降低悬浮电流的单绕组定子永磁型磁通切换电机驱动方法

摘要

本发明涉及一种降低悬浮电流的单绕组定子永磁型磁通切换电机驱动方法。首先为了降低悬浮电流瞬时峰值，提出一种六相单绕组无轴承磁通切换电机；然后，基于所提出的电机，提出其转子悬浮运行驱动方法，目的是降低现有单绕组无轴承磁通切换电机驱动系统的悬浮电流幅值。本发明极大降低了悬浮电流幅值，提升了电机驱动负载能力以及驱动系统的可靠运行能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低悬浮电流的单绕组定子永磁型磁通切换电机驱动方法。

背景技术

定子永磁型磁通切换电机永磁体位于定子上，热量便于散发，有效避免了永磁体因温升引起的退磁风险；且该种电机转子上只有凸极式铁心结构，便于高速运行。但传统的机械轴承支撑结构限制了其高速运行，同时也存在机械磨损带来的污染问题。为此，近些年有些学者针对该种电机提出了一些无轴承电机结构及其驱动控制方法。总体上可以把所提出的无轴承电机结构分为双绕组和单绕组两种结构。

其中，双绕组结构是在定子上同时嵌入功率绕组和悬浮绕组，功率绕组电流控制转子的切向旋转，悬浮绕组电流控制转子径向悬浮。双绕组结构主要的弊端在于两套绕组同时嵌入定子铁心中，若它们不共用定子槽，会存在两套绕组端部叠压或交叉现象，限制了实际嵌入定子铁心槽中的线圈匝数；若它们共用定子槽，则会进一步降低实际线圈匝数。由于线圈匝数的降低，直接降低了实际电机功率及转子径向悬浮力。

为此，学者们提出了单绕组型无轴承磁通切换电机。例如本申请者提出的发明专利[CN201410499575.2]，利用6相单绕组结构，各相绕组中同时流过转矩电流和悬浮电流，同时实现转子切向旋转控制和径向悬浮控制。由于该种结构不存在双绕组方案中的两套绕组竞争定子铁心空间问题，简化了电机结构和控制驱动器结构；另外，由于转矩电流和悬浮电流在相同的绕组中流动，这样在维持转子径向悬浮的前提条件下，可以实现电机更大的负载能力。但发明专利[CN201410499575.2]存在局部转子位置处悬浮电流分量幅值太大缺陷。

为此，本发明提出一种新型降低悬浮电流分量的单绕组定子永磁型无轴承磁通切换电机驱动系统，包括新型结构的单绕组定子永磁型无轴承磁通切换电机以及对应的电机驱动方法。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足，而提供一种降低悬浮电流的单绕组定子永磁型磁通切换电机驱动方法。首先为了降低悬浮电流瞬时峰值，提出一种六相单绕组无轴承磁通切换电机；然后，基于所提出的电机，提出其转子悬浮运行驱动方法。目的是降低现有单绕组无轴承磁通切换电机驱动系统的悬浮电流幅值。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种降低悬浮电流的单绕组定子永磁型磁通切换电机驱动方法，提供一六相单绕组无轴承磁通切换电机，所述六相单绕组无轴承磁通切换电机采用A～F六相单绕组结构，其定子由12个U型铁芯冲片构成，相邻的两个U型铁芯冲片之间夹着一个沿切向充磁的永磁体，且其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，并且C相和F相的四个线圈重新串联，使得C2、F2串联构成C相，C1、F1串联构成F相，以使得三对绕组流过幅值、极性相同的悬浮电流后，在空间产生互差120度的完全对称的悬浮力；该方法利用T6变换矩阵把六相绕组电流i_A～i_F变换至αβ坐标系中得i_αi_β；把αβ坐标系中电流i_αi_β变换至功率控制dq同步旋转坐标系中得i_di_q；把i_di_q送给偏置磁通辐角偏置磁通幅值φ_m计算环节，输出φ_m；根据x和y方向转子径向偏移量及其给定值x*、y*，计算对应的转子径向偏移控制误差Δx、Δy；把Δx、Δy分别送给x和y方向径向位移控制器，输出x和y方向悬浮力给定值根据及φ_m计算出d1q1坐标系悬浮力给定利用角度把旋转变换到x和y坐标系得而后，利用T6逆矩阵，把变换至六相自然坐标系中得六相绕组电流给定值再借助于电流控制器实现实际六相电流i_A～i_F跟随给定值，从而实现转子切向旋转同时转子径向悬浮。

在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下：

步骤S1、利用T6变换矩阵把六相绕组电流i_A～i_F变换至αβ坐标系中得i_αi_β，其采用的计算公式如下：

步骤S2、把αβ坐标系中电流i_αi_β变换至功率控制dq同步旋转坐标系中得i_di_q，其采用的计算公式如下：

其中，θ_r为转子切向位置角；

步骤S3、把i_di_q送给偏置磁通辐角偏置磁通幅值φ_m计算环节，输出φ_m，其采用的计算公式如下：

其中，L_d、L_q分别为电机直、交轴电感；φ_pm为永磁体耦合到相绕组中的磁通；N_c为线圈匝数；

步骤S4、根据x、y轴悬浮力及φ_m计算出d1q1坐标系悬浮力给定其采用的计算公式如下：

其中，k_n为悬浮力系数，其为负值；μ₀为空气磁导率；

步骤S5、利用角度把旋转变换到x和y坐标系得其采用的计算公式如下：

步骤S6、把变换至六相自然坐标系中得六相绕组电流给定值其采用的计算公式如下：

步骤S7、把六相绕组电流给定值和实际六相电流i_A～i_F送给各自的电流控制器，实现实际六相电流跟踪各自的给定值。

在本发明一实施例中，所述步骤S4中，x、y轴悬浮力来自于x和y方向径向位移控制器，其计算步骤如下：

步骤S41、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S42、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(9)

Δy＝y^*-dy(10)

步骤S43、把Δx、Δy分别送给x和y方向径向位移控制器，输出x和y方向悬浮力给定值若控制器采用PI形式，则计算公式如下：

在本发明一实施例中，所述步骤S5中，角度是利用转子切向位置角θ_r减去45°，然后再加上偏置磁通辐角得到。

在本发明一实施例中，所述步骤S6中，均等于零，借助于坐标的旋转变换得到，计算步骤如下：

步骤S61、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功率控制dq同步旋转坐标系中dq轴电流给定值

步骤S62、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：

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：(1)三对空间对称绕组流过悬浮电流产生空间完全对称的悬浮力，有效避免了部分转子位置处悬浮力过低现象，从而极大降低了悬浮电流幅值；(2)由于采用单层绕组结构，悬浮电流和功率电流流进相同的绕组中，电机悬浮电流和功率电流比例分配可以无缝控制，极大地提高了电机驱动负载能力；(3)由于采用多相绕组结构，驱动系统可以实现绕组故障情况下的容错运行，有效提高了驱动系统的可靠运行能力。

附图说明

图1本发明所提的单绕组无轴承磁通切换电机。

图2空间三对绕组流过幅值、极性相同悬浮电流时产生悬浮力。

图3本发明所提的单绕组无轴承磁通切换电机控制框图。

图4本发明的实施例驱动系统硬件结构。

图5悬浮力控制坐标系定义。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

为了避免现有技术的不足，本发明提出一种降低悬浮电流的单绕组无轴承磁通切换电机驱动方法。首先为了降低悬浮电流瞬时峰值，提出一种六相单绕组无轴承磁通切换电机；然后，基于所提出的电机，提出其转子悬浮运行驱动方法。目的是降低现有单绕组无轴承磁通切换电机驱动系统的悬浮电流幅值。所提出的六相单绕组无轴承磁通切换电机横截面如图1所示。

采用A～F六相单绕组结构，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相同，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。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。三对绕组中流过的悬浮电流分别为i_AD、i_BE、i_CF。实际绕组中还流过控制转子切向旋转的转矩电流i_AT、i_BT、i_CT、i_DT、i_ET、i_FT，转矩电流和永磁体共同在气隙中产生偏置磁场。为了克服现有方案中某些转子位置出现过大的悬浮电流缺陷，将C相和F相的四个线圈重新串联，使得C2、F2串联构成C相，C1、F1串联构成F相，这样三对绕组流过幅值、极性相同的悬浮电流后，在空间产生互差120度的完全对称的悬浮力如图2所示，避免了某些转子位置处三对绕组产生的悬浮力均过小现象，从而避免了某些转子位置处，悬浮电流过大缺陷。

本发明方法的控制原理框图如图3所示。利用T6变换矩阵把六相绕组电流i_A～i_F变换至αβ坐标系中得i_αi_β；把αβ坐标系中电流i_αi_β变换至功率控制dq同步旋转坐标系中得i_di_q；把i_di_q送给偏置磁通辐角偏置磁通幅值φ_m计算环节，输出φ_m；根据x和y方向转子径向偏移量及其给定值x*、y*，计算对应的转子径向偏移控制误差Δx、Δy；把Δx、Δy分别送给x和y方向径向位移控制器，输出x和y方向悬浮力给定值根据及φ_m计算出d1q1坐标系悬浮力给定利用角度把旋转变换到x和y坐标系得利用T6逆矩阵，把变换至六相自然坐标系中得六相绕组电流给定值再借助于电流控制器实现实际六相电流i_A～i_F跟随给定值，从而实现转子切向旋转同时转子径向悬浮。

本发明针对所提六相单绕组无轴承磁通切换电机，提出其对应的驱动控制策略，形成完整的降低悬浮电流的单绕组无轴承磁通切换电机驱动方法。除了所提六相单绕组结构技术特征外，技术特征还在于它依次含有以下步骤：

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

(2)把αβ坐标系中电流i_αi_β变换至功率控制dq同步旋转坐标系中得i_di_q，其采用的计算公式如下：

其中，θ_r为转子切向位置角。

(3)把i_di_q送给偏置磁通辐角偏置磁通幅值φ_m计算环节，输出φ_m，其采用的计算公式如下：

其中，L_d、L_q分别为电机直、交轴电感；φ_pm为永磁体耦合到相绕组中的磁通；N_c为线圈匝数。上述这三个参数均来自于电机设计参数。

(4)根据及φ_m计算出d1q1坐标系悬浮力给定其采用的计算公式如下：

其中，k_n为悬浮力系数，其为负值，可以利用有限元分析电机的悬浮力方法得到。μ₀为空气磁导率。

(5)利用角度把旋转变换到x和y坐标系得其采用的计算公式如下：

(6)把变换至六相自然坐标系中得六相绕组电流给定值其采用的计算公式如下：

(7)把六相绕组电流给定值和实际六相电流i_A～i_F送给各自的电流控制器，实现实际六相电流跟踪各自的给定值。

其中，步骤(4)中的x、y轴悬浮力给定来自于x和y方向径向位移控制器，其计算步骤如下：

(4.1)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；

(4.2)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Δx、Δy，其采用的计算公式如下：

Δx＝x^*-dx(9)

Δy＝y^*-dy(10)

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

其中，步骤(5)中角度是利用转子切向位置角θ_r减去45°，然后再加上偏置磁通辐角得到。

其中，步骤(6)中均等于零，借助于坐标的旋转变换得到，计算步骤如下：

(6.1)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功率控制dq同步旋转坐标系中dq轴电流给定值

(6.2)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：

以下为本发明的具体实施例。

本发明的实施例驱动系统硬件结构如图4所示。包括：整流电路、滤波电容、六相逆变器、无轴承磁通切换电机、六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。

基本原理叙述如下：

设电机直、交轴电感分别为L_d、L_q，直、交轴电流分别为i_d、i_q，则直、交轴电枢反应磁链分别为i_dL_d、i_qL_q。这样耦合到A相与D相逆向串联绕组总的电枢反应磁链分别为i_dL_dcos(θ_r)+i_qL_q>r+90)。

设每一个线圈匝数为N_c。由于A相和D相绕组的磁路结构完全一样，所以它们耦合的磁链也完全相同。这样可以求出耦合到A和D相的电枢反应磁通φ_{AD_dq}统一表示成如下：

对于本发明电机而言，绕组磁通同时包括永磁体耦合磁通和电枢反应磁通两部分，所以A相和D相耦合的总磁通φ_A(θ_r)如下：

其中

根据麦克斯韦力计算转子悬浮力方法计算出AD相绕组产生的悬浮力x和y分量F_{AD_x}、F_{AD_y}如下：

其中，i_AD为A相和D相中流入的悬浮电流分量。k_n为悬浮力系数，其为负值。μ₀为空气磁导率。

若考虑x和y的悬浮力分量之间的30度电角度偏差，A相和D相绕组产生的悬浮力F_AD如下：

类似于A相和D相绕组产生的悬浮力推导过程，推导C相和F相悬浮力F_CF、B相和E相悬浮力F_BE表达式如下：

所以，当六相绕组同时流过悬浮电流i_AD、i_CF、i_BE后，产生总的悬浮力如下：

根据式(8)，若已知悬浮力F_x、F_y可以求出六相绕组悬浮电流如下：

i_AD＝-i_BE-i_CF(10)

假设六相绕组电流中用于控制转子切向旋转的电流分量i_AT、i_BT、i_CT、i_DT、i_ET、i_FT分别如下：

若六相绕组电流中同时流过悬浮电流i_AD、i_CF、i_BE后，实际六相电流i_A～i_F如下：

利用以下形式的T6变换把A～F自然坐标系电流变换至αβxyo1o2坐标系中得：

利用i_AD+i_BE+i_CF＝0关系，把式(14)进一步化简为：

联立式(9)(15)，进一步求解x、y轴电流分量i_x1、i_y1如下：

定义如下d1q1同步旋转坐标系：

则

由此可见，d1q1同步旋转坐标系中电流分量i_d1、i_q1分别控制着x、y轴悬浮力分量F_x、F_y。这样根据转子径向控制所需要的悬浮力F_x、F_y需要，根据式(17)可以计算出所需要的d1q1轴承悬浮电流i_d1i_q1；然后根据图5把i_d1i_q1旋转变换至x1y1坐标系中得i_x1i_y1；再根据式(14)逆变换，计算出六相绕组电流应有的控制值，从而实现转子旋转运行。

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。