一种无轴承磁通切换电机转子径向偏移观测方法与流程

本发明涉及一种无轴承磁通切换电机转子径向偏移观测方法。

背景技术：

传统的永磁同步电机采用转子永磁结构，永磁体处于定子内腔中。由于定子内腔的温度通常较高，且温度不易散发，导致永磁体具有温升退磁的风险。为此，学者们提出了定子永磁型磁通切换电机，其永磁体处于定子上，永磁体的温度易于散发，有效降低了永磁温升退磁的风险。

机械轴承支撑的定子永磁型磁通切换电机具有轴承的机械磨损，导致该种电机在大容量、高速、清洁、高可靠性等领域应用受限，而把无轴承技术应用于定子永磁型磁通切换电机上，构成新型的无轴承磁通切换电机，可以有效地拓展了定子永磁型磁通切换电机的应用范围。

在实现无轴承磁通切换电机转子悬浮控制的过程中，需要构建转子径向偏移闭环控制，实现转子悬浮于中心运行，这就需要转子径向偏移量的反馈。为了获得转子径向偏移量，通常采用转子径向位移传感器，例如电涡流传感器，而且为了提高测量的灵敏度及测量精度，通常在空间360圆周上，每隔90度安装一个传感器，采用差动方式测量出空间正交的x和y方向的转子径向偏移量δx和δy。显然，这种直接测量方法具有如下缺点：1)传感器成本较高，从而提高了整个驱动系统的硬件成本；2)传感器至驱动控制器之间存在弱电连线，降低了驱动控制的可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无轴承磁通切换电机转子径向偏移观测方法，解决了无轴承磁通切换电机在没有转子径向偏移量物理传感器情况下，准确观测出转子径向偏移量的难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无轴承磁通切换电机转子径向偏移观测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤s1：将交流电压经过二极管整流，电容滤波后得到直流电压；

步骤s2：将所述直流电压加在控制悬浮绕组电流的三相逆变器上；

步骤s3：将12个悬浮线圈的反电动势e1～e12送至减法器进行如下运算：

e17＝e1-e7，e28＝e2-e8，e39＝e3-e9，

e410＝e4-e10，e511＝e5-e11，e612＝e6-e12

步骤s4：将e17、e28、e39、e410、e511、e612送至加法器进行如下运算：

eadd1＝e17+e28+e39，eadd2＝e410+e511+e612

步骤s5：将转子位置角θr分别送给sin(θr+θ0-45°)和计算环节，分别输出c45和c60，其中计算公式如下：

其中，θ0为初始相位角；

步骤s6：将c45和c60送给|axy|计算环节，输出|axy|，其计算公式如下：

步骤s7：将c45、c60、|axy|同时送给axy11、axy12、axy21、axy22计算环节，分别输出axy11、axy12、axy21、axy22，其计算公式如下：

步骤s8：将eadd1和eadd2、axy11、axy12、axy21、axy22送至δx和δy计算环节，分别输出x和y方向偏移量δx、δy，其计算公式如下：

其中，即为转子径向偏移量。

进一步的，所述步骤s3中12个悬浮线圈的反电动势e1～e12的获取方法如下：

步骤s31：采样12个悬浮线圈电压u1～u12及三相悬浮绕组电流ia、ib、ic；

步骤s32：根据12个悬浮线圈电压u1～u12及三相悬浮绕组电流ia、ib、ic，计算12个悬浮线圈反电动势e1～e12，其采用的计算公式如下：

a相悬浮绕组：e1＝u1-rsia，e2＝-u2+rsia，e7＝-u7+rsia，e8＝u8-rsia；

b相悬浮绕组：e3＝u3-rsib，e4＝-u4+rsib，e9＝-u9+rsib，e10＝u10-rsib；

c相悬浮绕组：e5＝u5-rsic，e6＝-u6+rsic，e11＝-u11+rsic，e12＝u12-rsic；

其中，rs为悬浮绕组的一个线圈电阻。

进一步的，所述步骤s5中，初始相位角θ0的值为0。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1)本发明利用易测量的悬浮绕组线圈端电压来观测转子径向偏移量，省去了转子径向偏移量测量传感器，有效降低了悬浮控制成本；2)采用空间对称悬浮线圈反电动势差来构建转子径向偏移观测器，有效抑制了检测通道的干扰对最终径向偏移量观测的影响，提高了径向偏移量观测的精度；3)由于不存在物理上转子径向偏移量测量传感器，减少了悬浮控制器与电机之间的连线，提高了悬浮控制的可靠性。

附图说明

图1是无轴承磁通切换电机示意图。

图2是本发明的控制原理框图。

图3是本发明一实施例的驱动系统硬件结构。

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。

如图1所示为无轴承磁通切换电机的示意图，采用功率和悬浮双绕组结构，a、b、c为三相功率绕组，a、b、c为三相悬浮绕组，扣除悬浮绕组后，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1构成，相邻的两个u型铁芯冲片1之间夹着一个沿切向充磁的永磁体2。为了降低铁芯磁饱和程度，有利于气隙磁场的调制，永磁体沿径向高度减少了。构成三相悬浮绕组的12个线圈首尾按照图1中串联而成，从而保证空间对称的两个悬浮线圈流过电流产生的磁场对空间对称气隙磁场的调制方向相反。悬浮线圈1、2、7、8串联构成a相悬浮绕组，悬浮线圈3、4、9、10串联构成b相悬浮绕组，悬浮线圈5、6、11、12串联构成c相悬浮绕组。

空间对称的悬浮线圈中反电动势幅值在转子径向偏移后不等，且转子径向偏移量越大，这两个空间对称的悬浮线圈中反电动势幅值偏差越大；转子径向偏移方向相反时这两个空间对称的悬浮线圈中反电动势幅值偏差极性也随之改变。

本发明利用上述空间对称的悬浮线圈中反电动势幅值偏差与转子径向偏移量之间的关系，构建转子径向偏移量观测器。该方法分别利用减法器实现图1中空间对称的两个悬浮线圈中反电动势减法，然后再利用转子旋转角度θr、加法器、axy矩阵计算环节、偏移量δx和δy计算环节等直接推算出转子径向偏移量δx和δy。把该转子径向偏移量的观测值反馈给转子径向偏移控制器即可实现转子悬浮控制。

请参照图2，本发明提供一种无轴承磁通切换电机转子径向偏移观测方法，把悬浮控制算法中需要的转子径向偏移量用观测值δx、δy代替即可实现无轴承磁通切换电机无径向位移传感器控制，提高了悬浮控制的可靠性。在采用全数字控制的驱动系统中，采用本发明不需要另外添加硬件，即可准确观测出转子径向偏移量，实现了电机无径向位移传感器的运行，降低了驱动系统成本，提高了驱动系统运行的可靠性，具体包括以下步骤：

步骤s1：将交流电压经过二极管整流，电容c滤波后得到直流电压udc；

步骤s2：将所述直流电压udc加在控制悬浮绕组电流的三相逆变器上；

步骤s3：将12个悬浮线圈的反电动势e1～e12分别送至减法器1～减法器6进行如下运算：

e17＝e1-e7，e28＝e2-e8，e39＝e3-e9，

e410＝e4-e10，e511＝e5-e11，e612＝e6-e12

于本实施例中，所述12个悬浮线圈的反电动势e1～e12的获取方法如下：

步骤s31：采样12个悬浮线圈电压u1～u12及三相悬浮绕组电流ia、ib、ic；

步骤s32：根据12个悬浮线圈电压u1～u12及三相悬浮绕组电流ia、ib、ic，计算12个悬浮线圈反电动势e1～e12，其采用的计算公式如下：

a相悬浮绕组：e1＝u1-rsia，e2＝-u2+rsia，e7＝-u7+rsia，e8＝u8-rsia；b相悬浮绕组：e3＝u3-rsib，e4＝-u4+rsib，e9＝-u9+rsib，e10＝u10-rsib；c相悬浮绕组：e5＝u5-rsic，e6＝-u6+rsic，e11＝-u11+rsic，e12＝u12-rsic；其中，rs为悬浮绕组的一个线圈电阻，可以先测量出一相悬浮绕组电阻r0，则rs＝0.25r0；

步骤s4：将e17、e28、e39、e410、e511、e612送至加法器进行如下运算：

eadd1＝e17+e28+e39，eadd2＝e410+e511+e612

步骤s5：将转子位置角θr分别送给sin(θr+θ0-45°)和计算环节，分别输出c45和c60，其中计算公式如下：

其中，θ0为初始相位角；初始相位角θ0的值为0；

步骤s6：将c45和c60送给|axy|计算环节，输出|axy|，其计算公式如下：

步骤s7：将c45、c60、|axy|同时送给axy11、axy12、axy21、axy22计算环节，分别输出axy11、axy12、axy21、axy22，其计算公式如下：

步骤s8：将eadd1和eadd2、axy11、axy12、axy21、axy22送至δx和δy计算环节，分别输出x和y方向偏移量δx、δy，其计算公式如下：

其中，即为转子径向偏移量。

如图3所示为本发明一实施例的驱动系统硬件结构，包括：整流电路、滤波电容、悬浮控制三相逆变器、旋转控制三相逆变器、无轴承磁通切换电机、悬浮绕组电流采集电路、悬浮绕组线圈端电压采集电路、功率绕组电流采集电路、隔离驱动、中央控制器、人机接口。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。悬浮线圈端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。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。绕组电流采集电路、线圈电压采集电路、转子位置角检测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转子径向位移观测方法观测出转子径向位移量，再根据观测的转子径向位移量、三相悬浮绕组电流，由悬浮力闭环控制策略计算出应发出的控制信号，经由隔离驱动1去控制悬浮控制三相逆变器中的功率开关管的开关动作。旋转控制可以采用现有的直接转矩控制或矢量控制算法均可。

为了一般技术人员能更好地理解本发明的技术方案，以下结合基本原理进行叙述：

设图1中电机转子中心沿角方向偏移距离为eo，沿水平方向定义为x轴，沿垂直方向定义为y轴，xy坐标系坐标原点与转子无偏心时的中心重合。偏移距离为eo在x轴和y轴上的投影分别为δx和δy，即转子中沿x、y轴偏移距离分别为δx和δy。该电机共有12个悬浮线圈，在转子偏心情况下，每一悬浮绕组线圈耦合的最大磁链如下：

其中，nx为每一个线圈匝数，s为每一个定子齿横截面积，μo为空气磁导率，δo为气隙长度，fom为降落在气隙上磁动势峰值，ψ1m～ψ12m分别为悬浮绕组中12个线圈耦合的最大磁链。

这样，12个线圈产生的反电动势e1～e12如下

根据式(13)～(24)进一步计算反电动势差值如下：

式(25)～(30)写成矩阵形式如下：

令矩阵axy如下：

则由式(31)～(33)进一步求三式和表达式如下：

根据式(35)求解出待观测的转子径向偏移量δx、δy如下：

其中

这样，最终观测的转子径向偏移量δx和δy如下：

其中反电动势可以借助悬浮线圈端电压u1～u12、悬浮绕组电流ia～ic及线圈电阻rs计算出来。其中a相悬浮绕组中线圈反动势计算如下：

e1＝u1-rsia，e2＝-u2+rsia，e7＝-u7+rsia，e8＝u8-rsia；

b相悬浮绕组中线圈反动势计算如下：

e3＝u3-rsib，e4＝-u4+rsib，e9＝-u9+rsib，e10＝u10-rsib；

c相悬浮绕组中线圈反动势计算如下：

e5＝u5-rsic，e6＝-u6+rsic，e11＝-u11+rsic，e12＝u12-rsic。

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。