一种磁悬浮电机转子自适应居中调整方法与流程

本发明涉及无轴承电机，具体涉及一种磁悬浮电机转子自适应居中调整方法。

背景技术：

1、无轴承电机去除了传统电机中支承电机转子的机械轴承，运用磁场力将转子悬浮于电机内，具有无机械磨损、产生污染物少、能耗低、允许转速高、噪声小、寿命长、无需润滑等优点。而将转子控制在中心位置是实现转子长时间高速稳定旋转的必要条件，实践中通常通过位移传感器来检测转子的位置情况，但由于在产品使用过程中，环境温度、湿度等情况与出厂时会有差异，可能导致传感器性能出现飘动，即检测到的位置情况并非真实的物理位置，例如，真实的转子位置为x＝0mm，y＝0mm，而传感器检测到的位置为x＝0.1mm，y＝0mm。由于控制器并不知道真实的位置情况，只能依赖于位移传感器的数据进行控制，故在上述错误位置的情况下，最终控制结果会使得转子稳定在x＝-0.1mm，y＝0mm的真实物理位置上，这将导致整机功耗上升，严重情况下，将引起转子蹭壁，造成大量颗粒脱落，污染半导体工艺产线及设备。故需要找到一种高效可靠的转子自适应居中调整方法，以保证电机的稳定运行。

2、为解决上述技术问题，当前公开的技术方案主要通过检测悬浮电流来确定电机转子是否真正处于中心位置，当悬浮电流最小时，转子所处位置即为转子中心位置。调整策略主要有两种，分别为扰动观察法和四象限递归探索法，扰动观察法即通过主动施加任意极性的步长扰动，观察其d、q轴电流变化情况，以减小d、q轴电流绝对值为目标进行位移补偿，若调整后d轴电流绝对值减小，则维持x方向调整极性，否则改变x方向调整极性，若调整后q轴电流绝对值减小，则维持y方向调整极性，否则改变y方向调整极性。而四象限递归探索法则是通过定义代价函数，当代价函数变大时，以顺时针旋转90°的规律切换步进方向，直至完成360°切换，并在减小步进长度后，重复执行上述步骤，直到步进长度小于终止步进值。

3、上述两种调整策略的初始调整方向均为随机、任意的，若初始调整方向为使转子远离物理中心的方向，则可能引起转子蹭壁、悬浮失败等问题。同时，扰动观察法中x、y两个方向同步调整，容易使调整结果陷入局部最优解，且调整过程中步长不做变更，容易引起转子振荡抖动等问题；而四象限递归探索法必须在四个方向上反复步进尝试，调整效率低下，且优化路径不够明确，容易陷入局部最优解。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的缺陷，本发明提出一种磁悬浮电机转子自适应居中调整方法，通过对直轴电流和交轴电流进行判定，确定转子具体偏心位置，并在x、y两个坐标轴维度对转子进行方向明确的位移补偿，确保转子快速回到物理中心位置。

2、由1对极转子的磁悬浮原理可以得知，悬浮绕组中电流产生的磁拉力可以简化为：

3、

4、fx、fy均为悬浮绕组产生的磁场作用在转子上的力，其中fx为沿x坐标轴正方向的力，fy为沿y坐标轴正方向的力，ki为力电流系数(正值)，id和iq分别是悬浮电流经过park变换后的直轴电流和交轴电流。

5、从1对极转子的悬浮原理可以得知，若传感器出现偏差导致转子偏心，则悬浮绕组势必需要产生相应的磁拉力以维持转子偏心工作，因此，通过对直轴电流和交轴电流的判定，可以得知转子的具体偏心位置，而后进行转子的位移补偿。实际补偿过程中，需要在x、y两个维度进行补偿，以确保转子回到泵头的物理中心位置。本发明将两个维度同时补偿拆解为两个单一维度分别执行，具体为：在泵头内壁外圆周方向上分布悬浮绕组，形成2对磁场；将悬浮绕组产生的一个磁场的磁链正方向记为x轴正方向，将与悬浮绕组产生的另一个磁场的磁链正方向记为a轴正方向；x轴正方向和a轴正方向的夹角为锐角。x轴与y轴以泵头物理中心og为中心，互相垂直；a轴与b轴以泵头物理中心og为中心，互相垂直。首先通过x或y方向补偿将转子移动至a轴或b轴，而后沿着a轴或b轴进行补偿，将转子移动至泵头物理中心og。

6、具体包括如下步骤：

7、步骤(1)、设定初始步长δ1，终止步长δ2，实际步长δ，步长因子k(0<k<1)，容错因子ε1，容错因子ε2，其中，实际步长6的初始值赋值为δ1；

8、步骤(2)、采集悬浮绕组电流，经过park变换之后得到直轴电流id和交轴电流iq；

9、步骤(3)、在n个磁悬浮泵控制算法执行周期内对直轴电流id和交轴电流iq分别进行累加，得到直轴电流累加和idsum与交轴电流累加和iqsum；优选的，n≥20。

10、步骤(4)、将首次计算得到的|idsum|和|iqsum|用于第一轮补偿中补偿方向的判定，具体如下：

11、若||idsum|-|iqsum||≤ε1，则进入步骤(5)；

12、若|idsum|＞|iqsum|，第一轮进行x方向的位移补偿，且初始补偿方向为令|idsum|减小的方向，具体为：

13、若idsum＞0，则沿x正方向调整，若idsum＜0，则沿x负方向调整；直至满足||idsum|-|iqsum||≤ε1，结束第一轮补偿。

14、若|idsum|＜|iqsum|，第一轮进行y方向的位移补偿，且初始补偿方向为令|iqsum|减小的方向，具体为：

15、若iqsum＞0，则沿y正方向调整，若iqsum＜0，则沿y负方向调整。直至满足||idsum|-|iqsum||≤ε1，结束第一轮补偿。

16、步骤(5)、重新初始化实际步长使得δ＝δ1，步骤(4)最终获得的idsum和iqsum值将用于第二轮补偿中补偿方向的判定，初始补偿方向为令|idsum|和|iqsum|减小的方向；具体如下：

17、若|idsum|≤ε2或|iqsum|≤ε2，结束位置调整，退出调整程序，此时磁悬浮电机转子居泵头物理中心位置。

18、若idsum＞0且iqsum＞0，沿x、y正方向调整，直至满足|idsum|≤ε2或|iqsum|≤ε2；

19、若idsum＞0且iqsum＜0，沿x正方向，y负方向调整，直至满足|idsum|≤ε2或|iqsum|≤ε2；

20、若idsum＜0且iqsum＞0，沿x负方向，y正方向调整，直至满足|idsum|≤ε2或|iqsum|≤ε2；

21、若idsum＜0且iqsum＜0，沿x、y负方向调整，直至满足|idsum|≤ε2或|iqsum|≤ε2。

22、进一步的，步骤(1)中所述的δ1、δ2、k、ε1和ε2的值根据实际项目设定。

23、进一步的，步骤(4)中所述的第一轮补偿具体为：

24、若第一轮进行x方向位移补偿，则x方向位移传感器计算结果补偿值为-sign(idsum)*sign(|idsum|-|iasum|)*6，令δ＝k*δ1，若δ≤δ2，则令δ＝δ2，重复执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，直至符合条件退出循环。

25、若第一轮进行y方向的位移补偿，则y方向位移传感器计算结果补偿值为-sign(iqsum)*sign(|iqsum|-|idsum|)*6，令δ＝k*δ1，若δ≤δ2，则令δ＝δ2，重复执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，直至符合条件退出循环。

26、进一步的，步骤(5)中所述的第二轮补偿具体为：

27、当进行x、y正方向或x、y负方向调整时，x、y两个方向位移传感器计算结果的补偿值均为-sign(idsum)*δ，令δ＝k*δ1，若δ≤δ2，则令δ＝δ2，重复执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(5)，直至符合条件退出循环。

28、当进行x正方向、y负方向或x负方向、y正方向调整时，x方向位移传感器计算结果补偿值为-sign(idsum)*δ，y方向位移传感器计算结果补偿值为-sign(iqsum)*6，令δ＝k*δ1，若δ≤δ2，则令δ＝δ2，重复执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(5)，直至符合条件退出循环。

29、本发明确定了转子调整的初始方向，能够避免初始随机调整导致转子蹭壁、悬浮失败等风险，同时将二维平面的复合位移补偿拆解为两个单一维度进行独立补偿，确保整个调整流程能够稳定、可靠地趋向全局最优解。补偿过程中步长逐步递减，有利于转子快速收敛至最优解，防止补偿过程中出现转子反复振荡问题。