CN106712619A - 基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无轴承永磁薄片电机控制技术中的基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统，悬浮力控制部分具有磁链观测模块，转矩控制部分采用霍尔传感器获得转矩绕组的电压分量和电流分量，电压分量和电流分量通过变换模块的变换后输出α‑β两相静止坐标系下的电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ，i_mα、i_mβ和u_mα、u_mβ分别输入至z轴振动抑制模块和磁链观测模块，经z轴振动抑制模块后得到d轴电流参考值；当薄片转子径向发生扰动时，通过对磁链的识别实现对悬浮力的闭环控制，通过对z轴偏移量的检测来对d轴电流参考值进行调整，对转子轴向振动进行有效抑制。

Description

基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统

技术领域

本发明涉及无轴承永磁薄片电机控制技术，具体是无轴承永磁薄片电机的轴向振动抑制系统。

背景技术

无轴承永磁薄片电机的转子呈短轴薄片状，在利用无轴承技术实现转子径向主动悬浮的基础上，依靠磁阻力实现转子轴向和扭转方向上三个自由度的被动磁悬浮，弥补了传统无轴承电机轴向利用率低、结构复杂、成本昂贵的缺点，简化了控制策略，使得整个电机系统的成本也大为降低。目前，传统无轴承电机需要五个自由度的主动控制才能实现真正意义上的悬浮，且需要额外电路对轴向振动进行抑制控制，因此控制系统复杂且易受到外界干扰。而无轴承永磁薄片电机由于其特殊的薄片转子结构，仅需对径向两自由度进行主动控制，轴向和扭转方向上三个自由度一般仅依靠磁阻力实现转子的被动悬浮，因此无轴承永磁薄片电机的控制系统简单且成本得到了降低，但由于当前对无轴承薄片电机的悬浮力主动控制仅停留在对径向两个自由度的控制，因此当有干扰力作用在薄片转子的轴向上时，薄片转子悬浮的稳定性将降低，如果干扰发生在临界转速时，薄片转子的振动将会加剧，因此，为了进一步提高无轴承永磁薄片电机的悬浮性能，需要采用相应的方法对薄片转子轴向振动进行抑制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机的轴向振动抑制系统，既可以实现无轴承永磁薄片电机径向两个自由度的稳定悬浮，当轴向发生扰动时，又能有效地抑制薄片转子轴向振动。

本发明基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统采用的技术方案是：由转矩控制部分和悬浮力控制部分组成，悬浮力控制部分具有磁链观测模块，转矩控制部分采用霍尔传感器获得转矩绕组的电压分量u_mA、u_mB、u_mC和电流分量i_mA、i_mB、i_mC，所述电压分量u_mA、u_mB、u_mC和电流分量i_mA、i_mB、i_mC通过3S/2S坐标变换模块的变换后输出α-β两相静止坐标系下的转矩绕组的电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ，电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ分别输入至z轴振动抑制模块和所述磁链观测模块，经z轴振动抑制模块后得到d轴电流参考值i_d ^*。

进一步地，z轴振动抑制模块由z轴位置估测模块和位移/电流转换模块两个部分组成，所述电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ由所述z轴位置估测模块经式计算获得z轴偏移量Z：所述位移/电流转换模块通过公式将z轴偏移速度转化为d轴电流参考值i_d ^*，k_G为转子轴向位置变化率与d-q坐标系下的电流分量i_d的比例系数，L_m为转矩绕组的电感，ψ_f和θ分别为转子永磁体磁链和转子位置角，ψ_fα和ψ_fβ分别为ψ_f在α-β轴上的分量，k为ψ_f在z轴上随位移变化的速率，ψ_fm是ψ_f是的最大值。

本发明采用上述技术方案后的优点在于：

1、当薄片转子径向发生扰动时，传统的无轴承永磁薄片电机通过径向位移的闭环控制来间接实现悬浮力稳定控制，悬浮力控制的精度和动态响应性能将受到限制。本发明通过对磁链的识别实现对悬浮力的闭环控制，悬浮力控制具有较高的控制精度和较快的响应速度。

2、本发明能对薄片转子轴向振动进行有效抑制，通过对z轴偏移量的检测来对d轴电流参考值进行调整，从而实现对永磁薄片转子轴向振动进行有效抑制。

3、本发明通过对薄片转子磁链检测来估算薄片转子轴向偏移量，不需要添加额外的轴向位移传感器，减少成本。

4、本发明不仅可以实现无轴承永磁薄片电机径向两个自由度的稳定悬浮，而且在不增加任何成本的前提下实现对轴向振动的有效抑制，相比于传统的控制，电机运行的稳定性得到了大大提高。

附图说明

图1是本发明基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统的结构框图；

图2是图1中Z轴振动抑制模块的原理图；

图3是是图1中磁链观测模块的原理图；

图中：1、2、3.PI调节器；4.2R/2S坐标变换模块；5.空间矢量脉宽调制模块；6.电压源逆变器；7.3S/2S坐标变换模块；8.z轴振动抑制模块；9.转速计算模块；10.3S/2R坐标变换模块；11.电角度换算模块；12、13.PID模块；14.力/磁链转换模块；15.空间矢量脉宽调制模块；16.电压源逆变器；17.3S/2S坐标变换模块；18.磁链观测模块；19.悬浮力估算模块；20、21.霍尔传感器；22.位移信息转换模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明由转矩控制部分和悬浮力控制部分组成，转矩控制部分用于生成无轴承永磁薄片电机的转矩绕组控制电压源逆变器开关信号，驱动逆变器对电机转矩进行控制；悬浮力控制部分用于生成悬浮力绕组控制电压逆变器开关信号，驱动逆变器对悬浮力绕组磁链和两自由度径向悬浮力进行闭环控制。

转矩控制部分由三个PI调节器1、2、3、一个2R/2S坐标变换模块4(即park坐标变换模块)、一个空间矢量脉宽调制模块5、一个电压源逆变器6、一个3S/2S坐标变换模块7(即clark坐标变换模块)、一个z轴振动抑制模块8、一个转速计算模块9、一个3S/2R坐标变换模块10(即park坐标变换模块)和一个电角度换算模块11组成。悬浮力控制部分由两个PID模块12、13、一个力/磁链转换模块14、一个空间矢量脉宽调制模块15、一个电压源逆变器16、一个3S/2S坐标变换模块17、一个磁链观测模块18、一个悬浮力估算模块19和一个位移信息转换模块22组成。

对于转矩控制部分，采用霍尔传感器21检测无轴承永磁薄片电机的转矩绕组，获得转矩绕组的电压分量u_mA、u_mB、u_mC和电流分量i_mA、i_mB、i_mC，霍尔传感器21的输出端分别连接3S/2R坐标变换模块10和3S/2S坐标变换模块7。电角度换算模块11检测无轴承永磁薄片电机的的转子获得转子位置角θ，电角度换算模块11的输出端分别连接2R/2S坐标变换模块4、转速计算模块9和3S/2R坐标变换模块10的输入端。电流分量i_mA、i_mB、i_mC和转子位置角θ输入至3S/2R坐标变换模块10，经3S/2R坐标变换模块10变换后输出d-q坐标系下的电流分量i_d和i_q。转子位置角θ经转速计算模块9获得实际转速ω。电压分量u_mA、u_mB、u_mC和电流分量i_mA、i_mB、i_mC输入给3S/2S坐标变换模块7，通过3S/2S坐标变换模块7的变换后输出α-β两相静止坐标系下的转矩绕组的电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ。3S/2S坐标变换模块7的输出端分别连接z轴振动抑制模块8和磁链观测模块18的输入端，电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ输入至z轴振动抑制模块8和磁链观测模块18，电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ经z轴振动抑制模块8后得到d轴电流参考值i_d ^*。

将转速参考值ω^*与转速计算模块9输出的实际转速ω作比较，比较的差值输入给第一个PI调节器1，经PI调节后输出q轴电流参考值i_q ^*。将该q轴电流参考值i_q ^*和3S/2R坐标变换模块10输出的电流分量i_q作比较，比较的差值输入给第二个PI调节器2，经第二个PI调节器2调节后输出d-q旋转坐标系下的电压分量参考值u_mq ^*。

将z轴振动抑制模块8输出的d轴电流参考值i_d ^*和3S/2R坐标变换模块10输出的电流分量i_d作比较，比较的差值输入给第三个PI调节器3，经第三个PI调节器3调节后输出d-q旋转坐标系下的电压分量参考值u_md ^*。第二个PI调节器2和第三个PI调节器3的输出端均连接2R/2S坐标变换模块4的输入端。2R/2S坐标变换模块4对输入的转子位置角θ、电压分量参考值u_md ^*、u_mq ^*进行坐标变换后得到得到两相静止坐标系下的电压分量u_mα ^*和u_mβ ^*。2R/2S坐标变换模块4的输出端依次串接空间矢量脉宽调制模块5和电压源逆变器6，电压分量u_mα ^*和u_mβ ^*经空间矢量脉宽调制模块5后生成开关信号S₁(A)、S₁(B)和S₁(C)，由电压源逆变器6驱动电机，使无轴承永磁薄片电机在稳定旋转的同时通过对d轴参考电流i_d ^*的调节来有效抑制薄片转子轴向上的振动。

对于悬浮力控制部分，采用通过霍尔传感器20检测无轴承永磁薄片电机的悬浮力绕组，获得悬浮力绕组的电流分量i_sA、i_sB、i_sC。霍尔传感器20的输出端连接3S/2S坐标变换模块17的输入端，霍尔传感器20将电流分量i_sA、i_sB、i_sC输入给3S/2S坐标变换模块17，经3S/2S坐标变换模块17变换输出α-β两相静止坐标系下的悬浮力绕组的电流分量i_sα和i_sβ。3S/2S坐标变换模块17的输出端连接磁链观测模块18的输入端，磁链观测模块18对3S/2S坐标变换模块17输出的电流分量i_sα、i_sβ以及转矩部分中的3S/2S坐标变换模块7输出的电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ进行处理，得到转矩绕组合成气隙磁链的幅值ψ及相位以及悬浮力绕组定子磁链幅值ψ_s及相位。磁链观测模块18的输出端分别连接力/磁链转换模块14和悬浮力估算模块19的输入端，转矩绕组合成气隙磁链的幅值ψ及相位输入给力/磁链转换模块14，转矩绕组合成气隙磁链的幅值ψ及相位以及悬浮力绕组定子磁链幅值ψ_s及相位同时输入给悬浮力估算模块19，经悬浮力估算模块19得到悬浮力估算值F_α和F_β。由位移信息转换模块22获得无轴承永磁薄片电机的转子实时径向偏移量x和y，将x和y与分别与对应的位移参考值x^*和y^*进行对比，对比的差值分别输入给对应的一个PID模块，y与y^*对比的差值经PID模块12后输出径向悬浮力参考值F_β ^*，x与x^*对比的差值经PID模块13后输出径向悬浮力参考值F_α ^*，将径向悬浮力参考值F_α ^*和F_β ^*与悬浮力估算模块19输出的悬浮力估测值F_α和F_β分别作差比较，得到悬浮力增值△F_α和△F_β，将悬浮力增值△F_α、△F_β输入给力/磁链转换模块14。力/磁链转换模块14对输入的悬浮力增值△F_α、△F_β以及磁链观测模块19输出的转矩绕组合成气隙磁链幅值ψ和相位进行转换，输出悬浮力绕组磁链增量△ψ_α和△ψ_β。力/磁链转换模块14的输出端依次连接空间矢量脉宽调制模块15和电压源逆变器16。力/磁链转换模块14将悬浮力绕组磁链增量△ψ_α和△ψ_β输入给空间矢量调制模块15，空间矢量调制模块15生成开关信号S₂(A)、S₂(B)和S₂(C)，经电压源逆变器16驱动无轴承永磁薄片电机，实现电机的稳定悬浮。

如图2所示，z轴振动抑制模块8由z轴位置估测模块和位移/电流转换模块两个部分组成。z轴位置估测模块通过对电机转子磁链的检测来估算转子轴向位移的偏移量，不需要增加额外的电涡流位移传感器即可实现对轴向位移的估算。

转矩绕组的电流、电压分量i_mα、i_mβ、u_mα、u_mβ经过z轴振动抑制模块8的z轴位置估测模块，z轴位置估测模块经以下公式计算获得z轴偏移量Z：

当电机的转矩绕组中不通入d轴电流分量i_d时，轴向恢复力F_z正比于轴向位移即：F_z＝-k_s·Z，其中k_s为i_d＝0时的被动悬浮力轴向位移刚度，Z为转子轴向偏移量。当干扰力作用于转子轴向时，转子将会发生振动，若不采取方法对振动进行抑制将不利于转子的稳定悬浮，尤其是转速接近临界转速时，振动现象将会加剧，因此，本发明在转矩绕组中通入d轴电流分量i_d改变励磁磁场来调整轴向位移刚度系数k_z，进而控制轴向恢复力的大小(当通入正向电流时k_z增大，反之则减少)。通过电磁仿真软件ansoft可以得到i_d与k_z的关系近似为线性，可以表示为：

k_z＝k_s+k_zii_d (1)

其中k_s为i_d＝0时的被动悬浮力轴向位移刚度系数，k_zi为通入i_d时位移刚度系数的变化率。

转子轴向运动方程为：

其中m为转子质量，k_d为阻尼系数，k_z为轴向位移刚度，g为重力加速度；

为了产生需要的阻尼力，i_d需正比于转子轴向位置变化速率，所以d轴电流分量参考值i_d ^*可以表示为

其中k_G为转子轴向位置变化率与d-q坐标系下的电流分量i_d的比例系数。

将式(1)和式(3)带入(2)得

因此可以通过对i_d的调节来改变薄片转子在振动时所受到的阻尼力，从而有效抑制薄片转子在z轴方向的振动，进而实现转子的稳定悬浮，改善电机的运行性能。因此，位移/电流转换模块通过公式将z轴偏移的速度转化为d轴电流参考值i_d ^*，通过对d轴电流参考值i_d ^*的调节来改善电机转子的轴向恢复力，实现对轴向振动的有效抑制。

在阻尼力产生过程中，由式(3)知要对转子z轴偏移量进行检测，从而确定d轴电流参考值i_d ^*。本发明通过对薄片转子磁链的检测来估算转子轴向位移的偏移量，不需要增加额外的电涡流位移传感器。由于无轴承永磁薄片电机的转矩输出原理与永磁电机相同，依据电机统一原理，转矩绕组电压方程为：

其中R_m和L_m分别为为电机转矩绕组的电阻和电感，u_mα、u_mβ、i_mα、i_mβ和e_mα、e_mβ分别为电机转矩绕组α-β轴上的电压分量、电流分量和反电势分量。

由传统永磁同步电机知：

其中ω_e、ψ_f和θ分别为电机电角速度、转子永磁体磁链和转子位置角θ。

将式(6)带入式(5)中：

对式(6)进行积分得：

其中ψ_fα和ψ_fβ为ψ_f在α-β轴上的分量：

将式(8)进行积分得：

从式(9)中可以看出ψ_f和转矩绕组的电流和电压的关系，因此通过绕组中的电流和电压计算出转子永磁体磁链ψ_f。

通过电磁仿真软件ansoft可以得知转子永磁体磁链ψ_f和转子轴向偏移z存在线性关系，且转子处于中心位置(z＝0)时ψ_f是最大值，记为ψ_fm，则ψ_f可以表示为：

ψ_f＝ψ_fm(kZ+1) (10)

其中k为ψ_f在z轴上随位移变化的速率。

因此ψ_f在α-β轴上的分量为：

通过式(11)可以得到：

由式(12)可以估算出转子在z轴上的偏移量Z，将检测到的转子轴向偏移量输出给位移/电流转换得到转矩绕组d轴电流参考值i_d ^*。

如图3所示，磁链观测模块18通过以下公式计算得到转矩绕组合成气隙磁链的幅值ψ及相位φ₁以及悬浮力绕组定子磁链幅值ψ_s及相位φ₂：

其中，ψ_mα和ψ_mβ为转矩绕组定子磁链在α-β轴上的分量，ψ_α和ψ_β为转矩绕组合成气隙磁链在α-β轴上的分量，R_m为转矩绕组电阻，L_mσ为转矩绕组漏感，R_s为悬浮力绕组电阻。

结合图1，将ψ、φ₁、ψ_s和φ₂同时输入给悬浮力估算模块19，悬浮力估算模块19经过公式计算后输出悬浮力估算值F_α和F_β，其中K_F为悬浮力常量。将悬浮力增值△F_α、△F_β以及磁链观测模块18输出的转矩绕组合成气隙磁链幅值ψ和相位φ输入给力/磁链转换模块14，力/磁链转换模块14经过公式计算后输出悬浮力绕组磁链增量△ψ_α和△ψ_β。

Claims (6)

1.一种基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统，由转矩控制部分和悬浮力控制部分组成，悬浮力控制部分具有磁链观测模块(18)，转矩控制部分采用霍尔传感器获得转矩绕组的电压分量u_mA、u_mB、u_mC和电流分量i_mA、i_mB、i_mC，其特征是：所述电压分量u_mA、u_mB、u_mC和电流分量i_mA、i_mB、i_mC通过3S/2S坐标变换模块(7)的变换后输出α-β两相静止坐标系下的转矩绕组的电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ，电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ分别输入至z轴振动抑制模块(8)和所述磁链观测模块(18)，经z轴振动抑制模块(8)后得到d轴电流参考值i_d ^*。

2.根据权利要求1所述基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统，其特征是：z轴振动抑制模块(8)由z轴位置估测模块和位移/电流转换模块两个部分组成，所述电流分量i_mα、i_mβ和电压分量u_mα、u_mβ由所述z轴位置估测模块经式ψ_f＝ψ_fm(kz+1),计算获得z轴偏移量Z：所述位移/

电流转换模块通过公式将z轴偏移速度转化为d轴电流参考值i_d ^*，k_G为转子轴向位置变化率与d-q坐标系下的电流分量i_d的比例系数，L_m为转矩绕组的电感，ψ_f和θ分别为转子永磁体磁链和转子位置角，ψ_fα和ψ_fβ分别为ψ_f在α-β轴上的分量，k为ψ_f在z轴上随位移变化的速率，ψ_fm是ψ_f是的最大值。

3.根据权利要求1所述基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统，其特征是：磁链观测模块(18)通过下式计算得到转矩绕组合成气隙磁链的幅值ψ及相位φ₁以及悬浮力绕组定子磁链幅值ψ_s及相位φ₂：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{m\mathrm{\α}}=(u_{m\mathrm{\α}}-R_m{i}_{m\mathrm{\α}})dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{m\mathrm{\β}}=(u_{m\mathrm{\β}}-R_m{i}_{m\mathrm{\β}})dt\end{array}\right.,\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{\ψ}}_{m\mathrm{\α}}-L_{m\mathrm{\σ}}{i}_{m\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}={\mathrm{\ψ}}_{m\mathrm{\β}}-L_{m\mathrm{\σ}}{i}_{m\mathrm{\β}}\end{array},$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}=\∫(u_{s\mathrm{\α}}-R_s{i}_{s\mathrm{\α}})dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}=\∫(u_{s\mathrm{\β}}-R_s{i}_{s\mathrm{\β}})dt\end{array}\right.,$

ψ_mα和ψ_mβ分别为转矩绕组定子磁链在α-β轴上的分量，ψ_α和ψ_β为转矩绕组合成气隙磁链在α-β轴上的分量，R_m为转矩绕组电阻，L_mσ为转矩绕组漏感，R_s为悬浮力绕组电阻。

4.根据权利要求3所述基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统，其特征是：转矩绕组合成气隙磁链的幅值ψ及相位φ₁以及悬浮力绕组定子磁链幅值ψ_s及相位φ₂输入给悬浮力估算模块(19)，悬浮力估算模块(19)经式计算后输出悬浮力估算值F_α和F_β，K_F为悬浮力常量。

5.根据权利要求4所述基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统，其特征是：转子实时径向偏移量x和y分别与对应的位移参考值x^*和y^*对比，对比的差值分别经对应的PID模块后输出径向悬浮力参考值F_α ^*、F_β ^*，将F_α ^*和F_β ^*与悬浮力估测值F_α和F_β分别比较得到悬浮力增值△F_α和△F_β；悬浮力增值△F_α、△F_β以及转矩绕组合成气隙磁链幅值ψ和相位输入给力/磁链转换模块(14)，力/磁链转换模块(14)经式计算后输出悬浮力绕组磁链增量△ψ_α和△ψ_β，再经空间矢量调制模块(15)生成开关信号。

6.根据权利要求1所述基于磁链辨识的无轴承永磁薄片电机轴向振动抑制系统，其特征是：将z轴振动抑制模块(8)输出的d轴电流参考值i_d ^*和电流分量i_d作比较，比较的差值经PI调节后输出d-q旋转坐标系下的电压分量参考值u_md ^*；将转速参考值ω^*与实际转速ω作比较，经PI调节后输出q轴电流参考值i_q ^*，将该q轴电流参考值i_q ^*和电流分量i_q作比较，比较的差值经PI调节后输出d-q旋转坐标系下的电压分量参考值u_mq ^*；电压分量参考值u_md ^*、u_mq ^*进行坐标变换后得到得到两相静止坐标系下的电压分量u_mα ^*和u_mβ ^*，再经空间矢量脉宽调制模块(5)生成开关信号。