CN105897064A - 一种集成绕组自悬浮永磁电机和控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成绕组自悬浮永磁电机和控制系统及控制方法，属于永磁电机的技术领域。本发明将磁悬浮李绕组和转矩绕组集成为一套绕组，对集成绕组自悬浮永磁电机提出了一种通过对电机电枢绕组电流进行综合控制进而实现转矩与径向磁悬浮力的同时控制，解决了磁浮力绕组和转矩绕组还难以集成为一套的难题，并且提供一种综合的电流控制方法解决磁悬浮力和转矩一体化控制的技术问题。

Description

一种集成绕组自悬浮永磁电机和控制系统及控制方法

技术领域

本发明公开了一种集成绕组自悬浮永磁电机和控制系统及控制方法，属于永磁电机的技术领域。

背景技术

自悬浮永磁同步电机是将无轴承技术应用于永磁同步电机的一种高新技术电机，通过控制电机转子受到的电磁力从而克服转子重量，使转子悬浮。由于取消了机械轴承，具有降低摩擦和磨损、不需润滑等优点，因此其转速可以进一步提高，从而电机功率密度可以随着转速提升而大幅提高，在航空航天、飞轮储能系统、工业主轴驱动等场合具有重要应用前景。

现有的磁悬浮轴承永磁电机结构种类很多。最为简单的一种是利用两个磁轴承支撑转子取代传统的永磁电机两端的机械轴承，其基本结构如图1所示；然而由于电机两边增加了体积较大的磁悬浮轴承，因此其转子轴向变长进而容易引起弯曲振动。另外一种较为先进的技术方案是结合一个旋转永磁电动机和一个主动式磁轴承的方案，而旋转永磁电动机必须具有磁浮的功能从而形成一个结构更加紧凑轴向尺寸更加短的无轴承自悬浮电机系统，其基本结构如图2所示。对于图2这种无轴承永磁电机系统，其电机必须具有同时产生转矩和径向磁浮力的能力；为了达到这一目的，在电机的定子槽中放入两套不同极对数的绕组，即转矩绕组(极对数p₁，电角频率ω₁)和磁悬浮控制绕组(极对数p₂，电角频率ω₂)，当满足p₂＝p₁±1，ω₂＝ω₁条件时，电机中才能产生可控的悬浮力和转矩。这一技术方案关键点是自悬浮永磁电机本体，定子上两套绕组一般是分别由磁浮控制器和转矩控器分别控制径向磁悬浮力和转矩。然而，对于这种定子上既有悬浮力控制绕组和转矩控制绕组的结构，无论是定子有铁心自悬浮电机还是定子无槽/无铁心自悬浮电机，其悬浮力和电磁转矩控制电流产生的磁场在定子区域内仍然具有相互之间的磁耦合效应，对于两者的电流控制来说是不利的，而且增加了定子 绕组结构上的复杂程度。

从现有自悬浮永磁电机结构来看，为了实现电机的自悬浮力和转矩的同时产生，定子必然有两套绕组，一套绕组通入控制电流产生转矩，一套绕组通入控制电流产生径向磁悬浮力，也就是说想要在一个电机里面产生磁悬浮力和转矩力，必须同时拥有两套绕组，这样增加了电机的绕组结构复杂度，另外需要两套控制器同时控制电机的磁悬浮力和转矩力的产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种集成绕组自悬浮永磁电机和控制系统及控制方法，将磁悬浮李绕组和转矩绕组集成为一套绕组，对集成绕组自悬浮永磁电机提出了一种通过对电机电枢绕组电流进行综合控制进而实现转矩与径向磁悬浮力的同时控制，解决了磁浮力绕组和转矩绕组还难以集成为一套的难题，并且提供一种综合的电流控制方法解决磁悬浮力和转矩一体化控制的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种集成绕组自悬浮永磁电机，定子上有6N个槽，转子为8N极，定子上每个槽内嵌绕有一个集中绕组线包，定子上每个齿上嵌绕一个集中绕组线包，六组定子绕组按照a1、c1、b1、a2、c2、b2的顺序依次在圆周方向上分布，a1、c1、b1组定子绕组形成一套三相绕组，a2、c2、b2形成另一套三相绕组。

一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制系统，包括：六相逆变器、控制器、实时采集电机转子位置的位置传感器、实时采集转子径向偏心位移的电涡流传感器、实时采集电机电枢绕组电流的电流传感器，

六相逆变器直流侧接直流电源，六相逆变器中两组三相桥臂的中点分别与两套三相绕组抽头连接，控制器输入端接收电机转子位置信号、转子径向偏心位移信号、电机电枢绕组电流信号，控制器输出端与六相逆变器中各开关器件的控制端连接；

所述控制器根据采集的转子位置信号、转子径向偏心位移信号、电机电枢绕组电流控制集成绕组自悬浮电机输出目标转矩并产生目标磁悬浮力。

一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法，包括如下步骤：

A、对采集的电机电枢绕组电流进行计算分析以获取产生转矩的三相电流和 产生磁悬浮力的三相电流；

B、根据采集的电机转子位置以及产生转矩的三相电流确定产生转矩的三相电流给定值；

C、在确定产生转矩的三相电流给定值的同时，根据采集的电机转子位置和电机电枢绕组电流以及转子径向偏心位移信号确定产生磁悬浮力的三相电流给定值；

D、根据产生转矩的三相电流给定值、产生磁悬浮力的三相电流给定值确定电机电枢绕组电流给定值，对电机电枢绕组电流给定值进行SVPWM控制得到六相逆变器的驱动信号。

进一步的，所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法中，步骤A采用如下表达式对采集的电机电枢绕组电流进行计算分析以获取产生转矩的三相电流和产生磁悬浮力的三相电流：

$I_{Tu}=\frac{I_1+I_4}{2}$

$I_{Tv}=\frac{I_3+I_6}{2}$

$I_{Tw}=\frac{I_5+I_2}{2}$

$I_{Bu}=\frac{I_1-I_4}{2},$

$I_{Bv}=\frac{I_3-I_6}{2}$

$I_{Bw}=\frac{I_5-I_2}{2}$

其中，I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆为六组电机电枢绕组电流，I_Tu、I_Tv、I_Tw为产生转矩的三相电流，I_Bu、I_Bv、I_Bw为产生磁悬浮力的三相电流。

再进一步的，所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法中，步骤B的具体方法为：

B1、对产生转矩的三相电流先进行Clark变换再进行Park变换得到产生转矩的d轴电流和产生转矩的q轴电流；

B2、根据采集的电机转子位置估计电机瞬时转速，对电机瞬时转速修正值进行调节得到产生转矩的q轴电流给定值，根据产生转矩的q轴电流给定值修正产生转矩的q轴电流，对产生转矩的q轴电流的修正值进行PID调节得到产生转 矩的q轴电压；

B3、采用Id＝0的控制方式修正产生转矩的d轴电流，对产生转矩的d轴电流的修正值进行PID调节得到产生转矩的d轴电压；

B4、对产生转矩的q轴电压、产生转矩的d轴电压先进行Park逆变换再进行Clark逆变换得到产生转矩的三相电流给定值。

作为所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法的进一步优化方案，步骤C的具体方法为：

C1、对产生磁悬浮力的三相电流先进行Clark变换再进行Park变换得到产生磁悬浮力的d轴电流和产生磁悬浮力的q轴电流；

C2、根据转子径向偏心位移给定值修正采集的转子径向偏心位移，对转子径向偏心位移修正值进行调节得到产生磁悬浮力的d轴电流给定值和产生磁悬浮力的q轴电流给定值；

C3、分别对产生磁悬浮力的d轴电流修正值和产生磁悬浮力的q轴电流修正值进行PID调节得到产生磁悬浮力的d轴电压和产生转矩的q轴电压；

C4、对产生磁悬浮力的d轴电压和产生转矩的q轴电压先进行Park逆变换再进行Clark逆变换得到产生磁悬浮力的三相电流给定值；

其中，以采集的电机转子位置的负值为Park变换以及Park逆变换的参考信号。

更进一步的，所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法中，步骤D采用如下表达式根据产生转矩的三相电流给定值、产生磁悬浮力的三相电流给定值确定电机电枢绕组电流给定值：

$I_1^{*}=\frac{I_{Tu}^{*}+I_{Bu}^{*}}{2}$

$I_2^{*}=\frac{I_{Tw}^{*}-I_{Bv}^{*}}{2}$

$\begin{array}{c}{I}_3^{*}=\frac{I_{Tv}^{*}+I_{Bw}^{*}}{2}\\ I_4^{*}=\frac{I_{Tu}^{*}-I_{Bu}^{*}}{2}\end{array},$

$I_5^{*}=\frac{I_{Tw}^{*}+I_{Bv}^{*}}{2}$

$I_6^{*}=\frac{I_{Tv}^{*}-I_{Bw}^{*}}{2}$

其中， 为六组电机电枢绕组电流给定值， 为产生转矩的三相电流给定值， 为产生磁悬浮力的三相电流给定值。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)提出了一种集成转矩绕组和磁悬浮绕组为一体的自悬浮永磁电机，大幅减小电机体积和重量，提高了电机运行效率和可靠性；

(2)集成绕组自悬浮电机的控制系统，从硬件组成和软件算法控制上实现了电磁转矩、径向悬浮力两套控制系统的一体化设计，提高了系统集成度，控制器体积和成本大幅减小；

(3)由于转矩和磁悬浮控制电流同时作用在一套定子绕组上，消除了传统磁悬浮电机转矩控制电流和磁悬浮控制电流磁场之间的相互影响，提高了系统控制精度。

附图说明

图1是传统磁悬浮电机的结构。

图2是自悬浮电机的结构。

图3是自悬浮永磁电机系统的原理架构。

图4是本发明的一种集成绕组自悬浮永磁电机的基本结构，1、定子铁心，2、转子铁心，3、集成绕组，4、永磁体。

图5是本发明的驱动集成绕组自悬浮永磁电机的六相全桥逆变器。

图6是本发明的集成绕组自悬浮永磁电机的控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图3所示为自悬浮永磁电机系统的原理架构，其主要由磁悬浮轴承及其混合磁轴承控制器和自悬浮电动机及其控制系统组成。本发明的集成绕组自悬浮永磁电机系统正是图3所示系统中的自悬浮电动机及其控制系统。

本发明的集成绕组自悬浮系统主要包括:二自由度自悬浮永磁电机、六相全桥逆变器及其控制器。如图4所示为本发明的一种集成绕组自悬浮永磁电机的基本结构，定子为6槽，转为8极，转子上永磁体采用了表贴式结构。定子上绕组为分数槽集中绕组结构形式，按照顺势正方向，定子上每个齿上分别安装一套电 枢绕组，依次为a1、c1、b1、a2、c2、b2，绕组a1、c1、b1、a2、c2、b2沿圆周方向依次分布。其中，绕组a1、b1、c1形成一个三相星形连接电路，并且引出三相绕组线，与六相逆变器前三组功率管桥臂的输出侧连接；同样，绕组a2、b2、c2形成一个三相星形连接电路，并且引出三相绕组线，与六相逆变器后三组功率管桥臂的输出侧连接。六套绕组与逆变器的连接如图5所示。

为了控制图4所示集成绕组自悬浮永磁电机电枢绕组上的电流，使其产生磁悬浮力和转矩，控制器需要按照图6所示控制原理框图采取以下控制方案：

首先通过电流传感器采集二自由度自悬浮永磁电机的电枢绕组的6路电流信号I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆，通过位置传感器检测到电机转子位置信号θ，采用电涡流传感器测量转子径向偏心位移在X方向和Y方向的分量x和y。六路电流传感器获取的电流信号通过计算分解获得产生转矩的三相电流I_Tu、I_Tv、I_Tw和产生径向X和Y方向的磁悬浮力的三相电流I_Bu、I_Bv、I_Bw，计算公式如下：

$I_{Tu}=\frac{I_1+I_4}{2}$

$I_{Tv}=\frac{I_3+I_6}{2}$

$I_{Tw}=\frac{I_5+I_2}{2}$

$I_{Bu}=\frac{I_1-I_4}{2}$

$I_{Bv}=\frac{I_3-I_6}{2}$

$I_{Bw}=\frac{I_5-I_2}{2}$

产生转矩的三相电流I_Tu、I_Tv、I_Tw和产生径向X和Y方向的磁悬浮力的三相电流I_Bu、I_Bv、I_Bw分别经过3/2变换后再经过旋转/静止坐标变换，得到产生转矩的d/q轴电流I_Td和I_Tq，产生磁悬浮力的d/q轴电流I_Bd和I_Bq。此处，对于产生转矩的三相电流I_Tu、I_Tv、I_Tw，旋转/静止坐标变换的转子位置参考信号为θ，而对于产生径向X和Y方向的磁悬浮力的三相电流I_Bu、I_Bv、I_Bw，旋转/静止坐标变换的转子位置参考信号为-θ。通过位置反馈信号计算出当前电机转速，与给定转速的偏差经过一个转速调节器，产生转矩的q轴电流给定值然后与产生转矩的q轴电流I_Tq相减产生的偏差值经过PID控制器得到产生转矩的q轴电压U_Tq，采用Id＝0的控制方式修正产生转矩的d轴电流，对产生转矩的d轴电 流的修正值进行PID调节得到产生转矩的d轴电压U_Td；而产生转矩的d轴电流给定值与产生转矩的d轴电流的I_Td相减，产生一个偏差值经过PID控制器后得到产生转矩的d轴电压U_Td。另外，电涡流传感器测量转子径向偏心位移在X方向和Y方向的分量x和y分别与径向X方向和Y方向位置给定信号x^*和y^*相减，产生的偏差经两个PID控制器得到产生磁悬浮力的d/q轴电流给定值和然后分别与产生磁悬浮力的d/q轴电流I_Bd和I_Bq相减，得到的两个偏差分别经过两个PID控制器后得到产生磁悬浮力的d/q轴电压U_Bd和U_Bq。

产生转矩的d/q轴电压U_Td和U_Tq经过静止/旋转坐标变换后再经过2/3变换得到产生转矩的三相电流给定值 产生磁悬浮力的d/q轴电压U_Bd和U_Bq经过静止/旋转坐标变换后再经过2/3变换得到产生磁悬浮力的三相电流给定值 此处，确定产生转矩的三相电流给定值 时采用的静止/旋转坐标变换以θ为转子位置参考信号，而确定产生磁悬浮力的三相电流给定值 时采用的静止/旋转坐标变换以-θ为转子位置参考信号。

得到产生转矩的三相电流给定值 和产生磁悬浮力的三相电流给定值 后，据此计算得到6组电流信号给定值，计算公式如下：

$I_1^{*}=\frac{I_{Tu}^{*}+I_{Bu}^{*}}{2}$

$I_2^{*}=\frac{I_{Tw}^{*}-I_{Bv}^{*}}{2}$

$I_3^{*}=\frac{I_{Tv}^{*}+I_{Bw}^{*}}{2}$

$I_4^{*}=\frac{I_{Tu}^{*}-I_{Bu}^{*}}{2}$

$I_5^{*}=\frac{I_{Tw}^{*}+I_{Bv}^{*}}{2}$

$I_6^{*}=\frac{I_{Tv}^{*}-I_{Bw}^{*}}{2}$

计算得到的第1、3、5组电流信号给定值 经过SVPWM模块的产生六个PWM信号驱动六相全桥逆变器的前三组逆变桥臂上的功率开关管；计 算得到的第2、4、6组电流信号给定值 经过SVPWM模块的产生六个PWM信号驱动六相全桥逆变器的后三组逆变桥臂上的功率开关管。

根据以上所述方法，可以控制六相逆变器输出相应的电流给电机的6套电枢绕组从而实现转矩和磁悬浮力一体化控制。

Claims (7)

1.一种集成绕组自悬浮永磁电机，定子上有6N个槽，转子为8N极，其特征在于：定子上每个齿上嵌绕一个集中绕组线包，六组定子绕组按照a1、c1、b1、a2、c2、b2的顺序依次在圆周方向上分布，a1、c1、b1组定子绕组形成一套三相绕组，a2、c2、b2形成另一套三相绕组。

2.权利要求1所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制系统，其特征在于，包括：六相逆变器、控制器、实时采集电机转子位置的位置传感器、实时采集转子径向偏心位移的电涡流传感器、实时采集电机电枢绕组电流的电流传感器，

六相逆变器直流侧接直流电源，六相逆变器中两组三相桥臂的中点分别与两套三相绕组抽头连接，控制器输入端接收电机转子位置信号、转子径向偏心位移信号、电机电枢绕组电流信号，控制器输出端与六相逆变器中各开关器件的控制端连接；

所述控制器根据采集的转子位置信号、转子径向偏心位移信号、电机电枢绕组电流控制集成绕组自悬浮电机输出目标转矩并产生目标磁悬浮力。

3.权利要求1所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、对采集的电机电枢绕组电流进行计算分析以获取产生转矩的三相电流和产生磁悬浮力的三相电流；

B、根据采集的电机转子位置以及产生转矩的三相电流确定产生转矩的三相电流给定值；

C、在确定产生转矩的三相电流给定值的同时，根据采集的电机转子位置和电机电枢绕组电流以及转子径向偏心位移信号确定产生磁悬浮力的三相电流给定值；

D、根据产生转矩的三相电流给定值、产生磁悬浮力的三相电流给定值确定电机电枢绕组电流给定值，对电机电枢绕组电流给定值进行SVPWM控制得到六相逆变器的驱动信号。

4.根据权利要求1所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法，其特征在于，步骤A采用如下表达式对采集的电机电枢绕组电流进行计算分析以获取产生转矩的三相电流和产生磁悬浮力的三相电流：

$I_{Tu}=\frac{I_1+I_4}{2}$

$I_{Tv}=\frac{I_3+I_6}{2}$

$I_{Tw}=\frac{I_5+I_2}{2}$

$I_{Bu}=\frac{I_1-I_4}{2},$

$I_{Bv}=\frac{I_3-I_6}{2}$

$I_{Bw}=\frac{I_5-I_2}{2}$

其中，I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆为六组电机电枢绕组电流，I_Tu、I_Tv、I_Tw为产生转矩的三相电流，I_Bu、I_Bv、I_Bw为产生磁悬浮力的三相电流。

5.根据权利要求4所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法，其特征在于，步骤B的具体方法为：

B1、对产生转矩的三相电流先进行Clark变换再进行Park变换得到产生转矩的d轴电流和产生转矩的q轴电流；

B2、根据采集的电机转子位置估计电机瞬时转速，对电机瞬时转速修正值进行调节得到产生转矩的q轴电流给定值，根据产生转矩的q轴电流给定值修正产生转矩的q轴电流，对产生转矩的q轴电流的修正值进行PID调节得到产生转矩的q轴电压；

B3、采用Id＝0的控制方式修正产生转矩的d轴电流，对产生转矩的d轴电流的修正值进行PID调节得到产生转矩的d轴电压；

B4、对产生转矩的q轴电压、产生转矩的d轴电压先进行Park逆变换再进行Clark逆变换得到产生转矩的三相电流给定值。

6.根据权利要求5所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法，其特征在于，步骤C的具体方法为：

C1、对产生磁悬浮力的三相电流先进行Clark变换再进行Park变换得到产生磁悬浮力的d轴电流和产生磁悬浮力的q轴电流；

C2、根据转子径向偏心位移给定值修正采集的转子径向偏心位移，对转子径向偏心位移修正值进行调节得到产生磁悬浮力的d轴电流给定值和产生磁悬浮力的q轴电流给定值；

C3、分别对产生磁悬浮力的d轴电流修正值和产生磁悬浮力的q轴电流修正值进行PID调节得到产生磁悬浮力的d轴电压和产生转矩的q轴电压；

C4、对产生磁悬浮力的d轴电压和产生转矩的q轴电压先进行Park逆变换再进行Clark逆变换得到产生磁悬浮力的三相电流给定值；

其中，以采集的电机转子位置的负值为Park变换以及Park逆变换的参考信号。

7.根据权利要求6所述一种集成绕组自悬浮永磁电机的控制方法，其特征在于，步骤D采用如下表达式根据产生转矩的三相电流给定值、产生磁悬浮力的三相电流给定值确定电机电枢绕组电流给定值：

$\begin{array}{c}{I}_1^{*}=\frac{I_{Tu}^{*}+I_{Bu}^{*}}{2}\\ I_2^{*}=\frac{I_{Tw}^{*}-I_{Bv}^{*}}{2}\\ I_3^{*}=\frac{I_{Tv}^{*}+I_{Bw}^{*}}{2}\\ I_4^{*}=\frac{I_{Tu}^{*}-I_{Bu}^{*}}{2}\\ I_5^{*}=\frac{I_{Tw}^{*}+I_{Bv}^{*}}{2}\\ I_6^{*}=\frac{I_{Tv}^{*}-I_{Bw}^{*}}{2}\end{array},$

其中，为六组电机电枢绕组电流给定值， 为产生转矩的三相电流给定值，为产生磁悬浮力的三相电流给定值。