CN111193462B - 单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法 - Google Patents

单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法 Download PDF

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CN111193462B CN202010104063.7A CN202010104063A CN111193462B CN 111193462 B CN111193462 B CN 111193462B CN 202010104063 A CN202010104063 A CN 202010104063A CN 111193462 B CN111193462 B CN 111193462B
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Abstract

本发明涉及一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，以解决六相电压型逆变器供电情况下，电机的电磁转矩和悬浮力的快速控制难题。为了实现电磁转矩和悬浮力快速解耦控制，把逆变器输出电压矢量分别投影到转矩控制平面和悬浮力控制平面，根据转矩平面磁链误差在转矩平面选择电压矢量；根据悬浮平面磁链误差在悬浮力平面选择电压矢量。本发明利用逆变器电压矢量直接实现电磁转矩和悬浮力的控制，加速了电磁转矩和悬浮力控制的动态响应。并分别在转矩控制平面和悬浮力控制平面实现二者的解耦控制，有效地增强了转子悬浮运行的平稳性。同时，所选电压矢量满足零序电流控制为零状态，降低了电机的损耗。

Description

单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法
技术领域
本发明涉及无轴承磁通切换电机设计领域，特别是一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法。
背景技术
六相单绕组无轴承磁通切换电机利用空间对称绕组对气隙磁场进行相反方向调制，从而产生满足转子悬浮运行的悬浮力。为了实现转子悬浮状态旋转运行，六相绕组中需要同时流过控制转子切向旋转的转矩电流分量和控制转子径向悬浮的悬浮力分量，即利用一套绕组同时实现转子转矩和悬浮力控制。该方法有利于电机输出转矩能力的充分发挥，同时也使得转矩和悬浮力控制相互耦合。
目前实现该种电机的转矩及悬浮力控制一般采用电流闭环控制，需要静止坐标系和旋转坐标系之间的坐标变换，控制算法计算量大，且逆变器输出电压通过电机电感转化为电流控制转矩，降低了转矩及悬浮力的动态响应，显著降低了转子悬浮运行的稳定性。能否利用逆变器输出电压矢量直接实现该种电机转矩和悬浮力的直接控制成为期待解决的科学难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对六相单绕组无轴承磁通切换电机，提供一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，利用六相逆变器输出电压矢量分别在转矩和悬浮力平面上实现转矩、悬浮力的快速解耦控制。
本发明采用以下方案实现：一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，提供一六相逆变器及一无轴承磁通切换电机，提供一六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制系统，该系统包括磁链模型、转矩模型、T6坐标变换模块、位置角计算模块、扇区判断模块、磁链滞环比较器、转矩滞环比较器、旋转变换模块、悬浮力相位差计算模块、悬浮力系数计算模块、X方向径向位移PI控制器、Y方向径向位移PI控制器、悬浮力计算模块、悬浮力坐标变换模块和悬浮平面磁链误差计算模块；按照如下步骤实现：
步骤S1：获取定子六相绕组电流iA～iF、转子位置角θr和转子X和Y方向径向位移x、y；
步骤S2：将定子六相绕组电流iA～iF送入T6坐标变换计算模块，得到转矩平面电流iαT、iβT、悬浮平面电流iαS、iβS以及零序平面电流i01、i02；
Figure GDA0002826211450000021
其中T6矩阵为：
Figure GDA0002826211450000022
步骤S3：将转矩平面电流iαT、iβT，转子位置角θr送入磁链模型计算,得到转矩平面磁链ψαT、ψβT和转矩平面磁链矢量幅值|ψsT|；
步骤S4：将转矩平面磁链矢量幅值给定值
Figure GDA0002826211450000023
减去转矩平面磁链矢量幅值|ψsT|所得差值再送入磁链滞环比较器，输出转矩平面磁链控制开关量φ；其中φ＝1代表磁链增加，φ＝-1代表磁链减小：
Figure GDA0002826211450000031
步骤S5：将转矩平面磁链ψαT,ψβT送入位置角计算模块，输出转矩平面磁链矢量在空间所处的位置角θψST；
Figure GDA0002826211450000032
步骤S6：把位置角θψST送入扇区判断模块，根据转矩平面磁链圆轨迹扇区图输出转矩平面磁链矢量ψST＝ψαT+jψβT在空间所处的扇区号θn，n＝1～6；
步骤S7：将转矩平面磁链ψαT、ψβT,转矩平面电流iαT、iβT送入转矩模型，输出电机电磁转矩Te：
Te＝Pn(ψαTiβT-ψβTiαT)
其中，Pn为电机极对数；
步骤S8：将获取的电磁转矩给定值Te *减去电机电磁转矩Te，得到的差值送入转矩滞环比较器，输出转矩控制开关量τ值；其中τ＝1代表电磁转矩增加，τ＝0代表电磁转矩在允许的转矩误差ΔTe内，τ＝-1代表电磁转矩减小：
Figure GDA0002826211450000033
其中，ΔTe为允许的电磁转矩控制误差带；
步骤S9：将悬浮平面电流iαS,iβS、悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000035
悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮力计算模块，输出XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy；
Figure GDA0002826211450000034
步骤S10：将XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy，送入悬浮力坐标变换计算模块，输出悬浮平面αsβs坐标系下的实际悬浮力Fα和Fβ：
Figure GDA0002826211450000041
步骤S11：将X方向径向位移给定值x*减去X方向径向位移x，Y方向径向位移给定值y*减去Y方向径向位移y；所得差值分别送入X方向径向位移PI控制器和Y方向径向位移PI控制器，输出悬浮平面αsβs坐标系下的期望悬浮力
Figure GDA0002826211450000042
和
Figure GDA0002826211450000043
Figure GDA0002826211450000044
Figure GDA0002826211450000045
其中kp为PI控制器的比例放大系数，kI为PI控制器的积分放大系数；
步骤S12：将悬浮平面αsβs坐标系αs轴的期望悬浮力
Figure GDA0002826211450000046
减去实际悬浮力Fα，βs轴的期望悬浮力
Figure GDA0002826211450000047
减去实际悬浮力Fβ；输出悬浮平面αsβs坐标系下的悬浮力差值ΔFα和ΔFβ；
Figure GDA0002826211450000048
Figure GDA0002826211450000049
步骤S13：将悬浮平面αsβs坐标系下的悬浮力差值ΔFα和ΔFβ、悬浮力相位差
Figure GDA00028262114500000411
悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮平面磁链误差计算模块，输出悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ：
Figure GDA00028262114500000410
L2＝3*(L0-M0-M1)
其中，L0是电机每相绕组自感直流分量，M0为电机绕组互感为正值时的直流分量，M1为电机绕组互感为负值时的直流分量，电感均可通过查阅电机设计手册或电机有限元分析软件获得；
步骤S14：根据转矩平面磁链控制开关量φ值，扇区号θn，n＝1～6，转矩控制开关量τ值，悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ得到最优开关矢量表；根据最优开关矢量表挑选对应的电压矢量，输出控制六相逆变器桥臂开关状态量SA～SF；通过六相逆变器输出最优电压矢量作用于电机，实现转矩平面磁链和转矩闭环控制，同时实现转子X和Y径向位移闭环控制，达到六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转的控制目的。
进一步地，所述步骤S3的具体实现过程如下：
所述磁链模型为：
Figure GDA0002826211450000051
Figure GDA0002826211450000052
L1＝3(L0+M0-M1)；
K1＝M0m-M1m；
Figure GDA0002826211450000053
Figure GDA0002826211450000054
其中LαTβT是转矩平面静止坐标系αTβT电感值；ψfαT，ψfβT是永磁磁链矢量ψf在转矩平面静止坐标系上的投影；L0是电机每相绕组自感直流分量；M0为电机绕组互感为正值时的直流分量；M1为电机绕组互感为负值时的直流分量；Lm为电机每相绕组自感交流分量幅值；M0m为电机绕组互感为正值时的交流分量幅值；M1m为电机绕组互感为负值时的交流分量幅值；ψf为永磁磁链矢量幅值。这些电感值和永磁磁链幅值可通过查阅电机设计手册或通过电机有限元分析软件获得。
进一步地，所述的悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000055
悬浮力系数K的计算方法如下：
将转矩平面电流iαT，iβT和转子位置角θr送入旋转变换模块，输出转矩平面qT轴电流iqT；
iqT＝-sinθr×iαT+cosθr×iβT
将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力相位差计算，输出悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000063
Figure GDA0002826211450000061
其中，kqT为单位正向悬浮电流与单位qT轴电流气隙磁场相互作用产生的悬浮力基波幅值，kPM为单位正向悬浮电流与永磁体产生的悬浮力基波幅值；将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力系数计算模块，输出悬浮力系数K：
Figure GDA0002826211450000062
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用逆变器电压矢量直接实现电磁转矩和悬浮力的控制，加速了电磁转矩和悬浮力控制的动态响应。
(2)本发明分别在转矩控制平面和悬浮力控制平面实现二者的解耦控制，有效地增强了转子悬浮运行的平稳性。
(3)本发明所选电压矢量满足零序电流控制为零状态，降低了电机的损耗。
附图说明
图1为本发明实施例的六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制控制结构框图。
图2为本发明实施例的转矩平面磁链圆轨迹扇区图。
图3为本发明实施例的六相单绕组无轴承磁通切换电机横截面示意图。
图4为本发明实施例的驱动系统硬件结构图。
图5为本发明实施例的无轴承磁通切换电机的坐标系定义图，其中图5(a)为转矩平面坐标系定义图，图5(b)为悬浮平面坐标系定义。
图6为本发明实施例的悬浮力F和悬浮平面磁链ψSS矢量图。
图7为本发明实施例的电压矢量分布图，其中图7(a)为转矩平面电压矢量uαT+juβT分布图，图7(b)为悬浮平面电压矢量uαS+juβS分布图。
图8为本发明实施例的电压矢量控制电磁转矩及定子磁链示意图。
图9为本发明实施例的B组电压矢量在悬浮平面分布图。
图10为本发明实施例的C组电压矢量在悬浮平面分布图。
图11为本发明实施例的B/C组电压矢量在悬浮平面分布图。
图12为本发明实施例的(9，18，45，54)矢量在悬浮平面分布图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，以解决六相电压型逆变器供电情况下，电机的电磁转矩和悬浮力的快速控制难题。为了实现电磁转矩和悬浮力快速解耦控制，把逆变器输出电压矢量分别投影到转矩控制平面和悬浮力控制平面，根据转矩平面磁链误差在转矩平面选择电压矢量；根据悬浮平面磁链误差在悬浮力平面选择电压矢量。具体为：提供一六相逆变器及一无轴承磁通切换电机，提供一六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制系统，该系统包括磁链模型、转矩模型、T6坐标变换模块、位置角计算模块、扇区判断模块、磁链滞环比较器、转矩滞环比较器、旋转变换模块、悬浮力相位差计算模块、悬浮力系数计算模块、X方向径向位移PI控制器、Y方向径向位移PI控制器、悬浮力计算模块、悬浮力坐标变换模块和悬浮平面磁链误差计算模块；按照如下步骤实现：
在本实施例中，利用电流传感器及AD转换通道，检测出定子六相绕组电流iA～iF；利用转子位置角传感器及检测通道，检测出转子位置角θr；利用转子X和Y方向径向位移传感器及检测通道，检测出转子X和Y方向径向位移x、y。
步骤S1：获取定子六相绕组电流iA～iF、转子位置角θr和转子X和Y方向径向位移x、y；
步骤S2：将定子六相绕组电流iA～iF送入T6坐标变换计算模块，得到转矩平面电流iαT、iβT、悬浮平面电流iαS、iβS以及零序平面电流i01、i02；
Figure GDA0002826211450000081
其中T6矩阵为：
Figure GDA0002826211450000082
步骤S3：将转矩平面电流iαT、iβT，转子位置角θr送入磁链模型计算,得到转矩平面磁链ψαT、ψβT和转矩平面磁链矢量幅值|ψsT|；
步骤S4：将转矩平面磁链矢量幅值给定值
Figure GDA0002826211450000095
减去转矩平面磁链矢量幅值|ψsT|所得差值再送入磁链滞环比较器，输出转矩平面磁链控制开关量φ；其中φ＝1代表磁链增加，φ＝-1代表磁链减小：
Figure GDA0002826211450000091
步骤S5：将转矩平面磁链ψαT,ψβT送入位置角计算模块，输出转矩平面磁链矢量在空间所处的位置角θψST；
Figure GDA0002826211450000092
步骤S6：把位置角θψST送入扇区判断模块，根据图2转矩平面磁链圆轨迹扇区图输出转矩平面磁链矢量ψST＝ψαT+jψβT在空间所处的扇区号θn，n＝1～6；
步骤S7：将转矩平面磁链ψαT、ψβT,转矩平面电流iαT、iβT送入转矩模型，输出电机电磁转矩Te：
Te＝Pn(ψαTiβT-ψβTiαT)
其中，Pn为电机极对数；本实施例所控制电机极对数为10。
步骤S8：将获取的电磁转矩给定值Te *减去电机电磁转矩Te，得到的差值送入转矩滞环比较器，输出转矩控制开关量τ值；其中τ＝1代表电磁转矩增加，τ＝0代表电磁转矩在允许的转矩误差ΔTe内，τ＝-1代表电磁转矩减小：
Figure GDA0002826211450000093
其中，ΔTe为允许的电磁转矩控制误差带；
步骤S9：将悬浮平面电流iαS,iβS、悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000094
悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮力计算模块，输出XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy；
Figure GDA0002826211450000101
步骤S10：将XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy，送入悬浮力坐标变换计算模块，输出悬浮平面αsβs坐标系下的实际悬浮力Fα和Fβ：
Figure GDA0002826211450000102
步骤S11：将X方向径向位移给定值x*减去X方向径向位移x，Y方向径向位移给定值y*减去Y方向径向位移y；所得差值分别送入X方向径向位移PI控制器和Y方向径向位移PI控制器，输出悬浮平面αsβs坐标系下的期望悬浮力
Figure GDA0002826211450000103
和
Figure GDA0002826211450000104
Figure GDA0002826211450000105
Figure GDA0002826211450000106
其中kp为PI控制器的比例放大系数，kI为PI控制器的积分放大系数；
步骤S12：将悬浮平面αsβs坐标系αs轴的期望悬浮力
Figure GDA0002826211450000107
减去实际悬浮力Fα，βs轴的期望悬浮力
Figure GDA0002826211450000108
减去实际悬浮力Fβ；输出悬浮平面αsβs坐标系下的悬浮力差值ΔFα和ΔFβ；
Figure GDA0002826211450000109
Figure GDA00028262114500001010
步骤S13：将悬浮平面αsβs坐标系下的悬浮力差值ΔFα和ΔFβ、悬浮力相位差
Figure GDA00028262114500001011
悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮平面磁链误差计算模块，输出悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ：
Figure GDA00028262114500001012
L2＝3*(L0-M0-M1)
其中，L0是电机每相绕组自感直流分量，M0为电机绕组互感为正值时的直流分量，M1为电机绕组互感为负值时的直流分量；这些值可通过电机有限元分析软件获得。
步骤S14：根据转矩平面磁链控制开关量φ值，扇区号θn，n＝1～6，转矩控制开关量τ值，悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ得到最优开关矢量表；根据最优开关矢量表挑选对应的电压矢量，输出控制六相逆变器桥臂开关状态量SA～SF；通过六相逆变器输出最优电压矢量作用于电机，实现转矩平面磁链和转矩闭环控制，同时实现转子X和Y径向位移闭环控制，达到六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转的控制目的。
在本实施例中，所述步骤S3的具体实现过程如下：
所述磁链模型为：
Figure GDA0002826211450000111
Figure GDA0002826211450000112
L1＝3(L0+M0-M1)；
K1＝M0m-M1m；
Figure GDA0002826211450000113
Figure GDA0002826211450000114
其中LαTβT是转矩平面静止坐标系αTβT电感值；ψfαT，ψfβT是永磁磁链矢量ψf在转矩平面静止坐标系上的投影；L0是电机每相绕组自感直流分量；M0为电机绕组互感为正值时的直流分量；M1为电机绕组互感为负值时的直流分量；Lm为电机每相绕组自感交流分量幅值；M0m为电机绕组互感为正值时的交流分量幅值；M1m为电机绕组互感为负值时的交流分量幅值；ψf为永磁磁链矢量幅值。这些电感值和永磁磁链幅值可通过查阅电机设计手册或通过电机有限元分析软件获得。
在本实施例中，所述的悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000121
悬浮力系数K的计算方法如下：
将转矩平面电流iαT，iβT和转子位置角θr送入旋转变换模块，输出转矩平面qT轴电流iqT；
iqT＝-sinθr×iαT+cosθr×iβT
将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力相位差计算，输出悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000122
Figure GDA0002826211450000123
其中，kqT为单位正向悬浮电流与单位qT轴电流气隙磁场相互作用产生的悬浮力基波幅值，kPM为单位正向悬浮电流与永磁体产生的悬浮力基波幅值；二者皆可通过电机有限元分析软件获得
将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力系数计算模块，输出悬浮力系数K：
Figure GDA0002826211450000124
较佳的，如图1所示为无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制结构框图，由六相逆变器、无轴承磁通切换电机、磁链模型、转矩模型、位置角计算、扇区判断、磁链滞环比较器、转矩滞环比较器、旋转变换、悬浮力相位差计算、悬浮力系数计算、X方向径向位移PI控制器、Y方向径向位移PI控制器、悬浮力计算、悬浮力坐标变换、悬浮平面磁链误差计算，最优开关矢量表等环节构成。其中，具体工作原理如下：电机的转子位置角θr通过转子位置角传感器及检测通道得到。电机转子X和Y方向径向位移x、y通过转子X和Y方向径向位移传感器及检测通道获得。定子六相绕组电流iA～iF通过电流传感器及检测通道获得。将自然坐标系下的定子六相绕组电流iA～iF送入T6坐标变换模块，输出转矩平面电流iαT,iβT,悬浮平面电流iαS,iβS；把转矩平面电流iαT,iβT送入磁链模型计算，输出转矩平面磁链ψαT、ψβT和转矩平面磁链矢量ψST＝ψαT+jψβT的幅值|ψST|，其中LαTβT是转矩平面静止坐标系αTβT电感值。转矩平面磁链矢量幅值给定值
Figure GDA0002826211450000131
减去转矩平面磁链矢量幅值|ψST|，再送入磁链滞环比较器，输出转矩平面磁链控制开关量φ；把转矩平面磁链ψαT,ψβT送入位置角计算，输出转矩平面磁链矢量ψST＝ψαT+jψβT在空间所处的位置角θψST。将位置角θψST送入扇区判断模块，根据图2的转矩平面磁链圆轨迹扇区图判断得到扇区号θn(n＝1～6)，其中转矩平面磁链圆轨迹扇区图将360°电角度等分为六个扇区；把转矩平面磁链ψαT,ψβT,转矩平面电流iαT,iβT送入转矩模型计算，得到电机电磁转矩Te。电磁转矩给定值Te *减去电机电磁转矩Te，得到的差值送入转矩滞环比较器，输出转矩控制开关量τ值；将X方向径向位移给定值x*减去X方向径向位移x，得到的差值送入X方向径向位移PI控制器，输出悬浮平面αsβs坐标系下αs轴的期望悬浮力值
Figure GDA0002826211450000132
将Y方向径向位移给定值y*减去Y方向径向位移y，得到的差值送入Y方向径向位移PI控制器，输出悬浮平面αsβs坐标系下βs轴的期望悬浮力值
Figure GDA0002826211450000133
将悬浮平面电流iαS，iβS和转子位置角θr送入旋转变换模块，输出转矩平面qT轴电流iqT，再将该值送入悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000138
计算模块，输出悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000134
将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力系数K计算模块，输出悬浮力系数K。把转子位置角θr，悬浮力相位差
Figure GDA0002826211450000135
悬浮力系数K以及悬浮平面电流iαS,iβS送入悬浮力计算模块，输出XY坐标系下的悬浮力Fx和Fy。其中XY坐标系定义见图3，X轴线与A1线圈轴线重合。将Fx和Fy送入悬浮力坐标变换模块，输出悬浮平面αsβs坐标系下的实际悬浮力值Fα和Fβ；将期望悬浮力值
Figure GDA0002826211450000136
和
Figure GDA0002826211450000137
分别减去实际悬浮力值Fα和Fβ，得到的差值送入悬浮平面磁链误差计算模块，输出悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ；最后根据转矩平面磁链控制开关量φ、扇区号θn(n＝1～6)、转矩控制开关量τ、悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ，得到最优开关矢量表，输出控制六相逆变器桥臂的开关状态量SA～SF。表1为最优开关矢量表，其中“/”代表合成电压矢量。当对应相桥臂上管导通，下管关断时Si＝1(i＝A～F)；当对应相桥臂上管关断，下管导通时Si＝0(i＝A～F)；一个桥臂的上下开关管互补导通。在开关管控制下，逆变器输出满足控制要求的定子电压，实现电机转子悬浮旋转。电机结构如图3所示，电机12个U型铁芯，每个U型铁芯之间夹一个沿切向充磁的永磁体，充磁方向交替相反，转子有10个齿。定子每相绕组串联绕在空间相互垂直的定子齿上，构成6相对称绕组。其中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相绕组空间对称，六相绕组轴线空间上互差60°机械角。若需要调节电机转速，则利用转速闭环控制输出转矩给定值Te *。
较佳的，本实施例的驱动系统硬件结构如图4所示。包括：整流器、滤波电容、直流母线电压采样电路、六相逆变器、无轴承磁通切换电机、六相绕组电流采样电路、电机转子位置角检测电路、XY径向位移检测电路、隔离驱动、中央控制器、上位机等。其中六相逆变器直流母线电压也可以采用合适的直流电源提供。六相逆变器的开关管可采用IGBT或MOSFET，中央控制器采用DSP或单片机。电流采样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。直流母线电压采样电路采用霍尔电压传感器与运算放大器相结合方式构成，也可以采用并联电阻分压后接由运算放大器构成的电压跟随器相结合方式构成。转子位置角检测电路可以采用旋转编码器后接电平转换电路构成，也可以采用旋转变压器后接解码电路构成，其中前者成本较低，但位置角采样精度受编码器线数限制，而后者成本较高，但位置角采样精度较高。
表1最优开关矢量表
Figure GDA0002826211450000151
XY径向位移检测电路采用电涡流传感器后接运算放大器相结合方式构成，也可以采用线性光耦后接运算放大器相结合方式构成。可编程ASIC器件可以采用CPLD或FPGA。故障检测模块和AD调理模块均可采用运算放大器构成。将电压、电流信号经过AD调理电路及故障检测模块分别送到中央控制器的A/D采样模块和可编程ASIC器件。转子位移信号经过AD调理电路进行电平转换后送至中央控制器的A/D采样模块。位置角检测电路输出的脉冲信号通过QEP测速模块送至中央控制器。根据取得的信号和本实施例的直接控制方法，输出逆变桥臂开关信号，经由隔离驱动去控制逆变器中的功率开关管的开关动作。
基本原理叙述如下：
图5为无轴承磁通切换电机的坐标系定义。其中(a)为转矩平面坐标系定义，(b)为悬浮平面坐标系定义。如图5(a)所示，A～F为电机六相绕组轴线。根据A相中耦合永磁磁链正最大位置判断得A相绕组轴线处于图3中转子齿中心线逆时针超前A1线圈轴线9°机械角处。六相绕组轴线空间上互差60°机械角。αTβT为转矩平面静止坐标系，dTqT为旋转坐标系。其中αT轴与A相绕组轴线重合。dT轴与永磁磁链矢量ψf方向重合，与αT轴沿逆时针方向夹角表示为转子位置角θr。转矩平面磁链矢量ψST＝ψαT+jψβT。转矩平面电流矢量iST＝iαT+jiβT。转矩角δ为转矩平面磁链矢量ψST和永磁磁链矢量ψf的夹角。
悬浮平面坐标系定义如图5(b)所示。XY为水平-垂直直角坐标系，X轴与图3中的A1线圈轴线方向一致，与A相绕组主线相差9°机械角。αSβS为悬浮平面静止坐标系，dSqS为旋转坐标系。αS轴和dS轴之间的夹角为
Figure GDA0002826211450000161
其中
Figure GDA0002826211450000162
为悬浮力相位差。悬浮平面磁链矢量ψSS＝ψαS+jψβS。悬浮平面电流矢量iSS＝iαS+jiβS。虚拟磁链矢量
Figure GDA0002826211450000163
其中K为悬浮力系数。悬浮角θS为悬浮平面磁链矢量ψSS和虚拟磁链矢量ψ的夹角。
利用T6恒功率矩阵，由六相绕组电流iA～iF得到转矩平面电流iαT、iβT，悬浮平面电流iαS、iβS，零序平面电流i01、i02。
Figure GDA0002826211450000164
其中，T6恒功率矩阵为:
Figure GDA0002826211450000171
转矩平面磁链ψαT,ψβT为：
Figure GDA0002826211450000172
其中LαTβT是转矩平面静止坐标系电感值，ψfαT，ψfβT是永磁磁链矢量ψf在转矩平面静止坐标系上的投影
Figure GDA0002826211450000173
L1＝3(L0+M0-M1) (4)
K1＝M0m-M1m (5)
Figure GDA0002826211450000174
其中θr为转子位置角。L0是电机每相绕组自感直流分量，M0为电机绕组互感为正值时的直流分量，M1为电机绕组互感为负值时的直流分量，Lm为电机每相绕组自感交流分量幅值，M0m为电机绕组互感为正值时的交流分量幅值，M1m为电机绕组互感为负值时的交流分量幅值，ψf为永磁磁链矢量幅值。这些电感值和永磁磁链幅值可通过查阅电机设计手册或通过电机有限元分析软件获得。
电机电磁转矩为：
Te＝pn(ψαTiβT-ψβTiαT) (7)
其中，pn为电机极对数。
利用转子位置角θr，将转矩平面电流iαT、iβT，转矩平面磁链ψαT、ψβT，电磁转矩Te旋转变换至转矩平面旋转坐标系dTqT。得到旋转坐标系dTqT下的电流idT、iqT，磁链ψdT、ψqT和电磁转矩Te：
Figure GDA0002826211450000181
Figure GDA0002826211450000182
其中Ld为电机转矩平面dT轴电感，Lq为电机转矩平面qT轴电感
Te＝pn(ψdTiqT-ψqTidT) (10)
由图5(a)可以得到转矩平面磁链矢量ψST和旋转坐标系dTqT下的磁链ψdT、ψqT的关系：
ψST＝ψdT+jψdT (11)
Figure GDA0002826211450000183
其中，|ψST|为转矩平面磁链矢量幅值，转矩角δ为转矩平面磁链矢量ψST与dT轴之间的夹角。
将式(12)代入(10)中，得到变形化简后的电磁转矩：
Te＝Pn|ψST|(iqTcosδ-idTsinδ) (13)
再将式(9)和式(12)代入式(13)中，用磁链代替电流得到：
Figure GDA0002826211450000184
由直接转矩控制理论可知，保持转矩磁链矢量幅值|ψsT|恒定，控制转矩角δ，即可控制电磁转矩的大小。
根据电机产生的悬浮力原理可得XY坐标系下的悬浮力Fx、Fy方程:
Figure GDA0002826211450000191
其中，K为悬浮力系数，
Figure GDA0002826211450000192
为悬浮力相位差：
Figure GDA0002826211450000193
Figure GDA0002826211450000194
其中，kqT为单位正向悬浮电流与单位qT轴电流气隙磁场相互作用产生的悬浮力基波幅值，kPM为单位正向悬浮电流与永磁体产生的悬浮力基波幅值。二者皆可通过电机有限元分析软件获得。
将(15)式展开可得到：
Figure GDA0002826211450000195
由前文对悬浮平面坐标系定义可知虚拟磁链矢量ψ，悬浮平面电流矢量iS，悬浮平面磁链矢量为：
Figure GDA0002826211450000196
iS＝iαS+jiβS (18)
ψSS＝L2·iS (19)
其中，L2为悬浮平面主电感值：
L2＝3*(L0-M0-M1) (20)
其中，L0是电机每相绕组自感直流分量，M0为电机绕组互感为正值时的直流分量，M1为电机绕组互感为负值时的直流分量。这些值可通过电机有限元分析软件获得
将(17)(18)(19)代入(16)式可得：
Figure GDA0002826211450000201
其中，悬浮角θS为悬浮平面磁链矢量ψSS和虚拟磁链矢量ψ的夹角。
通过控制悬浮平面磁链矢量幅值|ψSS|大小以及悬浮角θS即可控制悬浮力的大小和方向。进一步分析如下：
图6为悬浮力F和悬浮平面磁链ψSS矢量图。根据图5(b)悬浮平面坐标系定义，实际悬浮力矢量F由XY坐标系变换至αsβs坐标系，因此，在αSβS坐标下，F＝|F|∠θS-9°，其中
Figure GDA0002826211450000202
实际悬浮平面磁链矢量ψSS与αs轴夹角为θS+u，其中
Figure GDA0002826211450000203
F*为期望悬浮力矢量。悬浮力矢量差
Figure GDA0002826211450000204
为期望悬浮平面磁链矢量。悬浮磁链矢量差
Figure GDA0002826211450000205
在悬浮平面αSβS坐标系下，实际悬浮力矢量F和期望悬浮力矢量F*可写为下式：
F＝|F|∠(θS-9°) (22)
F*＝|F*|∠(θS-9°+Δθ) (23)
其中，Δθ为悬浮力变化的方向角。
实际悬浮力矢量F在悬浮平面αSβS坐标系下的分量为：
Figure GDA0002826211450000206
其中，
Figure GDA0002826211450000207
期望悬浮力矢量F*在悬浮平面αSβS坐标系下的分量为：
Figure GDA0002826211450000211
悬浮力矢量差ΔF在悬浮平面αSβS坐标系下的分量为：
Figure GDA0002826211450000212
实际悬浮磁链矢量ψSS和期望悬浮磁链矢量
Figure GDA0002826211450000213
可以写为下式：
Figure GDA0002826211450000214
其中，
Figure GDA0002826211450000215
实际悬浮磁链矢量ψSS在悬浮平面αSβS坐标系下的分量为：
Figure GDA0002826211450000216
期望悬浮磁链矢量
Figure GDA0002826211450000217
在悬浮平面αSβS坐标系下的分量为：
Figure GDA0002826211450000218
悬浮磁链矢量差ΔψSS在悬浮平面αSβS坐标系下的分量为：
Figure GDA0002826211450000219
将式(30)代入式(26)可得：
Figure GDA00028262114500002110
其中，
Figure GDA00028262114500002111
六相电机需要六个逆变桥臂驱动，随着电机相数的增加，形成的空间电压矢量个数呈指数形式增长。因此，六相单绕组无轴承磁通切换电机的空间电压矢量个数为26＝64个。
在αTβTαsβS0102轴系中，定子电压方程如下式：
Figure GDA0002826211450000221
则可计算得到：
Figure GDA0002826211450000222
根据式(33)可得到转矩平面和悬浮平面电压矢量分布如图7所示。
对照图1所示的控制结构框图，最优开关矢量表的电压矢量具体挑选过程如下：
首先根据直接转矩控制理论，在转矩平面挑选电压矢量。将图7(a)中的部分电压矢量挑选出来构成表2所示的基本电压矢量组：
表2基本电压矢量组
Figure GDA0002826211450000223
Figure GDA0002826211450000231
在基本电压矢量组的基础上，按空间矢量的平行四边形合成法则，将相邻的两个基本电压矢量组在一个控制周期内各作用半个周期，合成期望的输出矢量。分别将A组电压矢量和B组电压矢量合成得到A/B组电压矢量，B组电压矢量和C组电压矢量合成得到B/C组电压矢量，C组电压矢量和D组电压矢量合成得到C/D组电压矢量，D组电压矢量和E组电压矢量合成得到D/E组电压矢量，E组电压矢量和F组电压矢量合成得到E/F组电压矢量，F组电压矢量和A组电压矢量合成得到F/A组电压矢量。六组新合成的电压矢量控制电磁转矩及定子磁链示意图如图8；如图8所示，为了方便选择电压矢量控制定子磁链幅值和转矩大小，将360°电角度空间等分为θ1～θ6六个扇区，每个扇区以相邻矢量夹角中心线为分界。其中，符号“↑”和“↓”分别用来表示变量的增大和减小。
定义逆时针旋转为正方向，当转矩平面磁链矢量在空间所处的位置角θψST在第一扇区θ1时，B/C组电压矢量作用使转矩平面磁链幅值|ψST|增大，电磁转矩Te增大；F/A组电压矢量作用使|ψST|增大，Te减小；C/D组电压矢量作用使|ψST|减小，Te增大；E/F组电压矢量使|ψST|减小，Te减小。在控制过程中，位置角θψST、转矩平面磁链控制开关量φ、转矩控制开关量τ由下式得到：
Figure GDA0002826211450000232
Figure GDA0002826211450000233
Figure GDA0002826211450000234
其中，
Figure GDA0002826211450000241
为转矩平面磁链给定值；
Figure GDA0002826211450000242
为电磁转矩给定值；ΔT为允许的电磁转矩控制误差带。φ＝1代表磁链增加，φ＝-1代表磁链减小；τ＝1代表转矩增加，τ＝0代表转矩在允许的转矩误差内，τ＝-1代表转矩减小。由此得到直接转矩控制的最优开关表如表3所示。
表3直接转矩控制最优开关表
Figure GDA0002826211450000243
为了实现电机的悬浮控制，在表3的基础上，根据悬浮平面磁链误差，进一步挑选电压矢量。具体的挑选过程如下：
根据转矩控制要求，由表3选取B/C组电压矢量时。根据图7(b)可得到B组电压矢量和C组电压矢量在悬浮平面分布如图9和图10所示。进而得到B/C组电压矢量在悬浮平面的分布如图11所示。当悬浮平面磁链误差ΔψSSα＞0、ΔψSSβ＞0时，选择悬浮平面第一象限的电压矢量(52/50)或(52/62)；当悬浮平面磁链误差ΔψSSα＞0、ΔψSSβ＜0时，选择第四象限的电压矢量(61/44)或(40/44)；当悬浮平面磁链误差ΔψSSα＜0、ΔψSSβ＞0时，选择第二象限的电压矢量(26/16)或(26/58)；当悬浮平面磁链误差ΔψSSα＜0、ΔψSSβ＜0时，选择第三象限的电压矢量(25/8)或(25/29)。零序平面电流i01、i02的增大会增加定子电流谐波含量及电机损耗。其中由于六相绕组采用星型连接，i01＝0。为了尽可能的降低i02，最终确定的电压矢量为(52/62)、(26/16)、(28/8)、(61/44)。这是由于u02(16,52,25,61)＝-u02(26,62,8,44)，因此，每个分矢量各占半个控制周期，将合成电压矢量作用于电机，就能控制i02平均值为零。其余非零电压矢量组(A/B,C/D,D/E,E/F,F/A)在悬浮平面的挑选过程与B/C组相同。
根据转矩控制要求，由表3选择零电压矢量组时。选取零电压矢量组中的(9,18,45,54)这四个矢量。它们在悬浮平面的分布如图12所示。同理，当悬浮平面磁链误差ΔψSSα＞0、ΔψSSβ＞0时，选择第一象限的电压矢量(54)；当悬浮平面磁链误差ΔψSSα＞0、ΔψSSβ＜0时，选择第四象限的电压矢量(45)；当悬浮平面磁链误差ΔψSSα＜0、ΔψSSβ＞0时，选择第二象限的电压矢量(18)；当悬浮平面磁链误差ΔψSSα＜0、ΔψSSβ＜0时，选择第三象限的电压矢量(9)。
根据上述挑选规则，最终得到表1所示的最优开关矢量表。根据控制要求选择最优开关矢量，输出控制六相逆变器桥臂开关状态量SA～SF。通过六相逆变器输出最优电压矢量作用于电机，实现转矩平面磁链和转矩闭环控制，同时实现转子X和Y径向位移闭环控制，达到六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转的控制目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，提供一六相逆变器及一无轴承磁通切换电机，其特征在于：提供一六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制系统，该系统包括磁链模型、转矩模型、T6坐标变换模块、位置角计算模块、扇区判断模块、磁链滞环比较器、转矩滞环比较器、旋转变换模块、悬浮力相位差计算模块、悬浮力系数计算模块、X方向径向位移PI控制器、Y方向径向位移PI控制器、悬浮力计算模块、悬浮力坐标变换模块和悬浮平面磁链误差计算模块；按照如下步骤实现：
步骤S1：获取定子六相绕组电流iA～iF、转子位置角θr和转子X和Y方向径向位移x、y；
步骤S2：将定子六相绕组电流iA～iF送入T6坐标变换计算模块，得到转矩平面电流iαT、iβT、悬浮平面电流iαS、iβS以及零序平面电流i01、i02；
Figure FDA0002826211440000011
其中T6矩阵为：
Figure FDA0002826211440000012
步骤S3：将转矩平面电流iαT、iβT，转子位置角θr送入磁链模型计算,得到转矩平面磁链ψαT、ψβT和转矩平面磁链矢量幅值|ψST|；
步骤S4：将转矩平面磁链矢量幅值给定值
Figure FDA0002826211440000021
减去转矩平面磁链矢量幅值|ψST|所得差值再送入磁链滞环比较器，输出转矩平面磁链控制开关量φ；其中φ＝1代表磁链增加，φ＝-1代表磁链减小：
Figure FDA0002826211440000022
步骤S5：将转矩平面磁链ψαT,ψβT送入位置角计算模块，输出转矩平面磁链矢量在空间所处的位置角
Figure FDA0002826211440000023
Figure FDA0002826211440000024
步骤S6：把位置角
Figure FDA0002826211440000025
送入扇区判断模块，根据转矩平面磁链圆轨迹扇区图输出转矩平面磁链矢量ψST＝ψαT+jψβT在空间所处的扇区号θn，n＝1～6；
步骤S7：将转矩平面磁链ψαT、ψβT,转矩平面电流iαT、iβT送入转矩模型，输出电机电磁转矩Te：
Te＝Pn(ψαTiβT-ψβTiαT)
其中，Pn为电机极对数；
步骤S8：将获取的电磁转矩给定值
Figure FDA0002826211440000026
减去电机电磁转矩Te，得到的差值送入转矩滞环比较器，输出转矩控制开关量τ值；其中τ＝1代表电磁转矩增加，τ＝0代表电磁转矩在允许的转矩误差ΔTe内，τ＝-1代表电磁转矩减小：
Figure FDA0002826211440000027
其中，ΔTe为允许的电磁转矩控制误差带；
步骤S9：将悬浮平面电流iαS,iβS、悬浮力相位差
Figure FDA0002826211440000028
悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮力计算模块，输出XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy；
Figure FDA0002826211440000031
步骤S10：将XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy，送入悬浮力坐标变换计算模块，输出悬浮平面αsβs坐标系下的实际悬浮力Fα和Fβ：
Figure FDA0002826211440000032
步骤S11：将X方向径向位移给定值x*减去X方向径向位移x，Y方向径向位移给定值y*减去Y方向径向位移y；所得差值分别送入X方向径向位移PI控制器和Y方向径向位移PI控制器，输出悬浮平面αsβs坐标系下的期望悬浮力
Figure FDA0002826211440000033
和
Figure FDA0002826211440000034
Figure FDA0002826211440000035
Figure FDA0002826211440000036
其中kp为PI控制器的比例放大系数，kI为PI控制器的积分放大系数；
步骤S12：将悬浮平面αsβs坐标系αs轴的期望悬浮力
Figure FDA0002826211440000037
减去实际悬浮力Fα，βs轴的期望悬浮力Fβ *减去实际悬浮力Fβ；输出悬浮平面αsβs坐标系下的悬浮力差值ΔFα和ΔFβ；
Figure FDA0002826211440000038
Figure FDA0002826211440000039
步骤S13：将悬浮平面αsβs坐标系下的悬浮力差值ΔFα和ΔFβ、悬浮力相位差
Figure FDA00028262114400000310
悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮平面磁链误差计算模块，输出悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ：
Figure FDA00028262114400000311
L2＝3*(L0-M0-M1)
其中，L0是电机每相绕组自感直流分量，M0为电机绕组互感为正值时的直流分量，M1为电机绕组互感为负值时的直流分量；
步骤S14：根据转矩平面磁链控制开关量φ值，扇区号θn，n＝1～6，转矩控制开关量τ值，悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ得到最优开关矢量表；根据最优开关矢量表挑选对应的电压矢量，输出控制六相逆变器桥臂开关状态量SA～SF；通过六相逆变器输出最优电压矢量作用于电机，实现转矩平面磁链和转矩闭环控制，同时实现转子X和Y径向位移闭环控制，达到六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转的控制目的。
2.根据权利要求1所述的一种单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，其特征在于：所述步骤S3的具体实现过程如下：
所述磁链模型为：
Figure FDA0002826211440000041
Figure FDA0002826211440000042
L1＝3(L0+M0-M1)；
K1＝M0m-M1m；
Figure FDA0002826211440000043
Figure FDA0002826211440000044
其中LαTβT是转矩平面静止坐标系αTβT电感值；ψfαT，ψfβT是永磁磁链矢量ψf在转矩平面静止坐标系上的投影；L0是电机每相绕组自感直流分量；M0为电机绕组互感为正值时的直流分量；M1为电机绕组互感为负值时的直流分量；Lm为电机每相绕组自感交流分量幅值；M0m为电机绕组互感为正值时的交流分量幅值；M1m为电机绕组互感为负值时的交流分量幅值；ψf为永磁磁链矢量幅值。
3.根据权利要求1所述的一种单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，其特征在于：所述的悬浮力相位差
Figure FDA0002826211440000051
悬浮力系数K的计算方法如下：
将转矩平面电流iαT，iβT和转子位置角θr送入旋转变换模块，输出转矩平面qT轴电流iqT；
iqT＝-sinθr×iαT+cosθr×iβT
将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力相位差计算，输出悬浮力相位差
Figure FDA0002826211440000052
Figure FDA0002826211440000053
其中，kqT为单位正向悬浮电流与单位qT轴电流气隙磁场相互作用产生的悬浮力基波幅值，kPM为单位正向悬浮电流与永磁体产生的悬浮力基波幅值；将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力系数计算模块，输出悬浮力系数K：
Figure FDA0002826211440000054
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