本發(fā)明涉及一種無軸承磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向偏移觀測(cè)方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)采用轉(zhuǎn)子永磁結(jié)構(gòu)，永磁體處于定子內(nèi)腔中。由于定子內(nèi)腔的溫度通常較高，且溫度不易散發(fā)，導(dǎo)致永磁體具有溫升退磁的風(fēng)險(xiǎn)。為此，學(xué)者們提出了定子永磁型磁通切換電機(jī)，其永磁體處于定子上，永磁體的溫度易于散發(fā)，有效降低了永磁溫升退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)械軸承支撐的定子永磁型磁通切換電機(jī)具有軸承的機(jī)械磨損，導(dǎo)致該種電機(jī)在大容量、高速、清潔、高可靠性等領(lǐng)域應(yīng)用受限，而把無軸承技術(shù)應(yīng)用于定子永磁型磁通切換電機(jī)上，構(gòu)成新型的無軸承磁通切換電機(jī)，可以有效地拓展了定子永磁型磁通切換電機(jī)的應(yīng)用范圍。

在實(shí)現(xiàn)無軸承磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮控制的過程中，需要構(gòu)建轉(zhuǎn)子徑向偏移閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮于中心運(yùn)行，這就需要轉(zhuǎn)子徑向偏移量的反饋。為了獲得轉(zhuǎn)子徑向偏移量，通常采用轉(zhuǎn)子徑向位移傳感器，例如電渦流傳感器，而且為了提高測(cè)量的靈敏度及測(cè)量精度，通常在空間360圓周上，每隔90度安裝一個(gè)傳感器，采用差動(dòng)方式測(cè)量出空間正交的x和y方向的轉(zhuǎn)子徑向偏移量δx和δy。顯然，這種直接測(cè)量方法具有如下缺點(diǎn)：1)傳感器成本較高，從而提高了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件成本；2)傳感器至驅(qū)動(dòng)控制器之間存在弱電連線，降低了驅(qū)動(dòng)控制的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種無軸承磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向偏移觀測(cè)方法，解決了無軸承磁通切換電機(jī)在沒有轉(zhuǎn)子徑向偏移量物理傳感器情況下，準(zhǔn)確觀測(cè)出轉(zhuǎn)子徑向偏移量的難題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種無軸承磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向偏移觀測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟s1：將交流電壓經(jīng)過二極管整流，電容濾波后得到直流電壓；

步驟s2：將所述直流電壓加在控制懸浮繞組電流的三相逆變器上；

步驟s3：將12個(gè)懸浮線圈的反電動(dòng)勢(shì)e1～e12送至減法器進(jìn)行如下運(yùn)算：

e17＝e1-e7，e28＝e2-e8，e39＝e3-e9，

e410＝e4-e10，e511＝e5-e11，e612＝e6-e12

步驟s4：將e17、e28、e39、e410、e511、e612送至加法器進(jìn)行如下運(yùn)算：

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

步驟s5：將轉(zhuǎn)子位置角θr分別送給sin(θr+θ0-45°)和計(jì)算環(huán)節(jié)，分別輸出c45和c60，其中計(jì)算公式如下：

其中，θ0為初始相位角；

步驟s6：將c45和c60送給|axy|計(jì)算環(huán)節(jié)，輸出|axy|，其計(jì)算公式如下：

步驟s7：將c45、c60、|axy|同時(shí)送給axy11、axy12、axy21、axy22計(jì)算環(huán)節(jié)，分別輸出axy11、axy12、axy21、axy22，其計(jì)算公式如下：

步驟s8：將eadd1和eadd2、axy11、axy12、axy21、axy22送至δx和δy計(jì)算環(huán)節(jié)，分別輸出x和y方向偏移量δx、δy，其計(jì)算公式如下：

其中，即為轉(zhuǎn)子徑向偏移量。

進(jìn)一步的，所述步驟s3中12個(gè)懸浮線圈的反電動(dòng)勢(shì)e1～e12的獲取方法如下：

步驟s31：采樣12個(gè)懸浮線圈電壓u1～u12及三相懸浮繞組電流ia、ib、ic；

步驟s32：根據(jù)12個(gè)懸浮線圈電壓u1～u12及三相懸浮繞組電流ia、ib、ic，計(jì)算12個(gè)懸浮線圈反電動(dòng)勢(shì)e1～e12，其采用的計(jì)算公式如下：

a相懸浮繞組：e1＝u1-rsia，e2＝-u2+rsia，e7＝-u7+rsia，e8＝u8-rsia；

b相懸浮繞組：e3＝u3-rsib，e4＝-u4+rsib，e9＝-u9+rsib，e10＝u10-rsib；

c相懸浮繞組：e5＝u5-rsic，e6＝-u6+rsic，e11＝-u11+rsic，e12＝u12-rsic；

其中，rs為懸浮繞組的一個(gè)線圈電阻。

進(jìn)一步的，所述步驟s5中，初始相位角θ0的值為0。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：1)本發(fā)明利用易測(cè)量的懸浮繞組線圈端電壓來觀測(cè)轉(zhuǎn)子徑向偏移量，省去了轉(zhuǎn)子徑向偏移量測(cè)量傳感器，有效降低了懸浮控制成本；2)采用空間對(duì)稱懸浮線圈反電動(dòng)勢(shì)差來構(gòu)建轉(zhuǎn)子徑向偏移觀測(cè)器，有效抑制了檢測(cè)通道的干擾對(duì)最終徑向偏移量觀測(cè)的影響，提高了徑向偏移量觀測(cè)的精度；3)由于不存在物理上轉(zhuǎn)子徑向偏移量測(cè)量傳感器，減少了懸浮控制器與電機(jī)之間的連線，提高了懸浮控制的可靠性。

附圖說明

圖1是無軸承磁通切換電機(jī)示意圖。

圖2是本發(fā)明的控制原理框圖。

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示為無軸承磁通切換電機(jī)的示意圖，采用功率和懸浮雙繞組結(jié)構(gòu)，a、b、c為三相功率繞組，a、b、c為三相懸浮繞組，扣除懸浮繞組后，電機(jī)橫截面與通常的定子永磁型磁通切換電機(jī)相同，定子也是由12個(gè)u型鐵芯沖片1構(gòu)成，相鄰的兩個(gè)u型鐵芯沖片1之間夾著一個(gè)沿切向充磁的永磁體2。為了降低鐵芯磁飽和程度，有利于氣隙磁場(chǎng)的調(diào)制，永磁體沿徑向高度減少了。構(gòu)成三相懸浮繞組的12個(gè)線圈首尾按照?qǐng)D1中串聯(lián)而成，從而保證空間對(duì)稱的兩個(gè)懸浮線圈流過電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)空間對(duì)稱氣隙磁場(chǎng)的調(diào)制方向相反。懸浮線圈1、2、7、8串聯(lián)構(gòu)成a相懸浮繞組，懸浮線圈3、4、9、10串聯(lián)構(gòu)成b相懸浮繞組，懸浮線圈5、6、11、12串聯(lián)構(gòu)成c相懸浮繞組。

空間對(duì)稱的懸浮線圈中反電動(dòng)勢(shì)幅值在轉(zhuǎn)子徑向偏移后不等，且轉(zhuǎn)子徑向偏移量越大，這兩個(gè)空間對(duì)稱的懸浮線圈中反電動(dòng)勢(shì)幅值偏差越大；轉(zhuǎn)子徑向偏移方向相反時(shí)這兩個(gè)空間對(duì)稱的懸浮線圈中反電動(dòng)勢(shì)幅值偏差極性也隨之改變。

本發(fā)明利用上述空間對(duì)稱的懸浮線圈中反電動(dòng)勢(shì)幅值偏差與轉(zhuǎn)子徑向偏移量之間的關(guān)系，構(gòu)建轉(zhuǎn)子徑向偏移量觀測(cè)器。該方法分別利用減法器實(shí)現(xiàn)圖1中空間對(duì)稱的兩個(gè)懸浮線圈中反電動(dòng)勢(shì)減法，然后再利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度θr、加法器、axy矩陣計(jì)算環(huán)節(jié)、偏移量δx和δy計(jì)算環(huán)節(jié)等直接推算出轉(zhuǎn)子徑向偏移量δx和δy。把該轉(zhuǎn)子徑向偏移量的觀測(cè)值反饋給轉(zhuǎn)子徑向偏移控制器即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮控制。

請(qǐng)參照?qǐng)D2，本發(fā)明提供一種無軸承磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向偏移觀測(cè)方法，把懸浮控制算法中需要的轉(zhuǎn)子徑向偏移量用觀測(cè)值δx、δy代替即可實(shí)現(xiàn)無軸承磁通切換電機(jī)無徑向位移傳感器控制，提高了懸浮控制的可靠性。在采用全數(shù)字控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，采用本發(fā)明不需要另外添加硬件，即可準(zhǔn)確觀測(cè)出轉(zhuǎn)子徑向偏移量，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)無徑向位移傳感器的運(yùn)行，降低了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本，提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，具體包括以下步驟：

步驟s1：將交流電壓經(jīng)過二極管整流，電容c濾波后得到直流電壓udc；

步驟s2：將所述直流電壓udc加在控制懸浮繞組電流的三相逆變器上；

步驟s3：將12個(gè)懸浮線圈的反電動(dòng)勢(shì)e1～e12分別送至減法器1～減法器6進(jìn)行如下運(yùn)算：

e17＝e1-e7，e28＝e2-e8，e39＝e3-e9，

e410＝e4-e10，e511＝e5-e11，e612＝e6-e12

于本實(shí)施例中，所述12個(gè)懸浮線圈的反電動(dòng)勢(shì)e1～e12的獲取方法如下：

步驟s31：采樣12個(gè)懸浮線圈電壓u1～u12及三相懸浮繞組電流ia、ib、ic；

步驟s32：根據(jù)12個(gè)懸浮線圈電壓u1～u12及三相懸浮繞組電流ia、ib、ic，計(jì)算12個(gè)懸浮線圈反電動(dòng)勢(shì)e1～e12，其采用的計(jì)算公式如下：

a相懸浮繞組：e1＝u1-rsia，e2＝-u2+rsia，e7＝-u7+rsia，e8＝u8-rsia；b相懸浮繞組：e3＝u3-rsib，e4＝-u4+rsib，e9＝-u9+rsib，e10＝u10-rsib；c相懸浮繞組：e5＝u5-rsic，e6＝-u6+rsic，e11＝-u11+rsic，e12＝u12-rsic；其中，rs為懸浮繞組的一個(gè)線圈電阻，可以先測(cè)量出一相懸浮繞組電阻r0，則rs＝0.25r0；

步驟s4：將e17、e28、e39、e410、e511、e612送至加法器進(jìn)行如下運(yùn)算：

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

步驟s5：將轉(zhuǎn)子位置角θr分別送給sin(θr+θ0-45°)和計(jì)算環(huán)節(jié)，分別輸出c45和c60，其中計(jì)算公式如下：

其中，θ0為初始相位角；初始相位角θ0的值為0；

步驟s6：將c45和c60送給|axy|計(jì)算環(huán)節(jié)，輸出|axy|，其計(jì)算公式如下：

步驟s7：將c45、c60、|axy|同時(shí)送給axy11、axy12、axy21、axy22計(jì)算環(huán)節(jié)，分別輸出axy11、axy12、axy21、axy22，其計(jì)算公式如下：

步驟s8：將eadd1和eadd2、axy11、axy12、axy21、axy22送至δx和δy計(jì)算環(huán)節(jié)，分別輸出x和y方向偏移量δx、δy，其計(jì)算公式如下：

其中，即為轉(zhuǎn)子徑向偏移量。

如圖3所示為本發(fā)明一實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，包括：整流電路、濾波電容、懸浮控制三相逆變器、旋轉(zhuǎn)控制三相逆變器、無軸承磁通切換電機(jī)、懸浮繞組電流采集電路、懸浮繞組線圈端電壓采集電路、功率繞組電流采集電路、隔離驅(qū)動(dòng)、中央控制器、人機(jī)接口。逆變器中功率管采用igbt或mofet，中央控制器采用dsp或單片機(jī)。繞組電流采集電路采用霍爾電流傳感器與運(yùn)算放大器相結(jié)合方式構(gòu)成，也可以采用繞組串功率電阻后接差分運(yùn)算放大器相結(jié)合方式構(gòu)成。采用霍爾方案可以有效實(shí)現(xiàn)控制回路與主回路的電氣隔離，采用繞組串功率電阻方案可以降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本。懸浮線圈端電壓采集電路采用霍爾電壓傳感器與運(yùn)算放大器相結(jié)合方式構(gòu)成，也可以采用并聯(lián)電阻，分壓后接由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器相結(jié)合方式構(gòu)成。轉(zhuǎn)子位置角檢測(cè)電路可以由旋轉(zhuǎn)編碼器后接電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，也可以由旋轉(zhuǎn)變壓器后接解碼電路構(gòu)成。繞組電流采集電路、線圈電壓采集電路、轉(zhuǎn)子位置角檢測(cè)電路輸出弱電壓信號(hào)送到中央控制器a/d轉(zhuǎn)換模塊。根據(jù)取得的信號(hào)和本發(fā)明的轉(zhuǎn)子徑向位移觀測(cè)方法觀測(cè)出轉(zhuǎn)子徑向位移量，再根據(jù)觀測(cè)的轉(zhuǎn)子徑向位移量、三相懸浮繞組電流，由懸浮力閉環(huán)控制策略計(jì)算出應(yīng)發(fā)出的控制信號(hào)，經(jīng)由隔離驅(qū)動(dòng)1去控制懸浮控制三相逆變器中的功率開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)控制可以采用現(xiàn)有的直接轉(zhuǎn)矩控制或矢量控制算法均可。

為了一般技術(shù)人員能更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合基本原理進(jìn)行敘述：

設(shè)圖1中電機(jī)轉(zhuǎn)子中心沿角方向偏移距離為eo，沿水平方向定義為x軸，沿垂直方向定義為y軸，xy坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)與轉(zhuǎn)子無偏心時(shí)的中心重合。偏移距離為eo在x軸和y軸上的投影分別為δx和δy，即轉(zhuǎn)子中沿x、y軸偏移距離分別為δx和δy。該電機(jī)共有12個(gè)懸浮線圈，在轉(zhuǎn)子偏心情況下，每一懸浮繞組線圈耦合的最大磁鏈如下：

其中，nx為每一個(gè)線圈匝數(shù)，s為每一個(gè)定子齒橫截面積，μo為空氣磁導(dǎo)率，δo為氣隙長(zhǎng)度，fom為降落在氣隙上磁動(dòng)勢(shì)峰值，ψ1m～ψ12m分別為懸浮繞組中12個(gè)線圈耦合的最大磁鏈。

這樣，12個(gè)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)e1～e12如下

根據(jù)式(13)～(24)進(jìn)一步計(jì)算反電動(dòng)勢(shì)差值如下：

式(25)～(30)寫成矩陣形式如下：

令矩陣axy如下：

則由式(31)～(33)進(jìn)一步求三式和表達(dá)式如下：

根據(jù)式(35)求解出待觀測(cè)的轉(zhuǎn)子徑向偏移量δx、δy如下：

其中

這樣，最終觀測(cè)的轉(zhuǎn)子徑向偏移量δx和δy如下：

其中反電動(dòng)勢(shì)可以借助懸浮線圈端電壓u1～u12、懸浮繞組電流ia～ic及線圈電阻rs計(jì)算出來。其中a相懸浮繞組中線圈反動(dòng)勢(shì)計(jì)算如下：

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

b相懸浮繞組中線圈反動(dòng)勢(shì)計(jì)算如下：

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

c相懸浮繞組中線圈反動(dòng)勢(shì)計(jì)算如下：

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

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。