用于多模块同步电机的偏心故障不平衡磁拉力补偿方法

1.本发明属于电机控制技术领域，更具体地，涉及用于多模块同步电机的偏心故障不平衡磁拉力补偿方法。


背景技术：

2.随着电机设计制造和电力电子变频驱动技术的共同发展和深度融合，电机系统完全可以摆脱传统定子三相供电的约束，发展为由多相定子绕组的电机、多相供电桥臂的变频器构成的多相电机系统，在容错运行、转矩脉动、控制维度等方面具有显著优势。其中，由于能延用工业界已成熟的三相功率模块、方便实现电机制造的模块化拼接、可类比经典的三相电机控制理论等优势，多模块电机成为传统三相电机向多相电机过渡的最佳选择。对于电机本体而言，由于电机加工制造和装配的误差、转子运行中的磨损和变形等原因，不可避免地引入了转子偏心问题，使电机在运行中引入额外的振动噪声，但随着时间的推移，偏心故障很可能会不断加重，发展成轴承故障、短路故障等更严重的故障，最终导致整个驱动系统失效，造成远大于电机本身价值的经济损失，甚至人员伤亡。
3.对于电机转子偏心补偿的研究目前尚不多见，cn114157214a公开一种用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法，包括：步骤1、为电机各三相模块注入偏心检测电压；步骤2、根据反馈电流计算各三相模块的d轴或q轴电感值；步骤3、根据各三相模块的d轴或q轴电感值的特征判断偏心类型，并进一步调节偏心检测电压，确定d轴或q轴偏心补偿电流；步骤4、并对d轴和q轴偏心补偿电流进行闭环控制。
4.然而，该方法存在以下不足：1)电机d轴电感、q轴电感特征是转子偏心检测和补偿的重要依据，进行d轴电流补偿时需要依靠d轴电感的饱和效应。但当电机的气隙磁密没有设计于定子铁芯材料磁化特性曲线的膝点处时，低偏心程度下电机d轴电感将不会出现饱和效应，因此d轴补偿电流将无法确定，该补偿方案将失效。2)该补偿方案以三相模块为单位，对各三相模块的d轴电流的幅值进行调控，只能对三相模块下气隙磁密幅值偏差进行统一地补偿，即对三相模块下气隙磁密幅值偏差的平均值进行补偿。事实上如图4所示，三相模块下的气隙磁密幅值偏差呈正弦分布，该补偿方案无法对该正弦分布的偏差进行补偿。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了用于多模块同步电机的偏心故障不平衡磁拉力补偿方法，其目的在于以绕组为单位对三相模块下气隙磁密幅值因偏心而产生的正弦偏差做精确补偿，从而实现偏心故障不平衡磁拉力的补偿。
6.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了用于多模块同步电机的偏心故障不平衡磁拉力补偿方法，该方法包括：
7.s1.判断所述多模块同步电机的偏心类型，若为静态偏心，进入步骤s2，若为动态偏心，进入步骤s3，若为混合偏心，进入步骤s4；
8.s2.获取转子静态偏心角和各三相模块各相绕组的轴向角，根据各三相模块各相
绕组的轴向角与静态偏心角的角度差的余弦，确定对应三相模块对应绕组的补偿电流，进入步骤s5；
9.s3.实时获取转子动态偏心角，获取各三相模块各相绕组的轴向角，根据各三相模块各相绕组的轴向角与动态偏心角的角度差的余弦，确定对应三相模块对应绕组的补偿电流，进入步骤s5；
10.s4.获取转子静态偏心角和各三相模块各相绕组的轴向角，实时获取转子动态偏心角，根据各三相模块各相绕组的轴向角与静态偏心角的角度差的余弦，确定对应三相模块对应绕组的第一补偿电流，根据各三相模块各相绕组的轴向角与动态偏心角的角度差的余弦，确定对应三相模块对应绕组的第二补偿电流，第一补偿电流和第二补偿电流的和作为最终补偿电流，进入步骤s5；
11.s5.将确定的偏心补偿电流注入电机各模块，完成转子偏心补偿。
12.优选地，所述转子动态偏心角通过以下方式获得：
13.测量转子初始动态偏心方向角θ
de_0
；
14.采用积分方式计算转子动态偏心角其中，ωm为转子机械角速度，t表示系统运行时间。
15.优选地，步骤s2中，对于静态偏心，第k个三相模块的补偿电流为：
16.i
a_k
＝-i
se cos(θ
d-0)cos(θ
a_k-θ
se
)
[0017][0018][0019]
其中，i
a_k
，i
b_k
，i
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的补偿电流，i
se
表示静态偏心补偿电流幅值，θd表示电机d轴电角度，θ
a_k
，θ
b_k
，θ
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的轴向角，θ
se
表示转子静态偏心角。
[0020]
优选地，步骤s3中，对于动态偏心，第k个三相模块的补偿电流为：
[0021]ia_k
＝-i
de cos(θ
d-0)cos(θ
a_k-θ
de
)
[0022][0023][0024]
其中，i
a_k
，i
b_k
，i
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的补偿电流，i
de
表示动态偏心补偿电流幅值，θd表示电机d轴电角度，θ
a_k
，θ
b_k
，θ
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的轴向角，θ
de
表示转子动态偏心角。
[0025]
优选地，步骤s4中，对于混合偏心，第k个三相模块的补偿电流为：
[0026]ia_k
＝-i
se cos(θ
d-0)cos(θ
a_k-θ
se
)-i
de cos(θ
d-0)cos(θ
a_k-θ
de
)
[0027]
[0028][0029]
其中，i
a_k
，i
b_k
，i
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的补偿电流，i
se
表示静态偏心补偿电流幅值，θd表示电机d轴电角度，θ
a_k
，θ
b_k
，θ
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的轴向角，θ
se
表示转子静态偏心角，i
de
表示动态偏心补偿电流幅值，θ
de
表示转子动态偏心角。
[0030]
优选地，最佳i
se
或最佳i
de
采用以下方式确定：
[0031]
从0开始，按照预设步长增长，同时监测定子所受的径向电磁力；
[0032]
若定子所受的径向电磁力降至最低水平，则得到最佳取值。
[0033]
优选地，对补偿电流实施闭环控制，将补偿电流注入电机各三相模块。
[0034]
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时，控制所述计算机可读存储介质所在设备执行第一方面所述的用于多模块同步电机的偏心故障不平衡磁拉力补偿方法。
[0035]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0036]
针对现有技术对电感特性敏感且无法补偿三相模块下气隙磁密幅值的正弦分布的偏差的技术问题，本发明通过绕组空间位置结合偏心类型直接确定各模块各相的补偿电流形式，通过为各三相模块注入根据绕组空间位置调整过的d轴电流，使得三相模块下气隙磁密幅值的正弦分布的偏差得到精确补偿，从而实现不平衡磁拉力补偿的效果。
附图说明
[0037]
图1为本发明提供的一种用于多模块同步电机的偏心故障不平衡磁拉力补偿方法流程图；
[0038]
图2为本发明实施例中转子偏心示意图，(a)为静态偏心，(b)为动态偏心，(c)为混合偏心；
[0039]
图3为本发明实施例中四模块电机示意图。
[0040]
图4为cn114157214a与本发明的气隙磁密补偿原理示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0042]
如图1所示，本发明提供了一种用于多模块同步电机的偏心故障不平衡磁拉力补偿方法，包括以下步骤：
[0043]
步骤s1.判断所述多模块同步电机的偏心类型，若为静态偏心，进入步骤s2，若为动态偏心，进入步骤s3，若为混合偏心，进入步骤s4。
[0044]
判断多模块同步电机的偏心类型的方式属于现有技术，可以是加装霍尔传感器判断偏心、检测定子反电势判断偏心、检测电流谐波成分判断偏心等任一种。
[0045]
步骤s2.获取转子静态偏心角和各三相模块各相绕组的轴向角，根据各三相模块
各相绕组的轴向角与静态偏心角的角度差的余弦，确定对应三相模块对应绕组的补偿电流，进入步骤s5。
[0046]
对于静态偏心，第k个三相模块的补偿电流为：
[0047]ia_k
＝i
d_a_seka_k_se
[0048]ib_k
＝i
d_b_sekb_k_se
[0049]ic_k
＝i
d_c_sekc_k_se
[0050]
其中，i
a_k
，i
b_k
，i
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的补偿电流；i
d_a_se
，i
d_b_se
，i
d_c_se
分别表示静态偏心情况下d轴电流分解在a相、b相、c相绕组上的电流；k
a_k_se
，k
b_k_se
，k
c_k_se
分别表示第k个三相模a相、b相、c相绕组的静态偏心d轴电流修正系数。
[0051]
进一步地，i
d_a_se
，i
d_b_se
，i
d_c_se
分别为：-i
se cos(θ
d-0)、0)、其中，i
se
表示静态偏心补偿电流幅值，θd表示电机d轴电角度。
[0052]
进一步地，k
a_k_se
，k
b_k_se
，k
c_k_se
分别为：cos(θ
a_k-θ
se
)、cos(θ
b_k-θ
se
)、cos(θ
c_k-θ
se
)，其中，θ
a_k
，θ
b_k
，θ
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的轴向角，θ
se
表示转子静态偏心角。
[0053]
如图2中(a)所示，转子静态偏心角θ
se
为转子旋转中心连线方向与水平方向(x轴方向)的夹角。由于方向恒定不变，因而θ
se
为定值。
[0054]
以如图3所示的四模块电机为例，m1-m4分别表示第一个至第四个模块。os代表定子几何中心，or代表转子几何中心，or′
代表转子旋转中心，代表绕组正端，
⊙
代表绕组负端，a1、b1、c1表示第一个模块m1的三相绕组。
[0055]
在当前静态偏心下，偏心转子明显距离模块m1距离更近，距离模块m3更远，沿着气隙圆周，气隙宽度不再均匀，气隙磁密的正弦分布特征被打破，气隙磁密幅值存在偏差，定子内表面所受径向maxell力沿圆周积分不再为零，产生了不平衡此拉力。
[0056]
a相、b相、c相补偿电流i
a_k
，i
b_k
，i
c_k
中，i
d_a_se
，i
d_b_se
，i
d_c_se
成分为标准的d轴电流成分，该成分将为各三相模块下气隙磁密幅值的偏差进行等幅值补偿。考虑到转子静态偏心后，沿着气隙圆周，气隙宽度呈正弦分布，各三相模块下气隙磁密幅值因静态偏心而产生的偏差亦呈正弦分布，因此等幅值补偿仅能对三相模块下气隙磁密幅值的平均偏差进行补偿，但无法对三相模块下气隙磁密幅值的正弦分布偏差进行补偿。因此，进一步获取转子静态偏心角和各三相模块各相绕组的轴向角，计算各三相模块各相绕组的轴向角与静态偏心角的角度差的余弦，即静态偏心d轴电流修正系数k
a_k_se
，k
b_k_se
，k
c_k_se
。该系数反映了各相绕组位置下气隙宽度因静态偏心而产生的具有正弦特性的偏差。利用k
a_k_s
，k
b_k_s
，k
c_k_s
对标准d轴电流进行调整，可以使气隙磁密补偿值在三相模块下呈正弦分布，从而与同样呈正弦分布的气隙磁密幅值偏差形成精确的补偿，如图4所示。
[0057]
如图3所示，a1相的轴线和水平线的夹角为第一个模块m1的a相绕组的轴向角θ
a_1
。
[0058]
步骤s3.实时获取转子动态偏心角，获取各三相模块各相绕组的轴向角，根据各三相模块各相绕组的轴向角与动态偏心角的角度差的余弦，确定对应三相模块对应绕组的补偿电流，进入步骤s5。
[0059]
对于动态偏心，第k个三相模块的补偿电流为：
[0060]ia_k
＝i
d_a_deka_k_de
[0061]ib_k
＝i
d_b_dekb_k_de
[0062]ic_k
＝i
d_c_dekc_k_de
[0063]
其中，i
a_k
，i
b_k
，i
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的补偿电流，i
d_a_de
，i
d_b_de
，i
d_c_de
分别表示动态偏心情况下d轴电流分解在a相、b相、c相绕组上的电流。k
a_k_de
，k
b_k_de
，k
c_k_de
分别表示第k个三相模a相、b相、c相绕组的动态偏心d轴电流修正系数。
[0064]
进一步地，i
d_a_d
，i
d_b_d
，i
d_c_d
分别为：-i
de cos(θ
d-0)、0)、其中，i
de
表示动态偏心补偿电流幅值，θd表示电机d轴电角度.
[0065]
进一步地，k
a_k_de
，k
b_k_de
，k
c_k_de
分别为：cos(θ
a_k-θ
de
)、cos(θ
b_k-θ
de
)、cos(θ
c_k-θ
de
)，其中，θ
a_k
，θ
b_k
，θ
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的轴向角，θ
de
表示转子动态偏心角。
[0066]
如图2中(b)所示，θ
de
为转子旋转中心、转子中心连线方向与水平方向(x轴方向)的夹角，方向会随着转子转动而变化，因而θ
de
为可变值。
[0067]
优选地，转子动态偏心角通过以下方式获得：测量转子初始动态偏心方向角θ
de_0
；采用积分方式计算转子动态偏心角其中，ωm为转子机械角速度，t表示系统运行时间。
[0068]
步骤s4.获取转子静态偏心角和各三相模块各相绕组的轴向角，实时获取转子动态偏心角，根据各三相模块各相绕组的轴向角与静态偏心角的角度差的余弦，确定对应三相模块对应绕组的第一补偿电流，根据各三相模块各相绕组的轴向角与动态偏心角的角度差的余弦，确定对应三相模块对应绕组的第二补偿电流，第一补偿电流和第二补偿电流的和作为最终补偿电流，进入步骤s5。
[0069]
对于混合偏心，第k个三相模块的补偿电流为：
[0070]ia_k
＝i
d_a_seka_k_se
i
d_a_deka_k_de
[0071]ib_k
＝i
d_b_sekb_k_se
i
d_b_dekb_k_de
[0072]ic_k
＝i
d_c_sekc_k_se
i
d_c_dekc_k_de
[0073]
其中，i
a_k
，i
b_k
，i
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的补偿电流，i
d_a_se
，i
d_b_se
，i
d_c_se
分别表示静态偏心情况下d轴电流分解在a相、b相、c相绕组上的电流，k
a_k_se
，k
b_k_se
，k
c_k_se
分别表示第k个三相模a相、b相、c相绕组的静态偏心d轴电流修正系数，i
d_a_de
，i
d_b_de
，i
d_c_de
分别表示动态偏心情况下d轴电流分解在a相、b相、c相绕组上的电流，k
a_k_de
，k
b_k_de
，k
c_k_de
分别表示第k个三相模a相、b相、c相绕组的动态偏心d轴电流修正系数。
[0074]id_a_se
，i
d_b_se
，i
d_c_se
分别为：-i
se cos(θ
d-0)、0)、其中，i
se
表示静态偏心补偿电流幅值，θd表示电机d轴电角度。k
a_k_se
，k
b_k_se
，k
c_k_se
分别为：cos(θ
a_k-θ
se
)、cos(θ
b_k-θ
se
)、cos(θ
c_k-θ
se
)，其中，θ
a_k
，θ
b_k
，λ
c_k
分别表示第k个三相模块a相、b相、c相绕组的轴向角，θ
se
表示转子静态偏心角。
[0075]id_a_d
，i
d_b_d
，i
d_c_d
分别为：-i
de cos(θ
d-0)、0)、其中，i
de
表示动态偏心补偿电流幅值。k
a_k_de
，k
b_k_de
，k
c_k_de
分别为：cos(θ
a_k-θ
de
)、cos(θ
b_k-θ
de
)、cos(θ
c_k-θ
de
)，其中，θ
de
表示转子动态偏心角。
[0076]
混合偏心可视为静态偏心和动态偏心的组合，如图2中(c)所示，该情况下，需同时记录转子静态偏心角θ
se
以及转子动态偏心角θ
de
。
[0077]
步骤s5.将确定的偏心补偿电流注入电机各模块，完成转子偏心补偿。
[0078]
确定偏心补偿电流后，在电机系统运行时，对偏心补偿电流进行闭环控制，将其注入电机各模块绕组中，即可实现抑制电机不平衡磁拉力的效果。
[0079]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。