具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种低损耗的无轴承电机正弦脉宽调制优化控制方法，该方法应用于无轴承电机控制系统中，请参考图1，无轴承电机控制系统包括无轴承电机、若干个H桥逆变器、悬浮控制器和转矩控制器，每个H桥逆变器分别连接直流电源且第一桥臂的中间点连接无轴承电机的一个相绕组的正向端、第二桥臂的中间点连接同一个相绕组的负向端。无轴承电机的相绕组包括悬浮绕组和转矩绕组，因此对于单相无轴承电机来说需要使用两个H桥逆变器，对于双相无轴承电机来说需要使用四个H桥逆变器。悬浮控制器连接并控制连接至悬浮绕组的H桥逆变器的工作状态，转矩控制器连接并控制连接至转矩绕组的H桥逆变器的工作状态。

对于悬浮控制器和转矩控制器中的任意一个控制器，执行的方法包括如下几个步骤：

(1)对指令电压零点信号赋初值为预设初始布尔值。指令电压零点信号的预设初始布尔值为0(True)或1(False)，对本申请的如下方法不影响。

(2)基于无轴承电机的运行参数处理得到当前时刻无轴承电机在αβ坐标系下的指令电压信号，得到的指令电压信号为布尔型变量。

具体的，无轴承电机的运行参数包括实时悬浮电流、实时转矩电流、实时转子转角和实时位移信号。其中，实时悬浮电流通过安装在悬浮绕组上的电流传感器采样得到，实时转矩电流通过安装在转矩绕组上的电流传感器采样得到，实时转子转角通过霍尔传感器采样到的角度值计算得到，实时位移信号通过电涡流传感器采样得到。

则悬浮控制器基于实时悬浮电流、实时转子转角和实时位移信号处理得到连接至悬浮绕组的H桥逆变器对应的指令电压信号。如图1示出了悬浮控制器处理得到指令电压信号的逻辑控制示意图，具体的：比较器对实时位移信号D_xy和位移设定值D_xyref比较后经由位移调节器得到转子径向参考力F_xyref，经由解耦模型得到dq坐标系下的悬浮参考电流i_Ldqref。实时悬浮电流i_Lab结合实时转子转角θ_r进行坐标变换得到dq坐标系下的悬浮实际电流i_Ldq。比较器对悬浮实际电流i_Ldq和悬浮参考电流i_Ldqref比较后经由电流调节器得到dq坐标系下的悬浮指令电压u_Ldq，再结合实时转子转角θ_r经由坐标反变换得到当前时刻的αβ坐标系下的指令电压信号和其中解耦模型、坐标变换、坐标反变换等具体操作都是比较常规的，本申请不再赘述。

转矩控制器基于实时转矩电流、实时转子转角和实时位移信号处理得到连接至转矩绕组的H桥逆变器对应的指令电压信号。如图1示出了转矩控制器处理得到指令电压信号的逻辑控制示意图，具体的：对实时转子转角θ_r进行微分运算得到电机转速ω，比较器对电机转速ω与转速设定值ω_ref比较后通过转速调节器得到dq坐标系下的转矩参考电流i_Tdqref。实时转矩电流i_Tab结合实时转子转角θ_r进行坐标变换得到dq坐标系下的转矩实际电流i_Tdq。比较器对转矩实际电流i_Tdq和转矩参考电流i_Tdqref比较后经由电流调节器得到dq坐标系下的转矩指令电压u_Tdq，再结合实时转子转角θ_r经由坐标反变换得到当前时刻的αβ坐标系下的指令电压信号u_α(k)和u_β(k)。其中坐标变换、坐标反变换等具体操作都是比较常规的，本申请不再赘述。

(3)若当前周期的指令电压信号大于0、历史参考周期的指令电压信号小于0、且当前周期的指令电压信号与历史参考周期的指令电压信号的乘积小于0，则对指令电压零点信号取为相反的布尔值，否则保持指令电压零点信号的布尔值不变。

历史参考周期的指令电压信号为当前周期的前p个周期的指令电压信号，p≥1。比较常见的，取p＝1使得历史参考周期的指令电压信号为上一个周期的指令电压信号，比如当前周期的指令电压信号为u_α(k)，则历史参考周期的指令电压信号为u_α(k-1)。但为了防止纹波影响，可以取p＞1，历史参考周期的指令电压信号采用前两个周期甚至延迟更长时间的指令电压信号。

(4)若指令电压零点信号为预设初始布尔值，则利用正弦脉宽调制算法得到第一开关控制信号作用于对应的H桥逆变器，否则利用正弦脉宽调制算法得到第二开关控制信号作用于对应的H桥逆变器，H桥逆变器中每个桥臂上的开关管在两个开关控制信号下分别工作于系统频率级和运行基频级的开关频率。其中，系统频率级表示现有常规的开关频率，运行基频级的开关频率低于系统频率级。

具体的，在第一开关控制信号的作用下，连接无轴承电机的相绕组的正向端的第一桥臂上的开关管工作于运行基频级的开关频率、连接无轴承电机的相绕组的负向端的第二桥臂上的开关管工作于系统频率级的开关频率。在第二开关控制信号的作用下，连接无轴承电机的相绕组的正向端的第一桥臂上的开关管工作于系统频率级的开关频率、连接无轴承电机的相绕组的负向端的第二桥臂上的开关管工作于运行基频级的开关频率。

这种做法通过合理分配开关管的开通时间，实现电机相绕组两端其中一端桥臂工作于运行基频级的开关频率，另一端桥臂工作于系统频率级的开关频率，降低了功率变换器整体的开关频率，从而降低损耗。在此基础上，针对电机相绕组两端桥臂开关频率不同导致寿命不同的问题，提出两端对称式工作方案，进一步提高了系统整体寿命，此种控制策略下的无轴承电机控制系统结构简单、损耗低、效率高且寿命长。

请参考图2所示的连接一个相绕组的H桥逆变器的控制波形示意图，以转矩控制器得到的αβ坐标系下的指令电压信号u_α(k)为例，假设指令电压零点信号的预设初始布尔值为0，则在运行过程中：

若指令电压零点信号N＝0，则按照具有运行基频级的开关频率的控制信号g₁控制开关管S₁，按照与g₁开关频率相同且相位相反的控制信号g₂控制开关管S₂，按照具有系统频率级的开关频率的控制信号g₃控制开关管S₃，按照与g₃开关频率相同且相位相反的控制信号g₄控制开关管S₄。使得连接无轴承电机的相绕组的正向端的第一桥臂上的开关管S₁和S₂工作于运行基频级的开关频率，而接无轴承电机的相绕组的负向端的第二桥臂上的开关管S₃和S₄工作于系统频率级的开关频率。

若指令电压零点信号N＝1，则按照具有系统频率级的开关频率的控制信号g₃控制开关管S₁，按照与g₃开关频率相同且相位相反的控制信号g₄控制开关管S₂，按照具有运行基频级的开关频率的控制信号g₁控制开关管S₃，按照与g₁开关频率相同且相位相反的控制信号g₂控制开关管S₄。使得连接无轴承电机的相绕组的正向端的第一桥臂上的开关管S₁和S₂工作于系统频率级的开关频率，而接无轴承电机的相绕组的负向端的第二桥臂上的开关管S₃和S₄工作于运行基频级的开关频率。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。