无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器的制作方法

本实用新型属于电机控制领域，尤其涉及一种无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器。

背景技术：

无轴承永磁同步电机是一种集合了永磁同步电机和磁轴承特性的新型电机，它不仅具有永磁同步电机功率因数高、效率高、功率密度大的优点，还具有磁轴承无机械摩擦、无需润滑和免维护等特点，可实现高速或超高速运行，在化学化工、生命科学、能源交通、航空航天及机器人等领域具有潜在应用前景。但是无轴承永磁同步电机采用永磁体励磁，转矩电流小，再由于存在齿槽效应与逆变器开关死区效应，电机绕组电流脉动较大，电流脉动会引入一定程度的纹波转矩，导致转速的稳定性变差；而且由于电流跟踪性能较差，在电机空载或轻载运行时稳定性会变得更差，难以适用于高速高精场合，因此，研究无轴承永磁同步电机的转矩脉动抑制技术尤为重要。

目前常用的电机转矩脉动抑制技术主要包括观测器反馈控制法、编程电流法和转速环控制器输出补偿法等。专利[CN 105337550A]提出了一种基于无差拍电流控制和角度重复性控制的转矩脉动抑制技术，实现了在恒速和变速变负载情况下转矩脉动的抑制，但是这种方法需要进行迭代计算，计算量较大且复杂；专利[CN 103378789A]采用叠加q轴电流补偿的方法对转矩进行抑制，该方法比较依赖电机参数，而电机参数在电机运行过程中是摄动的，对抑制效果会有影响；专利[CN 104579080A]提出了基于增量式卡尔曼滤波器的dq轴电流滤波方法，并通过增量预测方法消除了数字控制方式的一拍滞后延时，有利于减少因相电流极性误判断导致的误补偿，但是卡尔曼滤波算法需要花费大量的时间，在实际应用中会对结果产生影响；专利[CN 104579080A]获取5次和7次谐波电流，通过谐振调节器得到谐波电压的d轴补偿量和q轴补偿量，反馈消除5次和7次谐波电流，抑制6次和12次转矩脉动，该方法避免了传统转矩脉动抑制方法中需准确检测电流过零点的问题，然而谐振调节器在输入为阶跃信号时，输出电流会产生一定程度的超调，从而影响补偿效果。

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种基于增磁调压的无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器。相比于其他方法，该方法无需准确检测电流信号，避免了硬件干扰和系统误差，提高了系统的稳定性和可靠性。

技术实现要素：

本实用新型根据现有技术针对无轴承永磁同步电机由于转矩脉动而引起的调速抖动，以及电机负载效应对悬浮力的影响，提出了一种无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制器及其构造方法，既可抑制电机转矩脉动，又实现了无轴承永磁同步电机的精确调速，并且减弱了电机负载效应对悬浮稳定性的影响，提高了无轴承永磁同步电机高速、超高速运行时的工作性能。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器包括转矩控制器、悬浮力控制器、电流传感器、光电编码器和电涡流位移传感器一和电涡流位移传感器二；

所述转矩控制器通过转矩脉动抑制控制器生成逆变器开关信号SMa、SMb、SMc，结合电压UDC^*生成无轴承永磁同步电机转矩绕组的电流iMa、iMb、iMc，实现对无轴承永磁同步电机转矩进行控制；

所述悬浮力控制器用于生成逆变器开关信号SBa、SBb、SBc，生成无轴承永磁同步电机悬浮力绕组的电流iBa、iBb、iBc，实现对无轴承永磁同步电机悬浮力进行控制；

所述电流传感器用于采集无轴承永磁同步电机转矩绕组的电流iMa、iMb、iMc与悬浮力绕组的电流iBa、iBb、iBc，并将转矩绕组的电流iMa、iMb、iMc经过CLARK变换模块、PARK变换模块反馈到转矩控制器中形成电流闭环，将悬浮力绕组的电流iBa、iBb、iBc经过CLARK变换模块、PARK变换模块反馈到悬浮力控制器中形成电流闭环；

所述光电编码器连接无轴承永磁同步电机，用于采集无轴承永磁同步电机的实际转速n，并将实际转速n作为转矩控制器的输入；

所述电涡流位移传感器一和电涡流位移传感器二连接无轴承永磁同步电机，分别用于采集无轴承永磁同步电机转子x轴方向与y轴方向的实际径向位移值x、y，将实际径向位移值x、y作为悬浮力控制器的输入。

进一步，所述转矩控制器由3个PI调节器、1个PARK变换模块、1个PARK逆变换模块、1个CLARK变换模块、1个空间脉宽调制模块SVPWM、1个电压源逆变器和转矩脉动抑制控制器组成；将实际转速n与转速指令值n^*作差，得到差值，将该差值经过PI调节器调制后生成定子合成电流指令值is^*，将定子合成电流指令值is^*输入转矩脉动抑制控制器，经过转矩脉动抑制控制器得到交轴电流指令值iMq^*、直轴电流指令值iMd^*和电压UDC^*，交轴电流指令值iMq^*、直轴电流指令值iMd^*分别与实际交轴电流iMq、实际直轴电流iMd作差，所述实际交轴电流iMq、实际直轴电流iMd是转矩绕组的电流经过CLARK变换模块和PARK变换模块处理得到的；将所得到电流差值依次经过PI控制器、PARK逆变换模块和空间脉宽调制模块SVPWM后生成逆变器开关信号SBa、SBb、SBc，将逆变器开关信号SBa、SBb、SBc与电压UDC^*输入到电压源逆变器，实现对无轴承永磁同步电机转矩控制。

进一步，所述转矩脉动抑制控制器包括1个判断模块、2个限幅模块、1个电流计算模块和1个PID调节器，所述电流计算模块对定子合成电流指令值is^*处理后，得到直轴电流初始指令值iMdc^*、交轴电流指令值iMq^*，所述直轴电流初始指令值iMdc^*经过限幅模得到直轴电流指令值iMd^*；同时实际转速n与转速指令值n^*的差值经过PID调节器，调制后得到初始比例值kc，经过限幅模块二得到比例值k，将UDC、比例值k输入判断模块得到电压UDC^*。

进一步，所述悬浮力控制器包括2个PI调节器、1个PARK变换模块、1个PARK逆变换模块、1个PID调节器、1个CLARK变换模块、1个空间脉宽调制模块SVPWM、1个电压源逆变器和1个力/电流变换模块；将无轴承永磁同步电机转子x轴、y轴方向的实时径向位移值x、y分别与转子位移指令值x^*、y^*作差，得到位移差值，所述位移差值分别经过PID调节器调制后输入到力/电流变换模块，得到电流指令值iBd^*和iBq^*，所述电流指令值iBd^*和iBq^*分别与反馈的实际电流值iBd和iBq作差，得到电流差值，所述实际电流值是悬浮力绕组的电流经过CLARK变换模块、PARK变换模块处理后得到的，所述电流差值分别经过PI控制器、PARK逆变换模块、空间脉宽调制模块SVPWM后生成逆变器开关信号SBa、SBb、SBc，将逆变器开关信号SBa、SBb、SBc输入到电压源逆变器，实现对无轴承永磁同步电机的悬浮力控制。

一种无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制器的构造方法，包括以下步骤：

步骤1，根据交轴电流最大值iMqmax、所需电磁转矩最大值Temmax、电机极对数P、永磁体磁链ΨPM、交轴电流指令值iMq^*和定子合成电流指令值is^*构造电流计算模块；

步骤2，根据初始比例值kc，初始直轴电流指令值iMdc^*所满足的限幅条件，构造限幅模块一和限幅模块二；

步骤3，根据比例值k、母线电压UDC以及直轴电流指令值iMd^*构造判断模块；

步骤4，将构造的电流计算模块、限幅模块一、限幅模块二、判断模块与PID调节器共同组成完整的无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器。

进一步，构造电流计算模块方法为：令交轴电流指令值iMq^*＝iMqmax，使合成电流变大，提高电流跟踪效果，并且能够提高电流波形的正弦性，从而减少转矩的脉动，构造电流计算模块：

进一步，构造限幅模块一：由于初始比例值kc需要满足0＜kc≤1的条件，限幅模块一表示为：

k＝kc，kc∈(0,1]；

构造限幅模块二：初始直轴电流指令值iMdc^*的限幅要满足两个条件：一是初始直轴电流指令值iMdc^*＞0，此时转子气隙中的励磁磁场增强，能减弱负载对悬浮性能的影响，起到增磁作用；二是iMdc^*的饱和，当初始直轴电流指令值时，初始直轴电流指令值iMdc^*就处于饱和状态无法再继续增大，因此iMdc^*需要满足综合两个限幅条件得到

限幅模块二表示为：

进一步，构造判断模块的方法为：

步骤3.1，判断模块接收到输入的母线电压UDC，比例值k，直轴电流指令值iMd^*，交轴电流最大值iMqmax，电机绕组输入电流幅值上限IMmax，预设比例值k0；

步骤3.2，基于步骤3.1，计算若iMd^*满足或iMd^*＝0，此时增磁控制失效，转入步骤3.3进行调压；否则，转入步骤3.5；

步骤3.3，基于步骤3.2得到的结果，增磁控制失效，需要通过调压控制进行调速，利用PID调节器和限幅模块一得到比例值k来控制电压UDC^*，即UDC^*＝kUDC；

步骤3.4，基于步骤3.3，调压控制完成后，需要更新预设比例值k0的值，令k0＝k，因为在增磁控制时，需要保持上一次调压控制得到的电压UDC^*；

步骤3.5，基于步骤3.2得到的结果，增磁控制有效，无需进行调压控制，则输入电压源逆变器的电压UDC^*保持不变，即UDC^*＝k0UDC，继续增磁控制。

进一步，所述无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器通过PID调节器调制后得到初始比例值kc，经过限幅模块二得到比例值k，PI调节器一调制后生成定子合成电流指令值is^*输入到电流计算模块，得到直轴电流初始指令值iMdc^*和交轴电流指令值iMq^*，直轴电流初始指令值iMdc^*经过限幅模块一得到直轴电流指令值iMd^*，将比例值k和直轴电流指令值iMd^*输入判断模块。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型在调速过程中，对电流进行限幅，当电流达到上下限时，增磁控制失效，并启动调压控制，通过这种方式，无需准确检测电流信号，避免了硬件干扰和系统误差，并且能够实现转矩脉动的抑制。

2.本实用新型采用增磁调压转速控制方式，通过调压粗调转速，增磁微调转速，使得电机调速过程更加快速、精确和稳定。

3.本实用新型采用增磁控制，即id>0，直轴磁场增强，交轴磁场相对于直轴磁场减弱，等效于减弱了负载效应对悬浮性能的影响，能够提高转子悬浮的稳定性。

附图说明

图1是基于增磁调压控制的无轴承永磁同步电机系统原理框图；

图2是图1中的电流计算模块的构造原理图；

图3是图1中的限幅模块一和限幅模块二的构造原理图；

图4是图1中的判断模块的构造原理图；

图中，1.转矩控制器；2.悬浮力控制器；3.PI调节器一；4.电流计算模块；5.PID调节器一；6、限幅模块一；7.限幅模块二；8.判断模块；9.PI调节器二；10.PI调节器三；11.PARK逆变换模块一；12.第一空间脉宽调制模块SVPWM；13.电压源逆变器一；14.CLARK变换模块一；15.PARK变换模块一；16.电流传感器；17.无轴承永磁同步电机；18.光电编码器；19.电涡流位移传感器一；20.PID调节器二，21.PID调节器三；22.力/电流变换模块；23.PI调节器四；24.PI调节器五；25.PARK逆变换模块二；26.第二空间脉宽调制模块SVPWM；27.电压源逆变器二；28.CLARK变换模块二；29.PARK变换模块二；30.电涡流位移传感器二；31.转矩脉动抑制控制器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器，包括转矩控制器1、悬浮力控制器2、电流传感器16、光电编码器18和电涡流位移传感器；将光电编码器18采集的实际转速n与转速指令值n^*转速差值作为转矩控制器1的输入，转矩控制器1输出指令控制无轴承永磁同步电机17的转矩绕组电流；电涡流位移传感器一19检测无轴承永磁同步电机转子x轴方向的实时径向位移值x，、电涡流位移传感器二30检测无轴承永磁同步电机转子y轴方向的实际径向位移值y，并将实际径向位移值x、y分别与转子位移指令值x^*、y^*的位移差值作为悬浮力控制器2的输入，悬浮力控制器2输出指令控制无轴承永磁同步电机17的悬浮力绕组电流；所述电流传感器16检测无轴承永磁同步电机转矩绕组的电流iMa、iMb、iMc以及悬浮力绕组的电流iBa、iBb、iBc，将无轴承永磁同步电机转矩绕组的电流iMa、iMb、iMc作为反馈到转矩控制器1形成电流闭环，将无轴承永磁同步电机悬浮力绕组的电流iBa、iBb、iBc反馈到悬浮力控制器2形成电流闭环；所述转矩控制器1通过转矩脉动抑制控制器31实现增磁控制。

转矩控制器1是通过将实际转速n与转速指令值n^*的转速差值输入到PID调节器一5中，调制后得到初始比例值kc，经过限幅模块二7得到比例值k，将母线电压UDC、比例值k输入判断模块8得到输入到电压源逆变器13中的电压UDC^*，同时，实际转速n与转速指令值n^*比较得到的转速差值输入到PI调节器一3中，调制后生成定子合成电流指令值is^*，并将is^*输入到电流计算模块4得到直轴电流初始指令值iMdc^*和交轴电流指令值iMq^*，直轴电流初始指令值iMdc^*经过限幅模块一6得到直轴电流指令值iMd^*，直轴电流指令值iMd^*与反馈的实际直轴电流iMd比较得到的电流差值输入到PI调节器二9中，调制后生成两相旋转坐标系下控制转矩的直轴电压指令值uMd^*，交轴电流指令值iMq^*与反馈的实际交轴电流iMq比较得到的电流差值输入到PI调节器三10中，调制后生成两相旋转坐标系下控制转矩的交轴电压指令值uMq^*，直轴电压指令值uMd^*和交轴电压指令值uMq^*输入到PARK逆变换模块一11中得到两相静止坐标系下控制转矩的电压指令值uMα^*和uMβ^*，将电压指令值uMα^*和uMβ^*输入到第一空间脉宽调制模块SVPWM12中得到逆变器开关信号SMa、SMb、SMc，再和电压UDC^*一起输入到电压源逆变器一13，电压源逆变器一13控制无轴承永磁同步电机17的转矩绕组电流iMa、iMb、iMc，电流传感器16检测无轴承永磁同步电机转矩绕组的电流iMa、iMb、iMc，再输入到CLARK变换模块一14中得到两相静止坐标系下转矩绕组的实际电流值iMα和iMβ，实际电流值iMα和iMβ输入到PARK变换模块一15中得到两相旋转坐标系下转矩绕组的实际电流值iMd和iMq，实际电流值iMd和iMq作为反馈电流分别与电流指令值iMd^*和iMq^*比较形成电流闭环。

悬浮力控制器2是将无轴承永磁同步电机转子x轴方向与y轴方向的实际径向位移值x、y分别与转子位移指令值x^*、y^*比较得到位移差值，将x轴位移差值输入到PID调节器二20中，y轴位移差值输入到PID调节器三21中，PID调节器二20调制后生成x轴悬浮力指令值Fx^*，PID调节器三21调制后生成y轴悬浮力指令值Fy^*，悬浮力指令值Fx^*和Fy^*输入到力/电流变换模块22中得到两相旋转坐标系下控制悬浮力的电流指令值iBd^*和iBq^*，电流指令值iBd^*和iBq^*分别与反馈的实际电流值iBd和iBq比较，得到的电流差值分别输入到PI调节器四23和PI调节器五24中，PI调节器四23和PI调节器五24调制后分别生成两相旋转坐标系下控制悬浮力的电压指令值uBd^*和uBq^*，再输入到PARK逆变换模块二25中得到两相静止坐标系下控制悬浮力的电压指令值uBα^*和uBβ^*，将电压指令值uBα^*和uBβ^*输入到第二空间脉宽调制模块SVPWM26中得到逆变器开关信号SBa、SBb、SBc，再输入到电压源逆变器二27中，电压源逆变器二27控制无轴承永磁同步电机17的悬浮力绕组电流iBa、iBb、iBc。电流传感器16检测无轴承永磁同步电机悬浮力绕组的电流iBa、iBb、iBc，再输入到CLARK变换模块二28中得到两相静止坐标系下悬浮力绕组的实际电流值iBα和iBβ，实际电流值iBα和iBβ输入到PARK变换模块二29中得到两相旋转坐标系下悬浮力绕组的实际电流值iBd和iBq，实际电流值iBd和iBq作为反馈电流分别与电流指令值iBd^*和iBq^*比较形成电流闭环。

一种无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制器的构造方法，包括以下步骤：

步骤1，如图2所示，根据交轴电流最大值iMqmax、所需电磁转矩最大值Temmax、电机极对数P、永磁体磁链ΨPM、交轴电流指令值iMq^*和定子合成电流指令值is^*构造电流计算模块4；由于存在电流波动，如果给定电流小，电流跟踪效果会很差，因此，令交轴电流指令值iMq^*＝iMqmax，使合成电流变大，提高电流跟踪效果，并且能够提高电流波形的正弦性，从而减少转矩的脉动，据此构造电流计算模块4：

步骤2，如图3所示，根据初始比例值kc，初始直轴电流指令值iMdc^*所满足的限幅条件，构造限幅模块一6和限幅模块二7；具体过程如下：

初始比例值kc，初始直轴电流指令值iMdc^*，电机绕组输入电流幅值上限IMmax，交轴电流最大值iMqmax。经过PI调节器调制的kc值是一个比例值，需要满足0＜kc≤1的条件；iMdc^*的限幅要满足两个条件：一是增磁作用，即iMdc^*＞0，当无轴承永磁同步电机直轴电流大于0时，转子气隙中的励磁磁场增强，能减弱负载对悬浮性能的影响；二是iMdc^*的饱和，iMdc^*受到IMmax和iMqmax的限制，当时，iMdc^*就处于饱和状态无法再继续增大，因此iMdc^*需要满足综合两个限幅条件得到据此构造限幅模块一6和限幅模块二7：

限幅模块一6表示为：

k＝kc，kc∈(0,1]； (3)

限幅模块二7表示为：

步骤3，如图4所示，构造判断模块8具体过程如下；

步骤3.1，判断模块8接收到输入的母线电压UDC，比例值k，直轴电流指令值iMd^*，交轴电流最大值iMqmax，电机绕组输入电流幅值上限IMmax，预设比例值k0，在系统启动时，k0初始值设为0.1；

步骤3.2，基于步骤3.1，计算若iMd^*满足或iMd^*＝0，此时增磁控制失效，转入步骤3.3进行调压；否则，转入步骤3.5；

步骤3.3，基于步骤3.2得到的结果，增磁控制失效，需要通过调压控制进行调速，利用PID调节器一5和限幅模块一6得到比例值k来控制电压UDC^*，即UDC^*＝kUDC；

步骤3.4，基于步骤3.3，调压控制完成后，需要更新预设比例值k0的值，令k0＝k，因为在增磁控制时，需要保持上一次调压控制得到的电压UDC^*；

步骤3.5，基于步骤3.2得到的结果，增磁控制有效，无需进行调压控制，则输入电压源逆变器13的电压UDC^*保持不变，即UDC^*＝k0UDC，继续增磁控制；

步骤4，如图1中所示，将电流计算模块4、限幅模块一6、限幅模块二7和判断模块8与PID调节器一5共同组成完整的无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器31，具体地，将无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制控制器31通过PID调节器一5调制后得到初始比例值kc，经过限幅模块二7得到比例值k，PI调节器一调制后生成定子合成电流指令值is^*输入到电流计算模块4，得到直轴电流初始指令值iMdc^*和交轴电流指令值iMq^*，直轴电流初始指令值iMdc^*经过限幅模块一6得到直轴电流指令值iMd^*，将比例值k和直轴电流指令值iMd^*输入判断模块8。

本实用新型在调速过程中，通过判断模块8判断iMd^*是否满足或iMd^*＝0，如果iMd^*满足上述条件，增磁控制失效，启动调压控制，输入电压源逆变器13的电压UDC^*＝kUDC，并且更新预设比例值k0＝k；如果iMd^*不满足上述条件，增磁控制有效，无需调压控制，利用转速和电流双闭环进行调速，输入电压源逆变器13的电压UDC^*保持不变，即UDC^*＝k0UDC，继续进行增磁控制。由于转矩脉动产生的主要原因是电流脉动，而通过调节电压和电流来调速，可以减小电流脉动对转矩的影响程度。同时电流计算模块4中给定iMq^*＝iMqmax，增大电机绕组电力路基波成分，使波形更趋于正弦波，减小了电流脉动的影响，能够有效抑制转矩波动。结合公式：

其中，u1为电机绕组输入电压幅值，ω为转子旋转机械角速度，Ld、Lq分别为d、q轴电感，当电机恒负载运行时，iMq不变，由于ψPM比LdiMd大很多，iMd对ω的调节作用较弱，而ω与u1成正比关系，u1对ω的调节作用较强，因此可以先调节u1以实现电机转速的准确控制(粗调)，再调节iMq以实现电机转速的精确控制(微调)，使得电机调速过程更加快速、精确和稳定。通过限幅模块二7令iMd>0，即采用增磁控制，直轴磁场增强，交轴磁场相对于直轴磁场减弱，等效于减弱了负载对悬浮性能的影响，能够提高悬浮的稳定性。

本实用新型所述的转矩脉动抑制控制器31对无轴承永磁同步电机控制时，将光电编码器18采集的转速信号与转速指令值比较，其比较值分别经过PID调制和电流计算模块4得到电流指令值和电压比例值，其中交轴电流指令值为交轴电流最大值以提高电流跟踪效果，直轴电流指令值恒大于0以实现增磁控制。采用CLARK变换模块一14和PARK变换模块一15得到反馈的实际电流值，将电流指令值和实际电流值比较得到电流差值，通过PI调制后生成旋转坐标系下电压指令值，通过PARK逆变换模块一11生成静止坐标系下电压指令值，将得到的两组静止坐标系下电压指令值通入空间矢量脉宽调制模块SVPWM12调制后得到电压源逆变器开关信号，其中电压源逆变器13的母线电压通过判断模块8得到，以电压源逆变器开关信号和母线电压驱动电压源逆变器一13实现无轴承永磁同步电机转矩脉动抑制以及稳定调速。

以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。