一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法技术

本发明专利技术涉及一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，以解决六相电压型逆变器供电情况下，电机的电磁转矩和悬浮力的快速控制难题。为了实现电磁转矩和悬浮力快速解耦控制，把逆变器输出电压矢量分别投影到转矩控制平面和悬浮力控制平面，根据转矩平面磁链误差在转矩平面选择电压矢量；根据悬浮平面磁链误差在悬浮力平面选择电压矢量。本发明专利技术利用逆变器电压矢量直接实现电磁转矩和悬浮力的控制，加速了电磁转矩和悬浮力控制的动态响应。并分别在转矩控制平面和悬浮力控制平面实现二者的解耦控制，有效地增强了转子悬浮运行的平稳性。同时，所选电压矢量满足零序电流控制为零状态，降低了电机的损耗。

A direct control method for suspension rotation of six phase single winding bearingless flux switching motor

【技术实现步骤摘要】
一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法
本专利技术涉及无轴承磁通切换电机设计领域，特别是一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法。
技术介绍
六相单绕组无轴承磁通切换电机利用空间对称绕组对气隙磁场进行相反方向调制，从而产生满足转子悬浮运行的悬浮力。为了实现转子悬浮状态旋转运行，六相绕组中需要同时流过控制转子切向旋转的转矩电流分量和控制转子径向悬浮的悬浮力分量，即利用一套绕组同时实现转子转矩和悬浮力控制。该方法有利于电机输出转矩能力的充分发挥，同时也使得转矩和悬浮力控制相互耦合。目前实现该种电机的转矩及悬浮力控制一般采用电流闭环控制，需要静止坐标系和旋转坐标系之间的坐标变换，控制算法计算量大，且逆变器输出电压通过电机电感转化为电流控制转矩，降低了转矩及悬浮力的动态响应，显著降低了转子悬浮运行的稳定性。能否利用逆变器输出电压矢量直接实现该种电机转矩和悬浮力的直接控制成为期待解决的科学难题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是针对六相单绕组无轴承磁通切换电机，提供一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，利用六相逆变器输出电压矢量分别在转矩和悬浮力平面上实现转矩、悬浮力的快速解耦控制。本专利技术采用以下方案实现：一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，提供一六相逆变器及一无轴承磁通切换电机，提供一六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制系统，该系统包括磁链模型、转矩模型、T6坐标变换模块、位置角计算模块、扇区判断模块、磁链滞环比较器、转矩滞环比较器、旋转变换模块、悬浮力相位差计算模块、悬浮力系数计算模块、X方向径向位移PI控制器、Y方向径向位移PI控制器、悬浮力计算模块、悬浮力坐标变换模块和悬浮平面磁链误差计算模块；按照如下步骤实现：步骤S1：获取定子六相绕组电流iA～iF、转子位置角θr和转子X和Y方向径向位移x、y；步骤S2：将定子六相绕组电流iA～iF送入T6坐标变换计算模块，得到转矩平面电流iαT、iβT、悬浮平面电流iαS、iβS以及零序平面电流i01、i02；其中T6矩阵为：步骤S3：将转矩平面电流iαT、iβT，转子位置角θr送入磁链模型计算,得到转矩平面磁链ψαT、ψβT和转矩平面磁链矢量幅值|ψsT|；步骤S4：将转矩平面磁链矢量幅值给定值减去转矩平面磁链矢量幅值|ψsT|所得差值再送入磁链滞环比较器，输出转矩平面磁链控制开关量φ；其中φ＝1代表磁链增加，φ＝-1代表磁链减小：步骤S5：将转矩平面磁链ψαT,ψβT送入位置角计算模块，输出转矩平面磁链矢量在空间所处的位置角θψST；步骤S6：把位置角θψST送入扇区判断模块，根据转矩平面磁链圆轨迹扇区图输出转矩平面磁链矢量ψST＝ψαT+jψβT在空间所处的扇区号θn，n＝1～6；步骤S7：将转矩平面磁链ψαT、ψβT,转矩平面电流iαT、iβT送入转矩模型，输出电机电磁转矩Te：Te＝Pn(ψαTiβT-ψβTiαT)其中，Pn为电机极对数；步骤S8：将获取的电磁转矩给定值减去电机电磁转矩Te，得到的差值送入转矩滞环比较器，输出转矩控制开关量τ值；其中τ＝1代表电磁转矩增加，τ＝0代表电磁转矩在允许的转矩误差ΔTe内，τ＝-1代表电磁转矩减小：其中，ΔTe为允许的电磁转矩控制误差带；步骤S9：将悬浮平面电流iαS,iβS、悬浮力相位差悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮力计算模块，输出XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy；步骤S10：将XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy，送入悬浮力坐标变换计算模块，输出悬浮平面αsβs坐标系下的实际悬浮力Fα和Fβ：步骤S11：将X方向径向位移给定值x*减去X方向径向位移x，Y方向径向位移给定值y*减去Y方向径向位移y；所得差值分别送入X方向径向位移PI控制器和Y方向径向位移PI控制器，输出悬浮平面αsβs坐标系下的期望悬浮力和Fβ*；其中kp为PI控制器的比例放大系数，kI为PI控制器的积分放大系数；步骤S12：将悬浮平面αsβs坐标系αs轴的期望悬浮力减去实际悬浮力Fα，βs轴的期望悬浮力Fβ*减去实际悬浮力Fβ；输出悬浮平面αsβs坐标系下的悬浮力差值ΔFα和ΔFβ；步骤S13：将悬浮平面αsβs坐标系下的悬浮力差值ΔFα和ΔFβ、悬浮力相位差悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮平面磁链误差计算模块，输出悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ：L2＝3*(L0-M0-M1)其中，L0是电机每相绕组自感直流分量，M0为电机绕组互感为正值时的直流分量，M1为电机绕组互感为负值时的直流分量，电感均可通过查阅电机设计手册或电机有限元分析软件获得；步骤S14：根据转矩平面磁链控制开关量φ值，扇区号θn，n＝1～6，转矩控制开关量τ值，悬浮平面磁链误差ΔψSSα和ΔψSSβ得到最优开关矢量表；根据最优开关矢量表挑选对应的电压矢量，输出控制六相逆变器桥臂开关状态量SA～SF；通过六相逆变器输出最优电压矢量作用于电机，实现转矩平面磁链和转矩闭环控制，同时实现转子X和Y径向位移闭环控制，达到六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转的控制目的。进一步地，所述步骤S3的具体实现过程如下：所述磁链模型为：L1＝3(L0+M0-M1)；K1＝M0m-M1m；其中LαTβT是转矩平面静止坐标系αTβT电感值；ψfαT，ψfβT是永磁磁链矢量ψf在转矩平面静止坐标系上的投影；L0是电机每相绕组自感直流分量；M0为电机绕组互感为正值时的直流分量；M1为电机绕组互感为负值时的直流分量；Lm为电机每相绕组自感交流分量幅值；M0m为电机绕组互感为正值时的交流分量幅值；M1m为电机绕组互感为负值时的交流分量幅值；ψf为永磁磁链矢量幅值。这些电感值和永磁磁链幅值可通过查阅电机设计手册或通过电机有限元分析软件获得。进一步地，所述的悬浮力相位差悬浮力系数K的计算方法如下：将转矩平面电流iαT，iβT和转子位置角θr送入旋转变换模块，输出转矩平面qT轴电流iqT；iqT＝-sinθr×iαT+cosθr×iβT将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力相位差计算，输出悬浮力相位差其中，kqT为单位正向悬浮电流与单位qT轴电流气隙磁场相互作用产生的悬浮力基波幅值，kPM为单位正向悬浮电流与永磁体产生的悬浮力基波幅值；将转矩平面qT轴电流iqT送入悬浮力系数计算模块，输出悬浮力系数K：与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术利用逆变器电压矢量直接实现电磁转矩和悬浮力的控制，加速了电磁转矩和悬浮力控制的动态响应。(2)本专利技术分别在转矩控制平面和悬浮力控制平面实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，提供一六相逆变器及一无轴承磁通切换电机，其特征在于：提供一六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制系统，该系统包括磁链模型、转矩模型、T6坐标变换模块、位置角计算模块、扇区判断模块、磁链滞环比较器、转矩滞环比较器、旋转变换模块、悬浮力相位差计算模块、悬浮力系数计算模块、X方向径向位移PI控制器、Y方向径向位移PI控制器、悬浮力计算模块、悬浮力坐标变换模块和悬浮平面磁链误差计算模块；按照如下步骤实现：/n步骤S1：获取定子六相绕组电流i

【技术特征摘要】
1.一种六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制方法，提供一六相逆变器及一无轴承磁通切换电机，其特征在于：提供一六相单绕组无轴承磁通切换电机转子悬浮旋转直接控制系统，该系统包括磁链模型、转矩模型、T6坐标变换模块、位置角计算模块、扇区判断模块、磁链滞环比较器、转矩滞环比较器、旋转变换模块、悬浮力相位差计算模块、悬浮力系数计算模块、X方向径向位移PI控制器、Y方向径向位移PI控制器、悬浮力计算模块、悬浮力坐标变换模块和悬浮平面磁链误差计算模块；按照如下步骤实现：
步骤S1：获取定子六相绕组电流iA～iF、转子位置角θr和转子X和Y方向径向位移x、y；
步骤S2：将定子六相绕组电流iA～iF送入T6坐标变换计算模块，得到转矩平面电流iαT、iβT、悬浮平面电流iαS、iβS以及零序平面电流i01、i02；



其中T6矩阵为：



步骤S3：将转矩平面电流iαT、iβT，转子位置角θr送入磁链模型计算,得到转矩平面磁链ψαT、ψβT和转矩平面磁链矢量幅值|ψsT|；
步骤S4：将转矩平面磁链矢量幅值给定值减去转矩平面磁链矢量幅值|ψsT|所得差值再送入磁链滞环比较器，输出转矩平面磁链控制开关量φ；其中φ＝1代表磁链增加，φ＝-1代表磁链减小：



步骤S5：将转矩平面磁链ψαT,ψβT送入位置角计算模块，输出转矩平面磁链矢量在空间所处的位置角



步骤S6：把位置角送入扇区判断模块，根据转矩平面磁链圆轨迹扇区图输出转矩平面磁链矢量ψST＝ψαT+jψβT在空间所处的扇区号θn，n＝1～6；
步骤S7：将转矩平面磁链ψαT、ψβT,转矩平面电流iαT、iβT送入转矩模型，输出电机电磁转矩Te：
Te＝Pn(ψαTiβT-ψβTiαT)
其中，Pn为电机极对数；
步骤S8：将获取的电磁转矩给定值Te*减去电机电磁转矩Te，得到的差值送入转矩滞环比较器，输出转矩控制开关量τ值；其中τ＝1代表电磁转矩增加，τ＝0代表电磁转矩在允许的转矩误差ΔTe内，τ＝-1代表电磁转矩减小：



其中，ΔTe为允许的电磁转矩控制误差带；
步骤S9：将悬浮平面电流iαS,iβS、悬浮力相位差悬浮力系数K、转子位置角θr送入悬浮力计算模块，输出XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy；



步骤S10：将XY坐标系下的悬浮力值Fx和Fy，送入悬浮力坐标变换计算模块，输出悬浮平面αsβs坐标系下的实际悬浮力Fα和Fβ：



步骤S11：将X方向径向位移给定值x*减去X方向径向位移x，Y方向径向位移给定值y*减去Y方向径向位移y；所得差值分别送入X方向径向位移PI控制器和Y方向径向位移PI控制器，输出悬浮平面αsβs坐标系下的期望悬...

【专利技术属性】
技术研发人员：周扬忠，黄政凯，陈艳慧，钟天云，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35