CN108199639B - 六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法。本发明电机定子上同时嵌入两套绕组：一套为嵌套在定子磁极上的线圈构成的六相绕组，另一套为嵌放在永磁体槽中的主悬浮绕组，产生转子需要的主悬浮力。六相绕组中同时流过转矩电流和悬浮电流，产生满足负载需要的转矩及转子悬浮需要的补偿悬浮。从满足转子悬浮力需要情况下，六相悬浮电流分量、三相悬浮电流产生的铜损耗最小，从而实现电机体积不变时，转子可产生的悬浮力最大，改善了转子悬浮子系统的动态性能。

Description

六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法。

背景技术

定子永磁型磁通切换电机(FSPMM)把永磁体嵌入定子上，转子为凸极式铁心结构，所以该种电机具有永磁体散热容易、转子适宜高速运行等优点，若把无轴承技术拓展至该种电机上，构建无轴承定子永磁型磁通切换电机(BFSPMM)则会产生巨大的经济社会价值。

BFSPMM定子上一般具有12个U型铁芯冲片、12个沿切向充磁的永磁体，从而构成12个定子磁极，每一个定子磁极上套上线圈，共计12个线圈。可以把这12线圈通过合理的连接构成3相绕组或6相绕组。为了实现转子悬浮力的产生，需要对该种电机气隙磁场进行调制，即增强磁场或减弱磁场，使得该种电机永磁体用量少于机械轴承支撑FSPMM。

根据上述BFSPMM结构介绍，可见由于该种电机定子上既有永磁体，又有铁芯，使得该种电机定子槽空间很小，这样导致在槽中嵌放线圈安匝数受到严重制约，如何利用有限的定子槽空间同时产生足够的转矩和悬浮力输出是一个迫切要解决的科学问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法。利用放置在永磁体槽中的主悬浮绕组产生主悬浮力，利用套在定子磁极上的六相绕组在满足转矩输出需要同时产生补偿悬浮力，从而充分利用电机定子空间产生足够的转子悬浮力，改善转子悬浮动态性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法，其包括以下步骤：步骤S1：根据转子切向旋转控制性能需要，由转子切向旋转控制器输出dq转子同步旋转坐标系中dq轴电流给定值步骤S2：把dq轴电流给定值 旋转变换至αβ静止坐标系，得αβ轴电流分量如下：

步骤S3：利用T₆变换矩阵把六相绕组电流i_A～i_F变换至αβ静止坐标系中得i_α、i_β，步骤S4：根据i_αi_β以及转子切向位置角θ_r算出此时的悬浮力系数k_xj、k_yj，j＝f1、f2、f3、f4，其采用的计算公式如下：

其中，k_xfj、k_yfj，j＝f1、f2、f3、f4，代表f1、f2、f3、f4轴通1A电流时，其与永磁体配合后产生的x方向、y方向悬浮力；k_xij、k_yij，i＝α、β，j＝f1、f2、f3、f4代表f1、f2、f3、f4轴和α、β轴分别通1A电流时产生的x方向、y方向悬浮力；步骤S5：基于最小铜耗原则，根据悬浮力系数k_xj、k_yj，j＝f1、f2、f3、f4，x、y方向悬浮力给定六相绕组电阻R_t以及三相主悬浮绕组电阻R_f计算得到辅助系数λ₁、λ₂；步骤S6：根据k_xj、k_yj，j＝f1、f2、f3、f4，R_t，R_f以及λ₁、λ₂算出最小铜耗原则下的f1、f2、f3、f4轴电流给定值其采用的计算公式如下：

步骤S7：令o1、o2、o3轴电流给定值为0，利用T₉变换矩阵的逆矩阵把 变换至自然坐标系中得六相绕组电流给定值及三相主悬浮绕组电流给定值步骤S8：把实际六相绕组电流i_A～i_F以及实际三相主悬浮绕组电流i_a～i_c传输至各自的电流控制器，使实际电流跟踪各自的给定值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明方法同现有的单绕组和双绕组无轴承磁通切换电机驱动方法相比较，具有如下优点：(1)使用两套不同类型定子槽中的绕组，分别产生转子主悬浮力和补偿性悬浮力，实现一定的槽面积下，转子最大悬浮力输出，有效提高了转子悬浮子系统的动态响应性能；(2)由于采用嵌放于不同类型槽中的两套绕组结构同时输出转子悬浮力，所以即使其中一套绕组或对应的变换器发生故障，转子也能实现稳定悬浮运行，从而有效提高了驱动系统的可靠运行能力。

附图说明

图1为本发明涉及的六相和三相双绕组无轴承定子永磁型磁通切换电机横截面。

图2为本发明涉及的六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通切换电机驱动控制框图。

图3为本发明的实施例驱动系统硬件结构示意图。

图4为六相绕组基波平面坐标系示意图。

图5为三相主悬浮绕组基波平面坐标系示意图。

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解释说明。

为了避免现有技术的不足，本发明提出一种六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法。电机定子上同时嵌入两套绕组：一套为嵌套在定子磁极上的线圈构成的六相绕组，另一套为嵌放在永磁体槽中的主悬浮绕组，产生转子需要的主悬浮力。六相绕组中同时流过转矩电流和悬浮电流，产生满足负载需要的转矩及转子悬浮需要的补偿悬浮。从满足转子悬浮力需要情况下，六相悬浮电流分量、三相悬浮电流产生的铜损耗最小，从而实现电机体积不变时，转子可产生的悬浮力最大，改善了转子悬浮子系统的动态性能。对应的六相和三相双绕组无轴承定子永磁型磁通切换电机横截面如图1所示。A～F为六相绕组结构，a～c为三相主悬浮绕组。扣除绕组后，电机横截面与通常的定子永磁型磁通切换电机类似，定子也是由12个U型铁芯冲片构成，相邻的两个U型冲片之间夹着一个沿切向充磁的永磁体。但永磁体用量少，存在永磁体槽空间。该电机存在空间对称的三对绕组：A相和D相绕组空间对称、B相和E相绕组空间对称、C相和F相绕组对称。若绕组中没有悬浮电流流过，则每一对称绕组下方空间对称的气隙磁场(偏置磁场)完全相同，磁场对转子产生的麦克斯韦力等于零；但若绕组中流过悬浮电流后，每一对称绕组下方空间对称的气隙磁场不再相等，其中一个减弱，另一个增强，气隙磁场减弱值等于增加值，对转子产生一个与磁场增强方向同方向的麦克斯韦力。三对绕组分别在空间产生某一方向的麦克斯韦力，最终对转子产生一个合成的悬浮力补偿量。另外，a～c悬浮绕组流过悬浮电流后，在空间产生方向互差120度的悬浮力，从而合成出转子悬浮所需要的主悬浮力。

本发明方法的控制原理框图如图2所示。根据转子切向旋转控制性能需要，由转子切向旋转控制器输出dq转子同步旋转坐标系中dq轴电流给定值把旋转变换至αβ静止坐标系得利用T₆变换矩阵把六相绕组电流i_A～i_F变换至αβ静止坐标系中得i_α、i_β；根据i_α、i_β以及转子切向位置角θ_r算出此时的悬浮力系数k_xj、k_yj(j＝f1、f2、f3、f4)；根据x和y方向转子径向偏移量及其给定值，计算对应的转子径向偏移控制误差△x、△y；把△x、△y分别送给x和y方向径向位移控制器，输出x和y方向悬浮力给定值基于最小铜耗原则，根据悬浮力系数k_xj、k_yj(j＝f1、f2、f3、f4)，x、y方向悬浮力给定六相绕组电阻R_t以及三相主悬浮绕组电阻R_f计算得到辅助系数λ₁、λ₂；根据k_xj、k_yj(j＝f1、f2、f3、f4)，R_t，R_f以及λ₁、λ₂算出最小铜耗原则下的f1、f2、f3、f4轴电流给定值令o1、o2、o3轴电流给定值为0，利用T₉变换矩阵的逆矩阵把 变换至自然坐标系中得六相绕组电流给定值及三相主悬浮绕组电流给定值再借助于电流控制器实现实际六相绕组电流i_A～i_F以及实际三相主悬浮绕组电流i_a～i_c跟踪给定值，从而实现转子切向旋转同时转子径向悬浮。

本发明的实施例驱动系统硬件结构如图3所示。包括：整流电路、滤波电容、六相逆变器、三相逆变器、无轴承磁通切换电机、六相绕组电流采集电路、三相绕组电流采集电路、隔离驱动、中央控制器、人机接口、转子位置角检测电路、xy方向转子径向位移采集电路。逆变器中功率管采用IGBT或MOFET，中央控制器采用DSP或单片机。绕组电流采集电路采用霍尔电流传感器与运算放大器相结合方式构成，也可以采用绕组串功率电阻后接差分运算放大器相结合方式构成。采用霍尔方案可以有效实现控制回路与主回路的电气隔离，采用绕组串功率电阻方案可以降低驱动系统成本。转子位置角检测电路可以由旋转编码器后接电平转换电路构成，也可以由旋转变压器后接解码电路构成。xy方向转子径向位移采集通道由径向位移传感器和电平转换电路构成，径向位移传感器可以采用电涡流传感器，电平转换电路可以采用运算放大器构成。绕组电流采集电路、转子位置角检测电路、xy方向转子径向位移采集电路输出弱电压信号送到中央控制器A/D转换模块。根据取得的信号和本发明的驱动方法计算出应发出的控制信号，经由隔离驱动去控制六相逆变器和三相逆变器中的功率开关管的开关动作。最终实现转子径向悬浮状态的切向旋转运行。

本发明所研究的六相和三相双绕组BFSPMM的结构如图1所示。其转子共有10极，转子上无绕组和永磁体。定子上嵌有12个沿切向充磁的永磁体，相邻的两个永磁体充磁方向相反。此外，定子上还有A、B、C、D、E、F六相绕组和a、b、c三相主悬浮绕组。其中，每一相六相绕组由两个线圈组成，而每一相三相绕组由四个线圈组成。六相绕组和三相绕组各连接成星型接法，两套绕组中性点隔离且中性点都不引出。

该BFSPMM六相绕组与三相主悬浮绕组的基波平面坐标定义分别如图4、5所示。图中，αβ和f3f4为静止坐标系，dq为转子同步旋转坐标系。图4中，θ_r、ω_r分别为BFSPMM转子切向位置角与角速度，当BFSPMM处于图1位置(转子齿中心线和A1线圈轴线重合)时θ_r为0。ψ_f为六相绕组基波平面的转子磁链矢量，该矢量位于d轴上。由于六相绕组共有6个自由度，除基波平面的2个自由度外，还有4个自由度，本文定义该自由度所在轴为f1f2o1o2轴。三相主悬浮绕组共有3个自由度，除f3f4平面的2个自由度外，还有1个自由度，本文定义该自由度所在轴o3轴。

为了更方便地控制该电机，把该BFSPMM的电流与磁链变换到αβf1f2o1o2f3f4o3九相静止坐标系中，所使用的九阶恒功率变换矩阵为：

其中，T₆、T₃分别为六阶、三阶恒功率变换矩阵，其表达式如下：

则静止坐标系下的电流表达式为：

为了更方便地控制电机，选择如下旋转变换矩阵将αβ静止坐标系中的量变换至dq转子同步旋转坐标系中：

则αβ静止坐标系中的电流可变换为：

忽略凸极效应，则该BFSPMM的转矩表达式与普通六相隐极式永磁同步电机相同，其表达式为：

其中，ψ_f为六相绕组中耦合的永磁磁链峰值。

对该BFSPMM来说，忽略磁饱和的影响，若永磁体、α轴电流、β轴电流、f1轴电流、f2轴电流、f3轴电流、f4轴电流在气隙中的一点产生的磁密分别为B_f、B_α、B_β、B_f1、B_f2、B_f3、B_f4，则在电机气隙中空间对称的另一点产生的气隙磁密分别为B_f、B_α、B_β、-B_f1、-B_f2、-B_f3、-B_f4，则该空间对称两点处的单位面积受到的麦克斯韦力的合力σ为：

其中，μ₀为空气磁导率。

由式(8)可得，BFSPMM的悬浮力是由永磁体、α轴电流、β轴电流产生的磁密和f1轴电流、f2轴电流、f3轴电流、f4轴电流产生的磁密相互配合产生的。忽略磁饱和后，在永磁体、α轴电流、β轴电流产生的磁密不变的情况下，悬浮力的大小与f1轴电流、f2轴电流、f3轴电流、f4轴电流产生的磁密成正比，由于磁密的大小与电流成正比，故悬浮力的大小与f1轴电流、f2轴电流、f3轴电流、f4轴电流成正比。则该BFSPMM的x、y方向的悬浮力表达式可以写为：

其中，k_xfj、k_yfj(j＝f1、f2、f3、f4)代表f1、f2、f3、f4轴通1A电流时，其与永磁体配合后产生的x方向、y方向方向悬浮力。k_xij、k_yij(i＝α、β，j＝f1、f2、f3、f4)代表f1、f2、f3、f4轴和α、β轴分别通1A电流时产生的x方向、y方向悬浮力。以上系数均与θ_r有关，可以通过有限元分析软件Ansoft仿真或实验测得。k_xj、k_yj(j＝f1、f2、f3、f4)代表f1、f2、f3、f4轴通1A电流时，产生的x方向、y方向悬浮力，其与电机的具体工作状态有关，即与θ_r、α轴电流、β轴电流有关。

根据式(7)可知，可由传统的电机控制方法如矢量控制得到d、q轴电流给定，从而得到α、β轴电流给定。对于本发明所研究的BFSPMM来说，除了要控制切向转矩外，还需要控制六相绕组中的悬浮电流分量与三相主悬浮绕组中的悬浮电流，以实现互补悬浮控制。由于六相绕组与三相主悬浮绕组的中性点均未引出，o1和o3轴电流恒为0。根据式(9)可知，o2轴上电流与悬浮力无关，为降低电机损耗，令o2轴上电流给定值为0。为了降低电机的铜耗，基于最小铜耗原则控制f1、f2、f3、f4轴上的电流。具体的控制框图见图2。

为使电机在最小铜耗下实现互补悬浮，则有如下约束条件：

其中，F^* _x和F^* _y分别代表x与y方向的径向悬浮力给定，其值可以通过径向偏心位移的PID闭环得到。i_f1 ^*、i_f2 ^*、i_f3 ^*、i_f4 ^*分别代表f1、f2、f3、f4轴的电流给定。

为了求解式(10)，建立如下辅助函数：

其中，λ₁和λ₂是辅助系数。

对式(11)求i_f1 ^*、i_f2 ^*、i_f3 ^*、i_f4 ^*、λ₁、λ₂的偏导，可得：

由式(12)可得：

由式(13)、(14)可得：

则电流给定值i_f1 ^*、i_f2 ^*、i_f3 ^*、i_f4 ^*可化为如下关于λ₁、λ₂的表达式：

此时，由式(17)可以计算出悬浮轴系f1、f2、f3、f4的电流给定值，再由矢量控制算出α、β轴的电流给定值，令o1、o2、o3轴电流给定值为0。利用T₉变换矩阵的逆矩阵把 变换至自然坐标系中得六相绕组电流给定值及三相主悬浮绕组电流给定值其采用的计算公式如下：

式(18)已得到自然坐标系下的相电流给定值，利用电流控制器实现实际六相绕组电流i_A～i_F以及实际三相主悬浮绕组电流i_a～i_c跟踪给定值，即可在实现转子切向旋转的同时实现转子径向悬浮。

本发明一实施例中六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法包括如下步骤：(1)根据转子切向旋转控制性能需要，由转子切向旋转控制器输出dq转子同步旋转坐标系中dq轴电流给定值

(2)把dq轴电流给定值旋转变换至αβ静止坐标系，得αβ轴电流分量如下：

(3)利用T₆变换矩阵把六相绕组电流i_A～i_F变换至αβ静止坐标系中得i_α、i_β，其采用的计算公式如下：

(4)根据i_αi_β以及转子切向位置角θ_r算出此时的悬浮力系数k_xj、k_yj(j＝f1、f2、f3、f4)，其采用的计算公式如下：

其中，k_xfj、k_yfj(j＝f1、f2、f3、f4)代表f1、f2、f3、f4轴通1A电流时，其与永磁体配合后产生的x方向、y方向方向悬浮力。k_xij、k_yij(i＝α、β，j＝f1、f2、f3、f4)代表f1、f2、f3、f4轴和α、β轴分别通1A电流时产生的x方向、y方向方向悬浮力。以上系数均与θ_r有关，可以通过有限元分析软件Ansoft仿真或实验测得。

(5)基于最小铜耗原则，根据悬浮力系数k_xj、k_yj(j＝f1、f2、f3、f4)，x、y方向悬浮力给定 六相绕组电阻R_t以及三相主悬浮绕组电阻R_f计算得到辅助系数λ₁、λ₂，其采用的计算公式如下：

(6)根据k_xj、k_yj(j＝f1、f2、f3、f4)，R_t，R_f以及λ₁、λ₂算出最小铜耗原则下的f1、f2、f3、f4轴电流给定值其采用的计算公式如下：

(7)令o1、o2、o3轴电流给定值为0，利用T₉变换矩阵的逆矩阵把 变换至自然坐标系中得六相绕组电流给定值及三相主悬浮绕组电流给定值其采用的计算公式如下：

(8)把实际六相绕组电流i_A～i_F以及实际三相主悬浮绕组电流i_a～i_c送给各自的电流控制器，使实际电流跟踪各自的给定值。

其中，步骤(5)中的x、y方向悬浮力给定来自于x和y方向径向位移控制器，其计算步骤如下：

(5.1)利用转子径向位移传感器检测转子沿x和y方向的径向位移量dx和dy；

(5.2)根据x和y方向转子径向偏移量dx和dy及其给定值x^*、y^*，计算对应的转子径向偏移控制误差△x、△y，其采用的计算公式如下：

△x＝x^*-dx (11)

△y＝y^*-dy (12)

(5.3)把△x、△y分别送给x和y方向径向位移控制器，输出x和y方向悬浮力给定值若控制器采用PI形式，则计算公式如下：

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：根据转子切向旋转控制性能需要，由转子切向旋转控制器输出dq转子同步旋转坐标系中dq轴电流给定值

步骤S2：把dq轴电流给定值旋转变换至αβ静止坐标系，得αβ轴电流分量如下：

步骤S3：利用T₆变换矩阵把六相绕组电流i_A～i_F变换至αβ静止坐标系中得i_α、i_β，

步骤S4：根据i_αi_β以及转子切向位置角θ_r算出此时的悬浮力系数k_xj、k_yj，j＝f1、f2、f3、f4，其采用的计算公式如下：

其中，k_xfj、k_yfj，j＝f1、f2、f3、f4，代表f1、f2、f3、f4轴通1A电流时，其与永磁体配合后产生的x方向、y方向悬浮力；k_xij、k_yij，i＝α、β，j＝f1、f2、f3、f4代表f1、f2、f3、f4轴和α、β轴分别通1A电流时产生的x方向、y方向悬浮力；

步骤S5：基于最小铜耗原则，根据悬浮力系数k_xj、k_yj，j＝f1、f2、f3、f4，x、y方向悬浮力给定 六相绕组电阻R_t以及三相主悬浮绕组电阻R_f计算得到辅助系数λ₁、λ₂；

步骤S6：根据k_xj、k_yj，j＝f1、f2、f3、f4，R_t，R_f以及λ₁、λ₂算出最小铜耗原则下的f1、f2、f3、f4轴电流给定值其采用的计算公式如下：

步骤S7：令o1、o2、o3轴电流给定值为0，利用T₉变换矩阵的逆矩阵把 变换至自然坐标系中得六相绕组电流给定值及三相主悬浮绕组电流给定值

步骤S8：把实际六相绕组电流i_A～i_F以及实际三相主悬浮绕组电流i_a～i_c传输至各自的电流控制器，使实际电流跟踪各自的给定值。

2.根据权利要求1所述的六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法，其特征在于：步骤S3中T₆变换矩阵为：

3.根据权利要求1所述的六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法，其特征在于：步骤S5中λ₁、λ₂采用的计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法，其特征在于：步骤S7包括以下计算步骤：

5.根据权利要求1所述的六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法，其特征在于：步骤S5包括以下具体步骤：

步骤S51：利用转子径向位移传感器检测转子沿x和y方向的径向位移量dx和dy；

步骤S52：根据x和y方向转子径向偏移量dx和dy及其给定值x^*、y^*，计算对应的转子径向偏移控制误差Δx、Δy，其采用的计算公式如下：

Δx＝x^*-dx；

Δy＝y^*-dy；

步骤S53：将Δx、Δy分别送给x和y方向径向位移控制器，输出x和y方向悬浮力给定值

6.根据权利要求1所述的六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法，其特征在于：若悬浮力的控制器采用PI形式，则计算公式如下：

其中，k_p、k_i分别为比例和积分系数。

7.根据权利要求1所述的六相和三相双绕组悬浮互补型无轴承磁通电机驱动方法，其特征在于：步骤S4中的悬浮力系数均与θ_r有关，通过有限元分析软件Ansoft仿真或实验测得。