一种双绕组无轴承磁通切换电机辅助模型的高精度快速转子磁悬浮控制方法

本发明涉及一种双绕组无轴承磁通切换电机辅助模型的高精度快速转子磁悬浮控制方法。

背景技术：

1、双绕组无轴承磁通切换电机采用悬浮绕组和转矩绕组分别控制转子悬浮力和转矩，悬浮绕组和转矩绕组分别嵌入永磁体槽和u型冲片槽中，有效解决了两套绕组竞争定子槽空间难题。但由于定转子的双凸极结构，使得悬浮绕组电流产生的悬浮力具有与转子位移相关的脉动分量；同时两套绕组共同处于定子上，使得二者之间存在部分耦合。而且，定转子是多齿结构，电机很难用固定连接模式的磁路简洁描述，从而很难采用传统的建模方式获得高精度的电机解析模型。所以，上述因素情况下，如何进一步提高转子磁悬浮控制的精度和快速性是一个期待解决的科学问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种针对双绕组无轴承磁通切换电机驱动系统的双绕组无轴承磁通切换电机辅助模型的高精度快速转子磁悬浮控制方法，基于有限元数据建立考虑转子位置、转子悬浮x轴向与和y轴向通道磁路交叉耦合、旋转平面对悬浮平面耦合的转子悬浮力模型；基于转子结构特点构建了转子悬浮动力学模型，并基于该模型构建变控制器参数的、具有辅助模型未建模补偿的转子磁悬浮控制方法，以期实现转子高精度快速磁悬浮控制的目的。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种双绕组无轴承磁通切换电机辅助模型的高精度快速转子磁悬浮控制方法，基于有限元数据建立考虑转子位置、转子悬浮x轴向与和y轴向通道磁路交叉耦合、旋转平面对悬浮平面耦合的转子悬浮力模型；基于转子结构特点构建转子悬浮动力学模型，并基于转子悬浮动力学模型构建变控制器参数的、具有辅助模型未建模补偿的转子磁悬浮控制方法，实现转子高精度快速磁悬浮控制。

3、在本发明一实施例中，该方法提供有转速误差计算模块、转速控制器、旋转坐标变换模块、转矩电流控制器、转子径向位移误差计算模块、辅助模型计算模块、转子位移控制器、悬浮坐标变换模块、径向悬浮电流控制器、三相逆变器、无轴承磁通切换电机。

4、在本发明一实施例中，所述无轴承磁通切换电机中，定子由12个沿切线方向交替充磁的永磁体以及u型结构的导磁铁心构成；转子由具有10个凸极结构的导磁铁心构成，定子上的双绕组结构由三相转矩绕组a、b、c以及三相悬浮绕组u、v、w构成，三相转矩绕组放置于u型铁心槽中，三相悬浮绕组放置于相邻的两个u型铁芯之间的槽中。

5、在本发明一实施例中，其特征在于，

6、电机的转子位置角θ通过转子位置角传感器及检测通道获得，电机转子x轴和y轴方向径向位移x、y通过转子x轴和y轴方向的径向位移传感器获得，实际检测得到的转子径向位移与转子磁悬浮控制系统给定位移值的差形成转子径向位移误差，经由转子径向位移误差计算模块，误差ex、ey被送入转子位移控制器中；利用有限元分析得到含有电机特征参数的辅助模型，将其与转子运动系统的动力学模型相结合，得到悬浮力给定值将悬浮力给定转化为径向悬浮系统的径向刚度矩阵ks、ke，并送入转子位移控制器；由转子位移控制器输出的径向悬浮电流给定值经过坐标变换得到三相悬浮绕组电流给定将与三相悬浮绕组电流iu、iv、iw送给悬浮电流控制器，输出控制三相逆变器不同桥臂的开关状态量su～sw；在开关状态量的控制作用下，逆变器输出满足要求的悬浮电流，实现转子径向高精度快速磁悬浮控制；转矩绕组控制采用矢量控制策略或直接转矩控制策略，产生控制转子切向旋转的三相转矩绕组电流给定进而驱动转子旋转。

7、在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下：

8、(1)利用电流传感器及模拟/数字信号转换通道，检测出三相悬浮绕组电流iu、iv、iw，三相转矩绕组电流ia、ib、ic，并通过坐标变换得到相应同步旋转坐标系下的表达形式id与iq；利用转子位置角传感器及检测通道，检测出转子实时位置角θ；利用转子x和y方向径向位移传感器及检测通道，检测出转子x和y方向径向位移x、y；

9、(2)将检测到的转子实时位置角θ、转子径向位移x与y、转子位移控制器输出与电机旋转平面电流与送入辅助模型；

10、(3)通过有限元分析以及步骤(2)检测得到的信息，得到电机相互耦合的电磁力的关系，将这些关系写成能够描述电磁力特征的辅助模型，输出悬浮力给定值与

11、

12、式中，分别为悬浮电流与偏心位移在不同坐标轴上受到耦合坐标轴分量影响所产生的电磁力，代表悬浮或位移所作用的坐标轴，e代表耦合坐标轴，e＝x,y；

13、(4)将悬浮力给定值与送入径向刚度矩阵计算模块，输出悬浮电流刚度矩阵ks以及偏心位移刚度矩阵ke：

14、

15、式中，分别为悬浮电流与偏心位移在不同坐标轴上受到耦合坐标轴分量影响的刚度；

16、(5)将电涡流传感器实际检测得到的转子径向位移[x y]τ与转子磁悬浮控制系统给定位移值[x* y*]τ＝[0 0]τ输入转子径向位移误差计算模块，输出转子径向位移误差：

17、

18、(6)将悬浮电流刚度矩阵ks、偏心位移刚度矩阵ke、转子径向位移误差[ex ey]τ送入转子位移控制器中，输出径向悬浮电流给定

19、

20、式中，对于x轴方向：分别为x轴向的悬浮比例系数与悬浮微分系数；分别为x轴向的状态观测器输出的估计值以及状态观测器输出估计值的微分，为x轴向的扰动观测值；对于y轴方向：分别为y轴向的悬浮比例系数与悬浮微分系数；分别为y轴向的状态观测器输出的估计值以及状态观测器输出估计值的微分，为y轴向的扰动观测值；

21、(7)将径向悬浮电流给定值变换到三相悬浮坐标系，得到三相悬浮绕组电流给定变换关系为：

22、

23、(8)将和检测到的iu、iv、iw送入悬浮电流控制器，输出控制三相逆变器不同桥臂的开关状态量su～sw，输出给三相逆变器，产生满足要求的悬浮电流，达到控制双绕组无轴承系统切换电机转子高精度悬浮的目的。

24、在本发明一实施例中，步骤(3)中，以及的构建过程如下：

25、(3.1)对于的构建，通过有限元分析以及快速傅里叶分析，得到受悬浮电流控制的悬浮力的相关参数：直流分量为第k次谐波幅值与直流分量的比值为第k次谐波相位为

26、(3.2)利用多项式拟合的方式，得到与对应轴向悬浮电流ix、旋转平面q轴电流iq的关系，并在对应的id＝0的旋转控制策略下，将这些关系写成多项式的形式：

27、

28、式中，…分别为不同多项式的项系数；

29、(3.3)的表达式则可以写成如下形式：

30、

31、(3.4)重复过程(3.1)-(3.3)，分别分析得到其它的表达形式；

32、(3.5)将过程(3.4)得到的结果写成悬浮力给定值与

33、

34、在本发明一实施例中，步骤(6)中，状态观测器输出的估计值以及状态观测器输出估计值的微分扰动观测值的求解过程如下：

35、(6.1)对于x轴方向，通过分析转子动力结构特征，得到辅助模型特征值的表达形式为：

36、

37、式中，ωr为转子切向旋转角速度；jz为极转动惯量，jxy为赤道转动惯量；lf为悬浮力生成中心与电机运动约束点的距离，ls为位移传感器与电机运动约束点的距离；

38、(6.2)将辅助模型特征值传感器测得的悬浮电流值ix、传感器测得的位移值x、带入状态空间方程求解该方程为：

39、

40、式中，ωo为观测器带宽。

41、在本发明一实施例中，步骤(8)中，三相逆变桥臂开关状态量su～sw采用电流滞环控制策略得到：

42、当时，si＝1(i＝u/v/w)；

43、当时，si＝0(i＝u/v/w)；

44、其中，ε为允许设定的电流控制误差。

45、本发明还提供了一种双绕组无轴承磁通切换电机辅助模型的高精度快速转子磁悬浮控制系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如上述所述的方法步骤。

46、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如上述所述的方法步骤。

47、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

48、(1)提出的转子悬浮运行的控制方法，利用辅助模型构建与转子磁悬浮相匹配的参数的控制器，能够有效增强转子磁悬浮控制的稳定性；

49、(2)提出的转子悬浮运行的控制方法，利用辅助模型对转子磁悬浮通道中的未建模部分进行实施补偿，有效提高了转子磁悬浮控制的动态性能。

50、(3)与转子永磁型电机相比较，本发明提出的双绕组无轴承磁通切换电机驱动系统可靠性更高，转子适应转速范围更宽广。