本发明涉及无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制，适用于飞轮电池用无轴承无刷直流电机高性能控制，属于电机控制领域。
背景技术：
随着新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆、航空航天等领域的发展，储能技术已成为世界性的研究课题。众多储能技术中，飞轮电池以功率大、效率高、寿命长、储能密度大、清洁无污染等优点受到国内外的高度重视。作为飞轮电池的核心部件之一，驱动电机成为研究的焦点。无轴承无刷直流电机不仅具有无刷直流电机临界转速高、调速性能好、结构简单的优势，还具有磁轴承电机低损耗、高集成的特点。然而，和传统永磁无刷直流电机一样，无轴承无刷直流电机也存在着不可避免的问题：由于加工工艺和电机控制性能所引起的转矩转矩脉动。转矩脉动会带来振动、噪声、谐振等一系列问题，降低了飞轮电池系统运行的安全性和可靠性，限制了无轴承无刷直流电机在飞轮电池等新能源以及航空、医疗等高精度领域中的应用。
为了抑制无刷直流电机的转矩脉动，国内外学者提出了pwm电流调制技术、电流滞环、自适应控制等控制策略。这些控制策略主要是通过控制电流的方法间接的控制转矩，属于转矩开环控制，转矩响应速度慢。而直接转矩控制(dtc)对转矩进行闭环控制，它具有转矩动态响应快、结构简单、鲁棒性强、易于实现等优点。dtc运用定子磁场定向和空间矢量的原理，通过检测定子电压、电流，直接在定子坐标系下观测电机的磁链、转矩，并将此观测值和给定值进行比较，差值经滞环控制器得到相应的控制信号，再综合当前的磁链状态来选择相应的电压空间矢量，实现对电机转矩的直接控制。它从功能上可以划分为两部分：定子磁链的观测和控制部分，作用是选择适当的电压空间矢量，以在定子中产生六边形磁链；转矩观测和控制部分，作用是实现转矩的瞬时控制。由于永磁无刷直流电机装有霍尔位置传感器，且电机运行过程中由位置传感器决定的电压空间矢量在电机定子上所形成的磁链是六边形，所以dtc用于无刷直流电机时，一方面可以略去其磁链观测部分，以简化控制系统的结构，另一方面利用其转矩控制的高动态性，将电机的转矩波动限制在规定的范围内。
无刷直流电机直接转矩控制策略通常采用两相导通模式，这种方式虽然可以简化控制系统结构，但是电机运行于高速区段时，其与传统脉宽调制电流控制一样，对换相转矩脉动会失去抑制作用。
技术实现要素：
为了解决无轴承无刷直流电机直接转矩控制策略在高速区段运行时，换相转矩脉动抑制效果不理想的问题，本发明提出了无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，在传统的直接转矩控制策略中加入了电流预测控制，目的是使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化。
本发明的技术方案为：一种用于飞轮储能的无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，包括以下两个控制过程：转矩控制部分和悬浮控制部分；
转矩控制部分：无轴承无刷直流电机给定转速n*和实际转速n的误差通过pid调节作为给定转矩te*,给定转矩te*和实际转矩te的误差经过转矩调节器，选择相应的电压矢量，同时结合检测装置反馈的电机转子位置角θ，加入电流预测控制，经过逆变器的输出，最终使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化；
悬浮控制部分：给定位移x*，y*和电涡流传感器实际检测位移x，y的误差送入pid调节器，pid输出参考悬浮力fx*,fy*送入悬浮绕组电流给定值计算模块，经过逆变器输出电流ia,b,c，最终控制电流转子稳定悬浮。
进一步，悬浮绕组电流给定值计算模块所用公式如下：
f＝kii+kxx
其中，ki是电流刚度系数，kx是位移刚度系数，i是悬浮绕组电流，x是转子单边位移。
进一步，转矩控制部分具体过程为：
1)系统采用转速和转矩双闭环的控制方式，非换相时刻进行转矩控制，换相时刻进行重叠换相，同时加入了电流预测模块进行占空比的计算；
2)霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少为零标志换相结束；
3)采用了重叠换相的方法即关断相延时关断，为了在延迟关断期间直流母线上能够反映出非换相相的电流，在换相期间采取了关断相和非换相相同步pwm调制而开通相恒通的措施；
4)采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速；
5)根据电机当前时刻即k时刻的运行状态，获得三相绕组相反电动势；
6)根据当前时刻即k时刻的三相绕组端电压，三相绕组反电动势、当前时刻k时刻的非换相电流值以及下一时刻k+1非换相相电流预测值，计算出预算控制律d，从而控制逆变电路输出；
7)重复2)-6)步，直至换相结束，进行转矩闭环控制。
无轴承无刷直流电机是在无刷直流电机的定子槽内嵌入一套悬浮控制绕组，使悬浮磁场和旋转磁场共用一套铁芯磁路。其中u、v、w是电机的转矩绕组，用来控制电机的旋转。a1、a2、b1、b2、c1和c2是电机的悬浮绕组，每套绕组都是由两个绕组串联构成。转矩绕组和悬浮绕组都是采用集中绕组的方式，转矩绕组采用两相导通模式。由于集中绕组的之间的互感很小，且共齿的转矩绕组和悬浮绕组总是不同时导通，因此可以实现转矩绕组和悬浮绕组之间的解耦控制。所以对于无轴承无刷直流电机的控制可以分为转矩控制子系统和悬浮控制子系统。
无轴承无刷直流电机直接转矩控制策略采用两相导通模式时，当电机高速运行区段，关断相电流的下降率大于开通相电流的上升率，非换相电流产生电流跌落，而直接转矩控制策略并不能补偿非换相相电流的减少。根据转矩计算公式可知，此时转矩减小，产生转矩脉动。为了补偿非换相相电流的跌落，引入了电流预测控制。电流预测控制以非换相相电流保持恒定不变作为预测参考轨迹，以控制关断相和开通相的电流变化率一致建立预测模型。
电流预测控制需要同时控制开通相和关断相电流的变化率，因此采用了重叠换相的方法即关断相延时关断。为了在延迟关断期间直流母线上能够反映出非换相相的电流，在换相期间采取了关断相和非换相相同步pwm调制而开通相恒通的措施。以电机高速运行时ba相变换到ca相为例，b相是关断相，c相是开通相，a相是非换相相。设重叠换相期间关断相和导通相的占空比为db。pwm处于on状态时，电流从b相和c相流入a相；当pwm处于off状态时，b相电流通过其下桥臂二极管续流，a相电流通过其上桥臂二极管续流。此时三相电压为：
由三相电压方程可以得到：
经过离散化处理得到：
其中，t是采样周期，式(3)即为高速区段换相期间电流预测控制的表达式，其物理意义是：在当前k时刻，在关断相b、非换相相a两相绕组之间施加以式(3)所示的电压时，就可以迫使在(k+1)时刻非换相绕组上的电流值达到理想值i*(k+1)。预测控制规则表现为，以非换相相绕组上的电流在换相期间保持恒定为控制目标，使开通相恒通，关断相上施加以式(3)所示的占空比db进行补偿。
同理由电机在低速下运行时换相期间电流状态，可得低速区段下预测控制的表达式：
其物理意义是：在当前k时刻，在开通相c、非换相相a之间施加以式(4)所示的电压时，就可以迫使在(k+1)时刻非换相绕组上的电流值达到理想值i*(k+1)。式中dc为加于开通相上的占空比。可见，电机在低速区运行时，预测控制规则表现为，以非换相相绕组上的电流在换相期间保持恒定为控制目标，使关断相关断，开通相上施加以式(4)所示的占空比dc进行补偿。
对于悬浮控制子系统，利用x轴向的电涡流传感器输出的电机转子x轴向实际位移，与x轴向给定的参考位移x*进行比较，经过pid调节器输出电机转子沿x轴向的给定悬浮力值fx*。同理求得y轴向的给定悬浮力值fy*，把悬浮力x轴向的给定值fx*、y轴向的给定值fy*以及霍尔位置传感器检测到的转子位置角度信号输入到悬浮力绕组电流给定计算模块，最后经过电流逆变器输出悬浮绕组电流控制电机转子稳定悬浮。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明能够有效的抑制无轴承无刷直流电机的转矩脉动，当电机高速运行时补偿非换相电流的跌落，控制转矩的持续减少；当电机低速运行时削弱非换相电流的上升，控制转矩的持续增加。
(2)本发明不需要分别考虑电机高速、低速运行情况，在整个调速范围内可以采用统一的转矩脉动方法。避免了增加了额外的硬件电路与拓扑结构。
(3)本发明不仅具有直接转矩控制结构简单、转矩响应快、鲁棒性强的优点，还具有电流预测控制的控制精度高，可控性强等优点。
(4)本发明在抑制无轴承无刷直流电机的转矩脉动的同时，不影响电机转子的悬浮性能，电机转子可以快速稳定的悬浮。
附图说明
图1.无轴承无刷直流电机结构示意图
图2.直接转矩两点式调节过程
图3.换相时期三相电流波形示意图
图4.换相期间调制措施示意图
图5.预测电流补偿方法原理图
图6.宽调速范围低转矩脉动抑制系统框图
具体实施方式
如图1所示，无轴承无刷直流电机是在无刷直流电机的定子槽内嵌入一套悬浮控制绕组，使悬浮磁场和旋转磁场共用一套铁芯磁路。其中u、v、w是电机的转矩绕组，用来控制电机的旋转。u相绕组由u1、u2、u3和u4串联组成，v相绕组由v1、v2、v3和v4串联组成，w相绕组由w1、w2、w3和w4串联构成。a1、a2、b1、b2、c1和c2是电机的悬浮绕组，每套绕组都是由两个绕组串联构成。转矩绕组和悬浮绕组都是采用集中绕组的方式，转矩绕组采用两相导通模式。由于集中绕组的之间的互感很小，且共齿的转矩绕组和悬浮绕组总是不同时导通，因此可以实现转矩绕组和悬浮绕组之间的解耦控制。当转子旋转到30°位置角时，此时由转矩绕组v和w相导通控制电机的旋转，由悬浮绕组a1和a2导通控制转子的悬浮。a1绕组通入图中所示方向的电流时，则气隙1处的磁密增加，相反，气隙2处的磁密减小，从而打破了转子两边气隙磁密的平衡，产生了使转子沿+x位移的悬浮力。同理，当悬浮绕组a2通入如图所示的电流时，产生了使转子沿+y位移的悬浮力。因此通过改变绕组a1和a2通入电流的大小和方向，使得转子在xoy平面的任意方向上位移，最终转子稳定悬浮。
如图2所示，转矩控制子系统中直接转矩两点式调节过程。其中tg是给定转矩值，tf是实际转矩的反馈值，δt是转矩误差，tq是转矩开关信号。转矩调节器的容差限为±εm，采用离散的两点式调节方式。在时刻t1，δt≤—εm，tq输出“1”。若tq＝1，结合霍尔位置传感器输出的转子位置角信号，选择非零电压空间矢量，此时定子磁链向前旋转，tf上升，δt增大；到时刻t2，δt增大到容差的上限+εm，即δt≥+εm，tq输出“0”。若tq＝0，零电压空间矢量加到电机上，定子磁链静止不动，tf下降，δt减少。
如图3所示，电机运行在不同转速下的三相电流波形示意图。当电机运行于中速区段时(4em＝ubus)，开通相和关断相电流的变化率基本一致，则不会产生转矩波动。当电机运行于低速区段时(4em<ubus)，开通相电流的上升率大于关断相电流的下降率，非换相电流增大，转矩增大，为了减少转矩的持续增加，此时零电压矢量被选择，开通相电流被斩波，最终使得开通相和关断相电流的变化率一致，转矩脉动被抑制。当电机运行于高速区段时(4em>ubus),开通相电流的上升率小于关断相电流的下降率，非换相相电流跌落，而此时关断相不可控，非零电压矢量也不能补偿非换相相电流的减少，出现转矩脉动。
如图4所示，本发明需要同时控制开通相和关断相电流的变化率，因此采用了重叠换相的方法。为了在延迟关断期间直流母线上能够反映出非换相相的电流，同时在换相期间采取了关断相和非换相相同步pwm调制而开通相恒通的措施。
如图5所示，本发明所采用的预测电流补偿方法。实际控制系统中，换相区间的第一个控制周期内，预测电流模型计算得到的占空比还未施加，此时换相电流的变化率无法保证相等，所以非换相相的电流脉动无法消除。需要对电流进行补偿，仍以ba到ca换相为例，ia(k-1)为上一周期非换相相电流，|δib|为关断相电流变化量，|δic|为开通相电流变化量。具体实现方式是将开通相和关断相的电流变化量做差后乘以比例常数k，然后将得到的数值负反馈到预测电流给定端。
如图6所示，本发明设计的宽调速范围低转矩脉动抑制的系统框图，包含了两个部分：转矩控制子系统和悬浮力控制子系统。转矩控制子系统采用转速和转矩双闭环的控制方式，转矩给定值由转速误差经过pid控制器整定得到，转矩经过两点式转矩调节器、电压矢量选择表、逆变器控制电机旋转。非换相时刻进行转矩控制，换相时刻进行重叠换相。同时加入了电流预测模块进行占空比的计算。霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少为零标志换相结束。悬浮控制子系统采用位移闭环控制方式，利用x轴向的电涡流传感器输出的电机转子x轴向实际位移，与x轴向给定的参考位移x*进行比较，经过pid调节器输出电机转子沿x轴向的给定悬浮力值fx*。同理求得y轴向的给定悬浮力值fy*，把悬浮力x轴向的给定值fx*、y轴向的给定值fy*以及霍尔位置传感器检测到的转子位置角度信号输入到悬浮力绕组电流给定计算模块，最后经过电流逆变器输出悬浮绕组电流控制电机转子稳定悬浮。
综上，本发明属于电机控制领域，涉及一种用于飞轮储能的无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，适用于飞轮电池用无轴承无刷直流电机高性能控制。其具体方法为：无轴承无刷直流电机是在无刷直流电机的定子槽内嵌入一套悬浮控制绕组，使悬浮磁场和旋转磁场共用一套铁芯磁路。对于转矩控制系统，无轴承无刷直流电机直接转矩控制策略通常采用两相导通模式，这种方式使得控制系统结构简单化，但是当电机高速运行时，其与传统脉宽调制控制一样，对换相转矩脉动会失去抑制作用。本发明在传统的直接转矩控制中加入了电流预测控制，系统采用转速和转矩双闭环的控制方式,非换相时刻进行转矩控制，换相时刻进行重叠换相并且加入了电流预测模块进行占空比的计算。当霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少为零标志换相结束，换相期间采取关断相和非换相相同步pwm调制而开通相恒通的措施。同时采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速，根据电机当前时刻即k时刻的运行状态，获得三相绕组相反电动势，最后运用电流预测控制模块计算出预测控制律d，从而控制逆变电路输出，控制电机的旋转。最终在不影响转子悬浮性能的情况下，实现无轴承无刷直流电机在宽调速范围下的转矩脉动抑制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。