发明实现的统一绕组中每个绕组的电流合成示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-定子 2-转子 3-位移传感器 4-速度控制器 5-dq-abc坐标变换模块 6-位置控制器 7-2/3坐标变换模块 8-驱动器左侧桥臂9-驱动器右侧桥臂 10-驱动器左侧桥臂与绕组连接点 11-驱动器右侧桥臂与绕组连接点
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例中首先提供一种统一绕组无轴承的电机，该统一绕组无轴承电机本体包括定子1、转子2和测量转子偏移中轴位置的两个相差90度位的位移传感器3。位移传感器3按照如图1所示的位置放置可以得到转子在此二维平面上的位移，转换为模拟信号通过屏蔽传输线和信号调理电路输入给驱动控制系统作为反馈位置信号，并且在两轴向上同比分配转子重量。定子每相占据位置相对的两对齿，每对齿对应一组绕组。定子每相有两套绕组在定子空间上相差180度放置，由两个半桥电路分别驱动。每绕组电流由旋转电流和悬浮电流组成，悬浮电流的直流偏置大于旋转电流的峰值，以保证合成电流单向流动。
如图2所示，本发明的目的还在于提供一种统一绕组无轴承电机及其驱动控制系统，该驱动控制系统主要通过控制每套绕组的半桥电路来实现驱动，该控制系统主要包括旋转控制器和悬浮控制器两个部分，其中旋转控制器包括依次相连的速度控制器4以及dq-abc坐标变换器5，悬浮控制器包括位置控制器6以及与位置控制器6相连的坐标变换器7，以及分别与dq-abc坐标变换器5及2/3坐标变换器7相连的电流运算器，其中经过电流运算器的输出电流输入给每个半桥电路的电流控制器，从而将该合成电流注入到各个绕组中实现控制。其中位置控制器6通过接收位移传感器3的反馈位置信号，产生位置控制电流，最终实现位置闭环控制。
通过上述的驱动控制系统的实现，通过电流的叠加，将磁悬浮轴承的悬浮力电流和电机旋转用的三相(或者多相)驱动电流集中在同一套绕组中。并且在驱动控制系统的控制中，磁悬浮偏置电流大于交流驱动电流峰值，保证在驱动控制中合成的电流方向不变。
与传统的无轴承电机相比，按照本发明实现的电机采用统一绕组和驱动控制系统，在硬件结构实现上简单，成本更低。并且由于电流叠加后保持同一电流方向，采用半桥结构的电力电子驱动电路，由于采用更少的电力电子器件，有效避免了全桥桥臂中的直通问题，提高了驱动系统的可靠性。
本发明的技术方案：旋转控制器产生的参考电流转换到A、B、C三相之后，与悬浮控制器输出的控制电流通过电流运算加减器相加减并叠加直流偏置电流，得到六个绕组电流的参考值。将该参考值对应的合成电流通过驱动模块注入到每个绕组中，其中，驱动模块包括与绕组相连的驱动电力电子电路，以及与驱动电力电子电路相连的电流控制器，从而实现旋转和悬浮的合成控制。
如图1所示按照本发明其中一个实施例实现的电机绕组和驱动控制系统，以三相电机为例，共有A1、A2、B1、B2、C1、C2六组绕组，每对齿的磁链通过转子2铰链回来，相对两组绕组的电流之差产生的电磁力产生此方向上对转子的悬浮力，相对两组绕组的共同交流电流产生此相所在的旋转力。
如图2所示，为按照本实施例实现的驱动控制系统采用电流叠加的原理实现统一控制，通过速度控制器4产生dq轴参考电流id*和iq*，通过dq-abc坐标变换模块5转换到abc坐标系下的旋转参考电流ia*，ib*和ic*，同时，通过位置控制器6调节u、v两轴的等效悬浮控制电流参考值iu*和iv*来控制u、v两轴的悬浮，通过2/3坐标变换模块7转换到abc坐标系下得到悬浮控制电流参考值ia_s*，ib_s*和ic_s*。
通过偏置电流与旋转参考电流相加，再与悬浮控制电流相加减，得到六个绕组中的参考电流iA1*,iA2*,iB1*,iB2*,iC1*和iC2*。
以iA1*和iA2*为例，其相同的部分是ia*与偏置电流之和，相差部分等于两倍的悬浮控制电流参考值，因此A相旋转力由ia*实现，悬浮力由ia_s*实现。由于ia*是由速度调节输出电流转换到A相的交流电流，其功能是实现旋转力；ia_s*是由位置控制器输出的参考电流，其功能是实现悬浮力。其中，经过上述步骤处理之后的参考电流的值的转变过程如下公式所示：
如图3所示，是按照本实施例实现的每个绕组对应一个半桥式电力电子驱动电路，该半桥式电力电子驱动电路包括两个开关管和四个二极管，可以控制电流单向流动。该半桥式电力电子驱动电路包括两个桥臂8和9，一侧桥臂8包括上端二极管连接下端开关管，另一侧桥臂9包括上端开关管和下端二极管，两个桥臂中点10和11分别与绕组的两端连接。由于图2所示的驱动控制系统保证了每个绕组的参考电流同方向，将该参考电流输入驱动电路，从而半桥式电力电子驱动电路可以实现所需要的电流控制。与传统无轴承电机电流双向流动所需要的全桥驱动电路相比，新型统一绕组无轴承电机驱动电路节省了一半的开关管，并且避免了桥臂直通的故障风险，可靠性显著地提高。因为桥臂中只存在一个开关管，在任何情况下，桥臂中都不会出现上下两管都导通的情况，因此桥臂短路的风险在物理上得到了避免。
如图4所示为按照本实施例实现的驱动控制系统的电流叠加示意图，在如图2所示的驱动控制系统下，每个绕组的电流由两部分合成得到，首先是基于直流偏置电流的悬浮电流，另外是基于正弦波的驱动电流，叠加后保持电流单向流动。从而按照该驱动电流来对电机实现无轴承的控制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种统一绕组无轴承电机，其特征在于，该电机包括定子(1)和转子(2)，以所述定子(1)上相邻的两个齿为一对，所述定子(1)每相占据在所述定子(1)圆周上相对的相差180°的两对，一对上设置一组绕组，每相的两套绕组分别由驱动模块实现驱动，所述定子(1)上还设置有用于测量所述转子(2)偏移位置的两个位置传感器，所述两个位置传感器的位置相差90°相差位，所述电机还包括与所述驱动模块连接的驱动控制系统。
2.如权利要求1所述的统一绕组无轴承电机，其特征在于，所述绕组驱动电流由旋转电流和悬浮电流组成，所述悬浮电流的直流偏置大于所述旋转电流。
3.如权利要求1或2所述的统一绕组无轴承电机，其特征在于，所述驱动控制系统包括旋转控制器与悬浮控制器，所述旋转控制器包括依次相连的速度控制器(4)以及dq-abc坐标变换器(5)，所述悬浮控制器包括依次相连的位置控制器(6)以及2/3坐标变换器(7)，电流运算器分别与所述dq-abc坐标变换器(5)及所述2/3坐标变换器(7)相连，所述电流运算器与所述驱动模块相连。
4.如权利要求3所述的统一绕组无轴承电机，其特征在于，所述驱动模块包括驱动电力电子电路，所述驱动电力电子电路为一桥式电路，其包括两个桥臂(8,9)，一侧桥臂(8)包括连接的上端二极管及下端开关管，另一侧桥臂(9)包括连接的上端开关管及下端二极管，所述两侧桥臂的中点(10,11)分别与绕组的两端连接。
5.一种实现如权利要求1-4中任意一项所述统一绕组无轴承电机的驱动系统的驱动方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)速度控制器(4)产生dq轴参考电流id*和iq*，通过dq-abc坐标变换器(5)转换到abc坐标系下的旋转参考电流，同时，所述位置控制器(6)调节u、v两轴的等效悬浮控制电流参考值iu*和iv*来控制u、v两轴的悬浮，通过2/3坐标变换器(7)转换到abc坐标系下得到悬浮控制电流参考值；
(2)所述电流运算器将所述旋转参考电流加上偏置电流，再与所述悬浮控制电流运算，获得各个绕组中的参考电流从而输入驱动模块。
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