CN105827159B - 一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，该方法基于空间对称气隙磁场相反方向调制思想，构建三相悬浮绕组；每一相悬浮绕组流过电流产生固定方向的悬浮力，包括较大幅值的直流分量和随转子位置变化的较小幅值的交流分量；根据实际转子径向偏离中心误差，在三相悬浮绕组中流过近似等幅值的对称连续悬浮电流，实现转子稳定悬浮。本发明采用的低依赖转子位置的三相定子永磁型无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法能够进一步提高定子永磁型无轴承磁通切换电机转子悬浮控制的可靠性。

Description

一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法
技术领域
本发明涉及电机转子悬浮控制领域，特别是涉及一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法。
背景技术
永磁同步电机利用永磁体激磁，降低了绕组电流，提高了电机运行的工作效率及电机的功率密度。传统的永磁体放置在旋转的转子上，使得永磁体的热量难以散发，从而诱发永磁体退磁风险。为此，学者提出了定子永磁型磁通切换电机，将永磁体嵌放在定子上，便于热量的快速散发，同时由于转子上只有凸极式硅钢片，便于高速运行。
传统的电机转轴利用机械轴承支撑，从而限制了电机的旋转速度及容量；同时也带来了旋转磨损及污染。所以，为了实现电机高速、无污染、高效率运行，有必要对定子永磁型无轴承磁通切换电机转子悬浮控制进行研究。
为了实现磁通切换电机瞬时转矩控制，通常需要转子同轴安装转子位置角传感器，以便获得转子位置信息。但从可靠性角度，当然希望转子悬浮控制对转子位置角信息依赖程度尽可能降低，甚至不要转子位置角信息。为了实现转子悬浮控制，可以采用两相悬浮绕组，也可以采用三相悬浮绕组。但前者需要两个独立的单相逆变桥进行控制，而后者只需要三相逆变桥即可。所以，从降低***成本及增强驱动***平稳运行角度，悬浮控制绕组采用三相较佳。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种三相定子永磁型无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，能够提高定子永磁型无轴承磁通切换电机转子悬浮控制的可靠性。
本发明采用以下方案实现：一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据悬浮绕组连接结构，制作无轴承磁通切换电机；
步骤S2：利用转子位置传感器进行角检测，实时检测出转子旋转机械角度θr；
步骤S3：根据转子旋转机械角度θr计算单位悬浮绕组电流产生悬浮力幅值，输出悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm，其计算数学模型如下：
Fam＝F1m-Fpmsin(prθr-30)
Fbm＝F1m-Fpmsin(prθr+90)
Fcm＝F1m-Fpmsin(prθr+210)；
步骤S4：检测x和y方向转子径向位移，分别输出x方向和y方向转子位移值x和y，并计算出x和y方向位移误差-x和-y；
步骤S5：将x和y方向的位移误差-x和-y分别传送给转子径向位移控制器，分别输出x和y方向的转子悬浮力给定值
步骤S6：将转子悬浮力给定值及悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm同时传送给三相悬浮绕组电流给定计算，输出三相悬浮绕组电流给定值其计算数学模型如下：
步骤S7：将三相悬浮绕组电流给定值传送给电流控制器，实现实际悬浮绕组电流跟踪各自的给定值，实现转子径向稳定悬浮。
进一步地，所述步骤S1中制作无轴承磁通切换电机采用功率绕组和悬浮绕组共同绕制在定子磁极上的双绕组结构，定子铁心由12个U型硅钢片构成，相邻的两个U型硅钢片之间夹一块沿切向充磁的永磁体，转子铁芯由具有齿槽结构的硅钢片冲压而成。
进一步地，所述步骤S1中，悬浮绕组连接结构的悬浮控制装置包括三相逆变器、无轴承磁通切换电机、直流母线电压采集电路、三相绕组电流采集电路、转子径向位移检测电路、转子位置角检测电路、隔离驱动电路、中央控制器以及人机接口；所述中央控制器与所述直流母线电压采集电路、三相绕组电流采集电路、转子径向位移检测电路、转子位置角检测电路以及隔离驱动电路相连，所述无轴承磁通切换电机与所述三相逆变器、转子径向位移检测电路以及转子位置角检测电路相连；所述三相逆变器还与所述隔离驱动电路相连。
进一步地，所述三相逆变器中采用的功率管包括IGBT与MOFET；
进一步地，所述中央控制器包括DSP或单片机。
进一步地，所述无轴承磁通切换电机包括定子永磁型无轴承磁通切换电机。
进一步地，所述转子位置角检测电路包括传感器与电平转换电路，所述传感器包括旋转编码器或旋转变压器。
进一步地，所述转子径向位移检测电路包括电涡流传感器与电平转换电路。
进一步地，所述步骤S4所采用的径向位移传感器包括PI控制器。
进一步地，所述步骤S5所采用电流控制器包括PI控制器。
本发明所提电机中功率绕组控制器可以是基于电机稳态数学模型构建的变压变频控制器，也可以是基于电机瞬态数学模型建立的矢量控制器或直接转矩控制器。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：1)采用永磁体激磁，实现了电机高功率因数及高效率运行；2)采用定子永磁结构，便于永磁体散热，有效避免了永磁体不可逆退磁的风险；3)每一相悬浮绕组产生悬浮力在空间位置固定，其幅值中含有较大的直流量，降低了转子悬浮控制对转子位置角的依赖程度，提高了悬浮控制的可靠性及降低了悬浮控制***的成本；4)采用三相悬浮绕组结构，减少了控制转子悬浮的逆变桥个数，从而进一步降低了转子悬浮控制***成本。
附图说明
图1是本发明的悬浮控制方法示意框图。
图2(a)是本发明的第一种定子永磁型磁通切换电机横截面只有功率绕组的示意图。
图2(b)是本发明的第一种定子永磁型磁通切换电机横截面只有悬浮绕组的示意图。
图3(a)是本发明的第二种定子永磁型磁通切换电机横截面只有功率绕组的示意图。
图3(b)是本发明的第二种定子永磁型磁通切换电机横截面只有悬浮绕组的示意图。
图4是本发明的悬浮控制装置示意图。
图5本发明的三悬浮绕组中流过单位正方向电流产生悬浮力示意图。
图6本发明的三悬浮绕组中流过单位正方向电流产生悬浮力幅值示意图。
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。
本实施例提供一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：根据悬浮绕组连接结构，制作无轴承磁通切换电机；
步骤S2：利用转子位置传感器进行角检测，实时检测出转子旋转机械角度θr；
步骤S3：根据转子旋转机械角度θr计算单位悬浮绕组电流产生悬浮力幅值，输出悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm，其计算数学模型如下：
Fam＝F1m-Fpmsin(prθr-30)
Fbm＝F1m-Fpmsin(prθr+90)
Fcm＝F1m-Fpmsin(prθr+210)；
步骤S4：检测x和y方向转子径向位移，分别输出x方向和y方向转子位移值x和y，并计算出x和y方向位移误差-x和-y，所采用的径向位移传感器可以采用电涡流传感器；
步骤S5：将x和y方向的位移误差-x和-y分别传送给转子径向位移控制器，分别输出x和y方向的转子悬浮力给定值所采用径向位移控制器可以是PI控制器，也可以是其他满足要求的控制器；
步骤S6：将转子悬浮力给定值及悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm同时传送给三相悬浮绕组电流给定计算，输出三相悬浮绕组电流给定值其计算数学模型如下：
步骤S7：将三相悬浮绕组电流给定值传送给电流控制器，实现实际悬浮绕组电流跟踪各自的给定值，实现转子径向稳定悬浮，所采用的电流控制器可以是PI控制器，也可以是其他满足要求的控制器。
在本实施例中所述步骤S1中制作无轴承磁通切换电机采用功率绕组和悬浮绕组共同绕制在定子磁极上的双绕组结构，如图2(a)和图2(b)所示的定子永磁型无轴承磁通切换电机横截面中，定子铁心由12个U型硅钢片构成，相邻的两个U型硅钢片之间夹一块沿切向充磁的永磁体，充磁方向如图中箭头所示；转子铁芯由具有齿槽结构的硅钢片冲压而成。功率绕组与普通的定子永磁型磁通切换电机中一样，可以是三相，也可以采用多相结构，例如图2(a)中示范了三相功率绕组中a相连接方式。悬浮绕组中每一个线圈两个导体边放置在定子相邻的两个U型冲片之间，按图2(b)中连接方式连接成三相Y型结构，分别记为Sa、Sb、Sc。为了进一步便于定子冲片的安装，本实施例制成的定子永磁型无轴承磁通切换电机也可以采用图3(a)和图3(b)所示的具有导磁磁桥的形式，U型硅钢片冲片利用磁桥柱、导磁磁桥连接成一个整体，功率绕组绕制方法与图2(a)和图2(b)中相同，悬浮绕组线圈绕制在磁桥柱上。
在本实施例中，从电机结构和控制两方面，综合提出了低依赖转子位置角的三相定子永磁型无轴承磁通切换电机转子稳定悬浮控制方法，利用在定子上嵌入三相悬浮绕组，各自产生空间位置固定的悬浮力；借助于悬浮绕组悬浮力与其流进的悬浮电流数学模型，产生实际电机稳定悬浮力的悬浮绕组电流。利用转子位置角检测环节检测出转子位置角θr，将该位置角送给单位悬浮绕组电流产生悬浮力幅值计算环节后，输出悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm；利用两个正交的转子径向位移传感器测量出位移值x和y；根据位移误差-x和-y，利用两个位移控制器输出x和y方向的转子悬浮力给定根据悬浮绕组流过电流与其产生的悬浮力关系，求出三相悬浮绕组电流给定 再利用三相电流控制器，实现实际悬浮绕组电流跟踪其给定值，从而实现转子稳定悬浮。所述定子永磁型无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法框图如图1所示。
在本实施例中，所述步骤S1中，图4所示，悬浮绕组连接结构的悬浮控制装置包括三相逆变器、无轴承磁通切换电机、直流母线电压采集电路、三相绕组电流采集电路、转子径向位移检测电路、转子位置角检测电路、隔离驱动电路、中央控制器以及人机接口；所述中央控制器与所述直流母线电压采集电路、三相绕组电流采集电路、转子径向位移检测电路、转子位置角检测电路以及隔离驱动电路相连，所述无轴承磁通切换电机与所述三相逆变器、转子径向位移检测电路以及转子位置角检测电路相连；所述三相逆变器还与所述隔离驱动电路相连。
在本实施例中，所述三相逆变器中采用的功率管包括IGBT与MOFET；
在本实施例中，所述中央控制器包括DSP或单片机。
在本实施例中，所述无轴承磁通切换电机包括定子永磁型无轴承磁通切换电机。
在本实施例中，所述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***成本。所述直流母线电压采集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。
在本实施例中，所述转子位置角检测电路包括传感器与电平转换电路，所述传感器包括旋转编码器或旋转变压器。所述转子径向位移检测电路包括电涡流传感器与电平转换电路。各种检测电路输出的弱电信号送到中央控制器A/D转换模块。根据取得的信号和转子悬浮控制策略计算出应发出的控制信号，经由隔离驱动去控制逆变器中的功率开关管的开关动作，实现转子稳定悬浮。
本实施例基于空间对称气隙磁场相反方向调制思想，构建三相悬浮绕组；每一相悬浮绕组流过电流产生固定方向的悬浮力，包括较大幅值的直流分量和随转子位置变化的较小幅值的交流分量；根据实际转子径向偏离中心误差，在三相悬浮绕组中流过近似等幅值的对称连续悬浮电流，实现转子稳定悬浮。
其基本原理如下所述：
三悬浮绕组Sa、Sb、Sc中流过单位正方向电流后，各自产生的悬浮力Fa、Fb、Fc分别位于xy坐标平面的30度、270度和150度方向上，如图5所示，悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm随转子位置角θr变化示意如图6所示，忽略其中较高次谐波后，悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm可近似如下公式所示，其中F1m为悬浮力幅值中直流分量，Fpm悬浮力幅值中交流分量峰值，pr为转子齿数：
Fam＝F1m-Fpmsin(prθr-30)
Fbm＝F1m-Fpmsin(prθr+90)
Fcm＝F1m-Fpmsin(prθr+210)
根据以上公式以及图5悬浮力位置关系可得三相悬浮绕组Sa、Sb、Sc分别流过电流ia、ib、ic后，产生悬浮力分别如下公式所示，其中ej30、ej270、ej150分别为30度、270度、150度旋转因子：
Fa＝iaFamej30
Fb＝ibFbmej270
Fc＝icFcmej150
将以上公式得到的三相悬浮力分别向x轴和y轴方向投影，并且考虑三相绕组星型连接方式，可得xy平面内悬浮力表达式如下：
根据上式以及实际转子悬浮控制需要，若需产生的悬浮力在x轴和y轴上的分量分别为Fx和Fy，则悬浮绕组Sa和Sc中应流过电流如下：
根据悬浮绕组星形连接方式可得b相悬浮绕组电流如下：
ib＝-ia-ic。
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 (9)

1.一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：根据悬浮绕组连接结构，制作无轴承磁通切换电机；
步骤S2：利用转子位置传感器进行角检测，实时检测出转子旋转机械角度θr；
步骤S3：根据转子旋转机械角度θr计算单位悬浮绕组电流产生悬浮力幅值，输出悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm，其计算数学模型如下：
Fam＝F1m-Fpmsin(prθr-30)
Fbm＝F1m-Fpmsin(prθr+90)
Fcm＝F1m-Fpmsin(prθr+210)；
其中，F1m为悬浮力幅值中直流分量，Fpm为悬浮力幅值中交流分量峰值，pr为转子齿数；
步骤S4：检测x和y方向转子径向位移，分别输出x方向和y方向转子位移值x和y，并计算出x和y方向位移误差-x和-y；
步骤S5：将x和y方向的位移误差-x和-y分别传送给转子径向位移控制器，分别输出x和y方向的转子悬浮力给定值
步骤S6：将转子悬浮力给定值及悬浮力幅值Fam、Fbm、Fcm同时传送给三相悬浮绕组电流给定计算，输出三相悬浮绕组电流给定值其计算数学模型如下：
步骤S7：将三相悬浮绕组电流给定值传送给电流控制器，实现实际悬浮绕组电流跟踪各自的给定值，实现转子径向稳定悬浮；
所述步骤S1中制作无轴承磁通切换电机采用功率绕组和悬浮绕组共同绕制在定子磁极上的双绕组结构，定子铁心由12个U型硅钢片构成，相邻的两个U型硅钢片之间夹一块沿切向充磁的永磁体，转子铁芯由具有齿槽结构的硅钢片冲压而成。
2.根据权利要求1所述的一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，悬浮绕组连接结构的悬浮控制装置包括三相逆变器、无轴承磁通切换电机、直流母线电压采集电路、三相绕组电流采集电路、转子径向位移检测电路、转子位置角检测电路、隔离驱动电路、中央控制器以及人机接口；所述中央控制器与所述直流母线电压采集电路、三相绕组电流采集电路、转子径向位移检测电路、转子位置角检测电路以及隔离驱动电路相连，所述无轴承磁通切换电机与所述三相逆变器、转子径向位移检测电路以及转子位置角检测电路相连；所述三相逆变器还与所述隔离驱动电路相连。
3.根据权利要求2所述的一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：所述三相逆变器中采用的功率管包括IGBT与MOSFET。
4.根据权利要求2所述的一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：所述中央控制器包括DSP或单片机。
5.根据权利要求2所述的一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：所述无轴承磁通切换电机包括定子永磁型无轴承磁通切换电机。
6.根据权利要求2所述的一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：所述转子位置角检测电路包括传感器与电平转换电路，所述传感器包括旋转编码器或旋转变压器。
7.根据权利要求2所述的一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：所述转子径向位移检测电路包括电涡流传感器与电平转换电路。
8.根据权利要求1所述的一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：所述步骤S5所采用的径向位移控制器包括PI控制器。
9.根据权利要求1所述的一种三相无轴承磁通切换电机转子悬浮控制方法，其特征在于：所述步骤S7所采用电流控制器包括PI控制器。
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