CN112511055A - 一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法 - Google Patents

一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法，属于电机控制技术领域。该方法采用的控制系统包括母线电压源、全桥变换器、集中式绕组无轴承交替极永磁电机、第一位移传感器、第二位移传感器和变频器。本发明对悬浮绕组电流采用两套不同坐标变换，并将两套不同坐标变换后的悬浮电流进行重构，在不增加悬浮绕组套数的前提下，减小了悬浮绕组电流磁势的谐波，从而减小了悬浮力的脉动。

Description

一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法
技术领域
本发明涉及一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
传统的无轴承电机，其悬浮力与转子位置耦合，控制复杂。无轴承交替极永磁电机可以实现悬浮力与转子位置解耦，降低了控制难度。
传统的无轴承交替极永磁电机的绕组结构采用分布式，端部空间浪费严重，端部铜耗较大。采用集中式绕组可以减少端部长度，减少电枢铜耗，便于微型化以及工程加工，并提高容错性能，便于实现电机的模块化。
然而，集中式绕组结构的电枢磁场谐波含量大，导致较大的悬浮脉动。为减小悬浮力脉动，文献“Reduction of force interference and performance improvement of aconsequent-pole bearingless motor[J].Precision Engineering,2012,36(1):10-18.(无轴承交替极电机的干扰力抑制与性能改善[J]。精密工程，2012，36(1):10-18。”)和“无轴承交替极永磁电机集中式悬浮绕组结构及其优化设计方法，电工技术学报，2015，30(18)：104-111。”提出了加入一套辅助悬浮绕组的方法。
上述方法虽然可以减小悬浮力脉动，但是加入了辅助悬浮绕组，空间要求增加，绕组结构复杂，不易实现容错控制和模块化，这与由分布式绕组改为集中式绕组结构的初衷相违背。
因此，如何在不增加电机绕组套数、不增加电机复杂性的前提下减小集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮力脉动是亟待解决的问题。
发明内容
为了解决了现有技术中集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮力脉动较大的问题，本发明提出了一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法，所述该方法采用的控制系统包括母线电压源、全桥变换器、集中式绕组无轴承交替极永磁电机、第一位移传感器、第二位移传感器和变频器，所述第一位移传感器和第二位移传感器分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机连接，所述变频器的三个输出端与集中式绕组无轴承交替极永磁电机的转矩绕组的三个输入端相连，所述母线电压源并联在所述全桥变换器的母线两端，所述全桥变换器有6相，全桥变换器第1相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第1相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第2相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第2相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第3相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第3相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第4相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第4相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第5相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第5相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第6相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第6相悬浮绕组的两端相连，每相悬浮绕组串联一个电流传感器；
该方法采用基于两组坐标变换和悬浮电流重构的控制，其步骤如下：
步骤1：利用第一位移传感器获得集中式绕组无轴承交替极永磁电机的x轴方向上的位移实际值x，利用第二位移传感器获得集中式绕组无轴承交替极永磁电机的y轴方向上的位移实际值y；
步骤2：x轴方向上的位移给定值x*与x轴方向上的位移实际值x做差，得到差值x*-x，y轴方向上的位移给定值y*与y轴方向上的位移实际值y做差，得到差值y*-y；
步骤3：差值x*-x经过第一比例-积分-微分调节器得到x方向上的悬浮电流给定值
Figure BDA0002735423350000021
差值y*-y经过第二比例-积分-微分调节器得到y方向上的悬浮电流给定值
Figure BDA0002735423350000022
步骤4：
Figure BDA0002735423350000031
和
Figure BDA0002735423350000032
经过第一坐标变换得到
Figure BDA0002735423350000033
和
Figure BDA0002735423350000034
和
Figure BDA0002735423350000035
的表达式如下：
Figure BDA0002735423350000036
步骤5：
Figure BDA0002735423350000037
和
Figure BDA0002735423350000038
经过第二坐标变换得到
Figure BDA0002735423350000039
和
Figure BDA00027354233500000310
和
Figure BDA00027354233500000311
的表达式如下：
Figure BDA00027354233500000312
步骤6：对第一坐标变换得到的电流
Figure BDA00027354233500000313
和
Figure BDA00027354233500000314
和第二坐标变换得到的电流
Figure BDA00027354233500000315
和
Figure BDA00027354233500000316
进行重构，即第1相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA00027354233500000317
第2相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA00027354233500000318
第3相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA00027354233500000319
第4相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA00027354233500000320
第5相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA00027354233500000321
第6相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA00027354233500000322
步骤7：采用全桥变换器实现悬浮电流的闭环控制，即第1相悬浮绕组的电流的实际值I1等于第1相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000323
第2相悬浮绕组的电流的实际值I2等于第2相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000324
第3相悬浮绕组的电流的实际值I3等于第3相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000325
第4相悬浮绕组的电流的实际值I4等于第4相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000326
第5相悬浮绕组的电流的实际值I5等于第5相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000327
第6相悬浮绕组的电流的实际值I6等于第6相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000328
所述集中式绕组无轴承交替极永磁电机第1相悬浮绕组由悬浮线圈1a和悬浮线圈1b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第2相悬浮绕组由悬浮线圈2a和悬浮线圈2b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第3相悬浮绕组由悬浮线圈3a和悬浮线圈3b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第4相悬浮绕组由悬浮线圈4a和悬浮线圈4b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第5相悬浮绕组由悬浮线圈5a和悬浮线圈5b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第6相悬浮绕组由悬浮线圈6a和悬浮线圈6b反向串联而成。
所述集中式绕组无轴承交替极永磁电机A相转矩绕组由转矩线圈A1、A2、A3、A4顺序串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机B相转矩绕组由转矩线圈B1、B2、B3、B4顺序串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机C相转矩绕组由转矩线圈C1、C2、C3、C4顺序串联而成。
本发明的有益效果如下：
本发明提出了一种集中式绕组无轴承交替极永磁电机的减小悬浮力脉动的方法。所述控制方法对悬浮绕组电流采用两套不同坐标变换，并将两套不同坐标变换后的悬浮电流进行重构，在不增加悬浮绕组套数的前提下，减小了悬浮绕组电流磁势的谐波，从而减小了悬浮力的脉动。
不失一般性，本发明还可应用到其余不同极槽配合的集中式绕组无轴承交替极永磁电机中，在保持集中式绕组端部长度，电枢铜耗小，便于微型化以及工程加工，并提高容错性能的前提下，减小了悬浮力的脉动。
附图说明
图1为集中式绕组无轴承交替极永磁电机平面图。
图2为集中式绕组无轴承交替极永磁电机悬浮绕组连接图。
图3为集中式绕组无轴承交替极永磁电机转矩绕组连接图。
图4为本发明集中式绕组无轴承交替极永磁电机的减小悬浮力脉动的方法的控制框图。
图5为集中式绕组无轴承交替极永磁电机悬浮绕组与全桥变换器连接示意图。
图6为集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮力控制的传统方法的控制框图。
图7为采用图6控制算法时的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮电流的磁势图。
图8为采用图5本发明控制算法时的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮电流的磁势图。
图9为采用图6控制算法时的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮力波形图。
图10为采用图5本发明控制算法时的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮力波形图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的减小悬浮力脉动的方法进行详细说明：
图1为集中式绕组无轴承交替极永磁电机平面图。图2为集中式绕组无轴承交替极永磁电机悬浮绕组连接图，如图所示，第1相悬浮绕组由悬浮线圈1a和悬浮线圈1b反向串联而成，第2相悬浮绕组由悬浮线圈2a和悬浮线圈2b反向串联而成，第3相悬浮绕组由悬浮线圈3a和悬浮线圈3b反向串联而成，第4相悬浮绕组由悬浮线圈4a和悬浮线圈4b反向串联而成，第5相悬浮绕组由悬浮线圈5a和悬浮线圈5b反向串联而成，第6相悬浮绕组由悬浮线圈6a和悬浮线圈6b反向串联而成。图3为集中式绕组无轴承交替极永磁电机转矩绕组连接图，如图所示，A相转矩绕组由转矩线圈A1、A2、A3、A4顺序串联而成，B相转矩绕组由转矩线圈B1、B2、B3、B4顺序串联而成，C相转矩绕组由转矩线圈C1、C2、C3、C4顺序串联而成。
图4为本发明集中式绕组无轴承交替极永磁电机的减小悬浮力脉动的方法的控制框图，如图所示，所述集中式绕组无轴承交替极永磁电机的控制系统包括母线电压源、全桥变换器、集中式绕组无轴承交替极永磁电机、第一位移传感器、第二位移传感器、变频器，所述变频器的三个输出端与集中式绕组无轴承交替极永磁电机的转矩绕组的三个输入端相连，变频器实现集中式绕组无轴承交替极永磁电机的转速控制；所述母线电压源并联在所述全桥变换器的母线两端，全桥变换器有6相，全桥变换器第1相的两个桥臂中点分别与第1相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第2相的两个桥臂中点分别与第2相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第3相的两个桥臂中点分别与第3相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第4相的两个桥臂中点分别与第4相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第5相的两个桥臂中点分别与第5相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第6相的两个桥臂中点分别与第6相悬浮绕组的两端相连，每相悬浮绕组串联一个电流传感器；所述集中式绕组无轴承交替极永磁电机的减小悬浮力控制方法，对于悬浮力控制，采用基于两组坐标变换和悬浮电流重构的控制，其步骤如下：
步骤1：利用位移传感器1获得电机的x轴方向上的位移实际值x，利用位移传感器2获得电机的y轴方向上的位移实际值y；
步骤2：x轴方向上的位移给定值x*与x轴方向上的位移实际值x做差，得到差值(x*-x)，y轴方向上的位移给定值y*与y轴方向上的位移实际值y做差，得到差值(y*-y)；
步骤3：差值(x*-x)经过比例-积分-微分调节器1得到x方向上的悬浮电流给定值
Figure BDA0002735423350000061
差值(y*-y)经过比例-积分-微分调节器2得到y方向上的悬浮电流给定值
Figure BDA0002735423350000062
步骤4：
Figure BDA0002735423350000063
和
Figure BDA0002735423350000064
经过第一坐标变换得到
Figure BDA0002735423350000065
和
Figure BDA0002735423350000066
和
Figure BDA0002735423350000067
的表达式如下：
Figure BDA0002735423350000068
步骤5：
Figure BDA0002735423350000069
和
Figure BDA00027354233500000610
经过第二坐标变换得到
Figure BDA00027354233500000611
和
Figure BDA00027354233500000612
和
Figure BDA00027354233500000613
的表达式如下：
Figure BDA0002735423350000071
步骤6：对第一坐标变换得到的电流
Figure BDA0002735423350000072
和
Figure BDA0002735423350000073
和第二坐标变换得到的电流
Figure BDA0002735423350000074
和
Figure BDA0002735423350000075
经行重构，即第1相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA0002735423350000076
第2相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA0002735423350000077
第3相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA0002735423350000078
第4相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA0002735423350000079
第5相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA00027354233500000710
第6相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure BDA00027354233500000711
步骤7：采用全桥变换器实现悬浮电流的闭环控制，即第1相悬浮绕组的电流的实际值I1等于第1相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000712
第2相悬浮绕组的电流的实际值I2等于第2相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000713
第3相悬浮绕组的电流的实际值I3等于第3相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000714
第4相悬浮绕组的电流的实际值I4等于第4相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000715
第5相悬浮绕组的电流的实际值I5等于第5相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000716
第6相悬浮绕组的电流的实际值I6等于第6相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000717
图5为集中式绕组无轴承交替极永磁电机悬浮绕组与全桥变换器连接示意图，以第1相悬浮绕组为例，来说明悬浮电流的闭环控制的具体实现方式，第1相悬浮绕组的电流的实际值I1与第1相悬浮绕组的电流的给定值
Figure BDA00027354233500000718
做差，得到差值
Figure BDA00027354233500000719
当
Figure BDA00027354233500000720
开关管S1与S4导通，开关管S2与S3关断；当
Figure BDA00027354233500000721
开关管S2与S3导通，开关管S1与S4关断。第2相悬浮绕组～第6相悬浮绕组的悬浮电流的闭环控制同上。
图6为集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮力控制的传统方法的控制框图。图7为采用图6控制算法时的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮电流的磁势。图8为采用图5本发明控制算法时的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮电流的磁势。可以看出，与图7相比，图8的波形提高了正弦度。本发明通过对x方向上的悬浮电流给定值
Figure BDA0002735423350000081
和y方向上的悬浮电流给定值
Figure BDA0002735423350000082
采用两套坐标变换并进行悬浮电流重构，有效的减少了悬浮电流的磁势的谐波。
图9为采用图6控制算法时的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮力波形。图10为采用图5本发明控制算法时的集中式绕组无轴承交替极永磁电机的悬浮力波形。可以看出，与图9相比，本发明通过对x方向上的悬浮电流给定值
Figure BDA0002735423350000083
和y方向上的悬浮电流给定值
Figure BDA0002735423350000084
采用两套坐标变换并进行悬浮电流重构，有效的减少了悬浮力脉动，如图10所示。

Claims (3)

1.一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法，所述该方法采用的控制系统包括母线电压源、全桥变换器、集中式绕组无轴承交替极永磁电机、第一位移传感器、第二位移传感器和变频器，所述第一位移传感器和第二位移传感器分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机连接，所述变频器的三个输出端与集中式绕组无轴承交替极永磁电机的转矩绕组的三个输入端相连，所述母线电压源并联在所述全桥变换器的母线两端，所述全桥变换器有6相，全桥变换器第1相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第1相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第2相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第2相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第3相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第3相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第4相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第4相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第5相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第5相悬浮绕组的两端相连，全桥变换器第6相的两个桥臂中点分别与集中式绕组无轴承交替极永磁电机第6相悬浮绕组的两端相连，每相悬浮绕组串联一个电流传感器；
其特征在于：该方法采用基于两组坐标变换和悬浮电流重构的控制，其步骤如下：
步骤1：利用第一位移传感器获得集中式绕组无轴承交替极永磁电机的x轴方向上的位移实际值x，利用第二位移传感器获得集中式绕组无轴承交替极永磁电机的y轴方向上的位移实际值y；
步骤2：x轴方向上的位移给定值x*与x轴方向上的位移实际值x做差，得到差值x*-x，y轴方向上的位移给定值y*与y轴方向上的位移实际值y做差，得到差值y*-y；
步骤3：差值x*-x经过第一比例-积分-微分调节器得到x方向上的悬浮电流给定值
Figure FDA0002735423340000011
差值y*-y经过第二比例-积分-微分调节器得到y方向上的悬浮电流给定值
Figure FDA0002735423340000012
步骤4：
Figure FDA0002735423340000021
和
Figure FDA0002735423340000022
经过第一坐标变换得到
Figure FDA0002735423340000023
和
Figure FDA0002735423340000024
和
Figure FDA0002735423340000025
的表达式如下：
Figure FDA0002735423340000026
步骤5：
Figure FDA0002735423340000027
和
Figure FDA0002735423340000028
经过第二坐标变换得到
Figure FDA0002735423340000029
和
Figure FDA00027354233400000210
和
Figure FDA00027354233400000211
的表达式如下：
Figure FDA00027354233400000212
步骤6：对第一坐标变换得到的电流
Figure FDA00027354233400000213
和
Figure FDA00027354233400000214
和第二坐标变换得到的电流
Figure FDA00027354233400000215
和
Figure FDA00027354233400000216
进行重构，即第1相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure FDA00027354233400000217
第2相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure FDA00027354233400000218
第3相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure FDA00027354233400000219
第4相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure FDA00027354233400000220
第5相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure FDA00027354233400000221
第6相悬浮绕组的电流的给定值为
Figure FDA00027354233400000222
步骤7：采用全桥变换器实现悬浮电流的闭环控制，即第1相悬浮绕组的电流的实际值I1等于第1相悬浮绕组的电流的给定值
Figure FDA00027354233400000223
第2相悬浮绕组的电流的实际值I2等于第2相悬浮绕组的电流的给定值
Figure FDA00027354233400000224
第3相悬浮绕组的电流的实际值I3等于第3相悬浮绕组的电流的给定值
Figure FDA00027354233400000225
第4相悬浮绕组的电流的实际值I4等于第4相悬浮绕组的电流的给定值
Figure FDA00027354233400000226
第5相悬浮绕组的电流的实际值I5等于第5相悬浮绕组的电流的给定值
Figure FDA00027354233400000227
第6相悬浮绕组的电流的实际值I6等于第6相悬浮绕组的电流的给定值
Figure FDA00027354233400000228
2.根据权利要求1所述的一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法，其特征在于，所述集中式绕组无轴承交替极永磁电机第1相悬浮绕组由悬浮线圈1a和悬浮线圈1b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第2相悬浮绕组由悬浮线圈2a和悬浮线圈2b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第3相悬浮绕组由悬浮线圈3a和悬浮线圈3b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第4相悬浮绕组由悬浮线圈4a和悬浮线圈4b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第5相悬浮绕组由悬浮线圈5a和悬浮线圈5b反向串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机第6相悬浮绕组由悬浮线圈6a和悬浮线圈6b反向串联而成。
3.根据权利要求1所述的一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法，其特征在于，所述集中式绕组无轴承交替极永磁电机A相转矩绕组由转矩线圈A1、A2、A3、A4顺序串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机B相转矩绕组由转矩线圈B1、B2、B3、B4顺序串联而成，集中式绕组无轴承交替极永磁电机C相转矩绕组由转矩线圈C1、C2、C3、C4顺序串联而成。
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