一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略

1.本发明涉及无轴承薄片电机控制技术领域，尤其涉及一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略。


背景技术：

2.无轴承薄片电机寿命长、无机械磨损、无需润滑、高速高精度等优点，使其成为特种电气传动领域研究的重要方向，在离心机、密封泵、涡轮分子泵、飞轮储能、半导体工业、生命科学及航空航天等高新技术领域具有重要的科研和应用价值。
3.为提升无轴承薄片电机系统的动态响应性能，常采用直接转矩/悬浮力控制，传统的直接转矩控制一般采用αβ坐标系下的磁链观测模型，其不可避免的存在电机低速区运行性能差、起动困难以及转矩脉动大的问题，上述问题限制了直接转矩控制在无轴承薄片电机此种对驱动性能要求较高的场合中的应用。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，采用dq坐标系下的磁链观测模型代替传统αβ坐标系下的磁链观测模型，利用稳态量计算磁链，解决了传统直接转矩控制低速区运行性能差、起动困难的问题。在此基础上，以最大电磁转矩输出为目标，提出一种基于磁链/转矩解耦的改进型直接转矩控制策略。此种控制策略下的无轴承薄片电机控制系统低速运行性能好、起动容易，且一定程度上抑制了传统直接转矩控制存在的转矩脉动和磁链脉动问题。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，用dq坐标系下的磁链观测模型代替传统αβ坐标系下的磁链观测模型，在此基础上，以最大电磁转矩输出为目标，提出一种基于磁链/转矩解耦的改进型直接转矩控制策略。本发明意在优化无轴承薄片电机转矩系统性能，故方案中无轴承薄片电机悬浮系统仍采用基于传统空间矢量脉宽调制技术的控制策略，所述方案的实现步骤如下：
7.步骤1)，采样无轴承薄片电机实时悬浮、转矩电流信号i
la
、i
lb
、i
lc
、i
ta
、i
tb
、i
tc
，转子转角信号θr以及位移信号d
xy
；
8.步骤2)，将电机位移信号d
xy
通过位移调节器得到dq坐标系下悬浮参考电流i
ldref
、i
lqref
；
9.步骤3)，将电机悬浮电流信号i
la
、i
lb
、i
lc
以及转子转角信号θr进行数学处理，解耦计算得到dq坐标系下悬浮实际电流i
ld
、i
lq
，并结合悬浮参考电流i
ldref
、i
lqref
通过电流调节器得到悬浮指令电压u
ld
、u
lq
；
10.步骤4)，采用空间矢量脉宽调制算法，结合悬浮指令电压u
ld
、u
lq
，得到悬浮系统开关信号；
11.步骤5)，将电机转角信号θr进行微分运算得到电机转速ω，通过转速调节器得到
dq坐标系下转矩参考电流i
tdref
、i
tqref
；
12.步骤6)，将电机转矩电流信号i
ta
、i
tb
、i
tc
以及转子转角信号θr进行数学处理，解耦计算得到dq坐标系下转矩实际电流i
td
、i
tq
；
13.步骤7)，采用dq坐标系下磁链观测模型，结合转矩实际电流i
td
、i
tq
与转子转角信号θr，计算得到定子磁链ψ
sα
、ψ
sβ
，继而通过磁链扇区判断算法解算得到扇区号n；
14.步骤8)，转矩参考电流i
tdref
、i
tqref
与实际电流i
td
、i
tq
做差经过滞环比较器得到转矩参考值τ、磁链参考值φ，结合扇区号n，基于开关表选取合适的电压矢量，得到转矩系统开关信号；
15.重复步骤1)至步骤8)，实现无轴承薄片电机的稳定悬浮以及旋转。
16.作为本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，所述步骤1)中电机实时悬浮、转矩电流i
la
、i
lb
、i
lc
、i
ta
、i
tb
、i
tc
通过霍尔电流传感器采样得到。
17.作为本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，所述步骤1)中电机实时转子转角θr通过霍尔传感器采样解算得到。
18.作为本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，所述步骤1)中电机实时位移d
xy
通过电涡流传感器采样得到。
19.作为本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，所述步骤2)中忽略了转矩电流对悬浮力的影响。
20.作为本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，所述步骤2)中位移调节器本质为“比例-积分-微分(pid)”调节器。
21.作为本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，所述步骤3)中dq坐标系下悬浮实际电流i
ld
、i
lq
采用坐标变换法解耦计算得到。
22.作为本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，所述步骤5)中转速调节器本质为“比例-积分(pi)”调节器。
23.作为本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，所述步骤6)中dq坐标系下转矩实际电流i
td
、i
tq
采用坐标变换法解耦计算得到。
24.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
25.1.采用dq坐标系下的磁链观测模型代替传统αβ坐标系下的磁链观测模型，不需考虑积分初值对磁链观测的影响，利用稳态量计算磁链，解决了传统直接转矩控制低速区运行性能差、起动困难的问题；
26.2.改进型无轴承薄片电机直接转矩控制稳态时磁链与转矩完全解耦，一定程度上抑制了传统直接转矩控制存在的转矩脉动和磁链脉动问题。
附图说明
27.图1为本发明改进型无轴承薄片电机直接转矩控制结构框图；
28.图2为本发明直接转矩控制基准电压矢量；
29.图3为本发明电压选择矢量图(第一扇区)。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
31.本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
32.本发明公开了一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略，用dq坐标系下的磁链观测模型代替传统αβ坐标系下的磁链观测模型，利用稳态量计算磁链，解决了传统直接转矩控制低速区运行性能差、起动困难的问题。在此基础上，以最大电磁转矩输出为目标，提出一种基于磁链/转矩解耦的改进型直接转矩控制策略。此种控制策略下的无轴承薄片电机控制系统低速运行性能好、起动容易，且一定程度上抑制了传统直接转矩控制存在的转矩脉动和磁链脉动问题。本发明意在优化无轴承薄片电机转矩系统性能，故方案中无轴承薄片电机悬浮系统仍采用基于传统空间矢量脉宽调制技术的控制策略，所述方案的实现步骤如下：
33.步骤1)，采样无轴承薄片电机实时悬浮、转矩电流信号i
la
、i
lb
、i
lc
、i
ta
、i
tb
、i
tc
，转子转角信号θr以及位移信号d
xy
；
34.步骤2)，将电机位移信号d
xy
通过位移调节器得到dq坐标系下悬浮参考电流i
ldref
、i
lqref
；
35.步骤3)，将电机悬浮电流信号i
la
、i
lb
、i
lc
以及转子转角信号θr进行数学处理，解耦计算得到dq坐标系下悬浮实际电流i
ld
、i
lq
，并结合悬浮参考电流i
ldref
、i
lqref
通过电流调节器得到悬浮指令电压u
ld
、u
lq
；
36.步骤4)，采用空间矢量脉宽调制算法，结合悬浮指令电压u
ld
、u
lq
，得到悬浮系统开关信号；
37.步骤5)，将电机转角信号θr进行微分运算得到电机转速ω，通过转速调节器得到dq坐标系下转矩参考电流i
tdref
、i
tqref
；
38.步骤6)，将电机转矩电流信号i
ta
、i
tb
、i
tc
以及转子转角信号θr进行数学处理，解耦计算得到dq坐标系下转矩实际电流i
td
、i
tq
；
39.步骤7)，采用dq坐标系下磁链观测模型，结合转矩实际电流i
td
、i
tq
与转子转角信号θr，计算得到定子磁链ψ
sα
、ψ
sβ
，继而通过磁链扇区判断算法解算得到扇区号n；
40.步骤8)，转矩参考电流i
tdref
、i
tqref
与实际电流i
td
、i
tq
做差经过滞环比较器得到转矩参考值τ、磁链参考值φ，结合扇区号n，基于开关表选取合适的电压矢量，得到转矩系统开关信号；
41.重复步骤1)至步骤8)，实现无轴承薄片电机的稳定悬浮以及旋转。
42.步骤1)中电机实时悬浮、转矩电流i
la
、i
lb
、i
lc
、i
ta
、i
tb
、i
tc
通过霍尔电流传感器采样得到。
43.步骤1)中电机实时转子转角θr通过霍尔传感器采样解算得到。
44.步骤1)中电机实时位移d
xy
通过电涡流传感器采样得到。
45.步骤2)中忽略了转矩电流对悬浮力的影响。
46.步骤2)中位移调节器本质为“比例-积分-微分(pid)”调节器。
47.步骤3)中dq坐标系下悬浮实际电流i
ld
、i
lq
采用坐标变换法解耦计算得到。
48.步骤5)中转速调节器本质为“比例-积分(pi)”调节器。
49.步骤6)中dq坐标系下转矩实际电流i
td
、i
tq
采用坐标变换法解耦计算得到。
50.图1为改进型无轴承薄片电机直接转矩控制结构框图，结合控制系统结构框图，本发明一种改进型无轴承薄片电机直接转矩控制策略中具体数学处理如下。
51.无轴承薄片电机dq坐标系下的磁链观测数学模型为：
[0052][0053]
其中，ld、lq为无轴承薄片电机dq轴等效电感，ψf为无轴承薄片电机永磁体磁链幅值。
[0054]
无轴承薄片电机αβ坐标系下的磁链表达式为：
[0055][0056]
在采用dq坐标系下磁链观测器的基础上，以最大电磁转矩输出为目标，要实现这一目标的前提条件就是要使运行过程中定子磁链矢量和转子磁链矢量始终相互垂直，亦即定子电流不存在励磁分量，此时ψ
sq
幅值最大，全部用来输出电磁转矩。在保证定子磁链矢量与转子磁链矢量相互垂直的前提下，根据电机当前运行状态，即电磁转矩的变化以及定子电流是否存在增磁或去磁分量，决定当前状态电压矢量的选取，以获取作用于逆变器的开关信号。
[0057]
图1为直接转矩控制策略的基准电压矢量图及扇区分布情况。以气隙磁链在第一扇区为例，如果气隙磁链向右超出定子磁链线，如图3左侧图所示，定子电流存在增磁分量，此时电机需要去磁以实现最大电磁转矩输出，则有两个基准电压矢量可供选择与使得电机电磁转矩增大，使得电机电磁转矩减小，与的具体选取由转矩参考τ决定。同理可得到气隙磁链向左偏离定子磁链线，电机需要去磁的情况基准电压矢量的选取原则，如图3右侧图所示。电机当前需要增磁或去磁由磁链参考φ决定。
[0058]
图1中扇区判断算法与开关表均与传统直接转矩控制策略中的相同，在此不再赘述。
[0059]
综上，基于磁链/转矩解耦的改进型直接转矩控制策略控制思路为：判断气隙磁链与定子磁链线的位置关系，结合系统电磁转矩的要求，从开关表中选出理想电压矢量作用于电机。利用dq坐标系数学模型中励磁分量和转矩分量的完全解耦实现磁链解耦转矩控制，在一定程度上抑制了传统直接转矩控制系统中不可避免的转矩脉动和磁链脉动。
[0060]
本发明改进型无轴承薄片电机直接转矩控制结构框图，采用dq坐标系下的磁链观测模型代替传统αβ坐标系下的磁链观测模型，利用稳态量计算磁链，解决了传统直接转矩控制低速区运行性能差、起动困难的问题。在此基础上，以最大电磁转矩输出为目标，提出一种基于磁链/转矩解耦的改进型直接转矩控制策略。此种控制策略下的无轴承薄片电机控制系统低速运行性能好、起动容易，且一定程度上抑制了传统直接转矩控制存在的转矩脉动和磁链脉动问题。
[0061]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中
的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0062]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。