一种基于双两相三桥臂拓扑的无轴承电机控制系统
阅读说明：本技术 一种基于双两相三桥臂拓扑的无轴承电机控制系统 (Bearingless motor control system based on double-phase three-bridge-arm topology ) 是由 鲍旭聪 王贝易 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双两相三桥臂拓扑的无轴承电机控制系统,涉及无轴承电机领域,该无轴承电机控制系统中,两个两相三桥臂逆变器分别连接无轴承电机的两相悬浮绕组和无轴承电机的两相转矩绕组,悬浮控制器和转矩控制器基于空间矢量脉宽调制算法控制逆变器的工作状态,该无轴承电机控制系统用两相三桥臂拓扑代替传统的双H桥拓扑,共少了两相桥臂,减少硬件复杂度,且提出了一种基于位移、转速、电流三闭环的无轴承电机空间矢量脉宽调制控制策略,无轴承电机控制系统结构简单、动静态性能好且系统鲁棒性强。(The invention discloses a bearingless motor control system based on a double-phase three-bridge-arm topology, which relates to the field of bearingless motors.)
技术领域
本发明涉及无轴承电机领域，尤其是一种基于双两相三桥臂拓扑的无轴承电机控制系统。
背景技术
无轴承电机采用磁悬浮技术将电机转子悬浮，从而避免了传统机械轴承电机由于机械损耗导致的轴承寿命短、维护费用高、机械噪声大等问题，并且具有体积小、易安装、精度高等优点。
两相无轴承电机当前多采用传统双H桥逆变拓扑，对于具有悬浮与转矩两套绕组的无轴承电机，则总共需要4个H桥，系统硬件结构复杂、成本较高。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于双两相三桥臂拓扑的无轴承电机控制系统，本发明的技术方案如下：
一种基于双两相三桥臂拓扑的无轴承电机控制系统，该无轴承电机控制系统包括无轴承电机、第一逆变器、第二逆变器、悬浮控制器和转矩控制器，两个逆变器均为两相三桥臂逆变器，直流电源通过第一逆变器连接无轴承电机的两相悬浮绕组，直流电源通过第二逆变器连接无轴承电机的两相转矩绕组，悬浮控制器连接并控制第一逆变器的工作状态，转矩控制器连接并控制第二逆变器的工作状态；
转矩控制器根据无轴承电机的实时转子转角得到dq坐标系下的转矩参考电流，根据无轴承电机的实时转矩电流结合实时转子转角得到dq坐标系下的转矩实际电流，根据转矩参考电流和转矩实际电流结合空间矢量脉宽调制算法得到第二逆变器的开关信号并作用于第二逆变器；
悬浮控制器根据无轴承电机的实时位移信号和转矩实际电流结合预定解耦模型得到dq坐标系下的悬浮参考电流，根据无轴承电机的实时悬浮电流结合实时转子转角得到dq坐标系下的悬浮实际电流，根据悬浮参考电流和悬浮实际电流结合空间矢量脉宽调制算法得到第一逆变器的开关信号并作用于第一逆变器。
其进一步的技术方案为，根据无轴承电机的实时位移信号和转矩实际电流结合预定解耦模型得到dq坐标系下的悬浮参考电流，包括：
根据实时位移信号通过位移PI调节器得到转子径向参考力；
根据转子径向参考力和转矩实际电流结合预定解耦模型得到dq坐标系下的悬浮参考电流。
其进一步的技术方案为，根据转子径向参考力和转矩实际电流结合预定解耦模型得到dq坐标系下的悬浮参考电流，包括按照如下公式解算：
其中，iLdref是dq坐标系下d轴的悬浮参考电流，iLqref是dq坐标系下q轴的悬浮参考电流，kFA是常系数，APM是永磁体磁势幅值，WL是两相悬浮绕组的总匝数，WT是两相转矩绕组的总匝数，Fxref和Fyref是转子径向参考力，iTq是dq坐标系下q轴的转矩实际电流。
其进一步的技术方案为，根据无轴承电机的实时悬浮电流结合实时转子转角得到dq坐标系下的悬浮实际电流，包括按照如下公式计算：
其中，iLd是dq坐标系下d轴的悬浮实际电流，iLq是dq坐标系下q轴的悬悬浮实际电流，θr是实时转子转角，iLa和iLb是无轴承电机的实时悬浮电流。
其进一步的技术方案为，根据悬浮参考电流和悬浮实际电流结合空间矢量脉宽调制算法得到第一逆变器的开关信号，包括：
根据悬浮参考电流和悬浮实际电流利用电流PI调节器得到dq坐标系下d轴和q轴的悬浮指令电压；
基于空间矢量脉宽调制算法结合悬浮指令电压和实时转子转角得到第一逆变器的开关信号。
其进一步的技术方案为，根据无轴承电机的实时转子转角得到dq坐标系下的转矩参考电流，包括：
对实时转子转角θr进行微分运算得到电机转速ω；
通过转速PI调节器得到dq坐标系下q轴的转矩参考电流iTqref，并将dq坐标系下d轴的转矩参考电流iTdref设为0。
其进一步的技术方案为，根据无轴承电机的实时转矩电流结合实时转子转角得到dq坐标系下的转矩实际电流，包括按照如下公式计算：
其中，iTd是dq坐标系下d轴的转矩实际电流，iTq是dq坐标系下q轴的转矩实际电流，θr是实时转子转角，iTa和iTb是无轴承电机的实时转矩电流。
其进一步的技术方案为，根据转矩参考电流和转矩实际电流结合空间矢量脉宽调制算法得到第二逆变器的开关信号并作用于第二逆变器，包括：
根据转矩参考电流和转矩实际电流利用电流PI调节器得到dq坐标系下d轴和q轴的转矩指令电压；
基于空间矢量脉宽调制算法结合转矩指令电压和实时转子转角得到第二逆变器的开关信号。
其进一步的技术方案为，实时转矩电流和实时悬浮电流通过霍尔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。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种基于双两相三桥臂拓扑的无轴承电机控制系统，该用两相三桥臂拓扑代替传统的双H桥拓扑，结合空间矢量脉宽调制算法，提出了一种基于位移、转速、电流三闭环的无轴承电机空间矢量脉宽调制控制策略，可以实现无轴承电机的稳定悬浮以及旋转，相比于双H桥拓扑总共少了两相桥臂，减少硬件复杂度，且此种控制策略下的无轴承电机控制系统结构简单、动静态性能好且系统鲁棒性强。
附图说明
图1是本申请的无轴承电机控制系统的控制逻辑示意图。
图2是本申请中的两相三桥臂逆变器的电路图。
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。
本申请公开了一种基于双两相三桥臂拓扑的无轴承电机控制系统，请参考图1，该无轴承电机控制系统包括无轴承电机、第一逆变器、第二逆变器、悬浮控制器和转矩控制器，以及还包括一些诸如传感器之类的采样组件，图1未详细示出。
直流电源通过第一逆变器连接无轴承电机的两相悬浮绕组，直流电源通过第二逆变器连接无轴承电机的两相转矩绕组。两个逆变器均为两相三桥臂逆变器，请参考图2，开关管T1和T2构成第一桥臂，开关管T3和T4构成第二桥臂，开关管T5和T6构成第三桥臂，三个桥臂并联并分别连接到直流电源Udc的正负极。两相悬浮绕组的A相的出线端分别连接第一逆变器中的第一桥臂的中间点和第二桥臂的中间点，两相悬浮绕组的B相的出线端分别连接第一桥臂的中间点和第二桥臂的中间点。两相转矩绕组的A相的出线端分别连接第二逆变器的第一桥臂的中间点和第二桥臂的中间点，两相转矩绕组的B相的出线端分别连接第一桥臂的中间点和第二桥臂的中间点。
悬浮控制器连接并控制第一逆变器的工作状态，转矩控制器连接并控制第二逆变器的工作状态，具体的控制逆变器中各个开关管的状态。除此之外，悬浮控制器和转矩控制器还通过各类采样组件获取无轴承电机的各项工作参数。
在本申请的无轴承电机控制系统的工作过程中，需要采集的无轴承电机的各项工作参数包括：(1)实时悬浮电流iLa和iLb；(2)实时转矩电流iTa和iTb；(3)实时转子转角θr；(4)实时位移信号Dxy。其中，实时悬浮电流iLa和iLb分别通过设置在两相悬浮绕组的A相和B相的霍尔电流传感器采样得到。实时转矩电流iTa和iTb分别通过设置在两相转矩绕组的A相和B相的霍尔电流传感器采样得到。实时转子转角θr通过霍尔传感器采样到的角度值计算得到，具体计算得到实时转子转角的方法是现有比较常规的方法，本申请不再展开。实时位移信号Dxy通过电涡流传感器采样得到。
请结合图1所示的转矩控制器和转矩控制器的控制逻辑示意图，两个控制器的控制方法如下：
一、转矩控制器的控制过程，包括如下步骤：
1、转矩控制器根据无轴承电机的实时转子转角θr得到dq坐标系下的转矩参考电流iTdref和iTqref。
具体的，对实时转子转角θr进行微分运算得到电机转速ω，结合电机参考转速ωref通过转速PI调节器得到dq坐标系下q轴的转矩参考电流iTqref，将dq坐标系下d轴的转矩参考电流iTdref设为0。
2、根据无轴承电机的实时转矩电流iTa、iTb结合实时转子转角θr得到dq坐标系下的d轴的转矩实际电流iTd和q轴的转矩实际电流iTq。实际是通过坐标变换的方式进行处理，包括按照如下公式计算：
3、根据转矩参考电流iTdref、iTqref以及转矩实际电流iTd、iTq结合空间矢量脉宽调制算法得到第二逆变器的开关信号并作用于第二逆变器。
具体的，首先根据转矩参考电流和转矩实际电流利用电流PI调节器得到dq坐标系下d轴和q轴的转矩指令电压：利用dq坐标系下d轴的转矩参考电流iTdref和转矩实际电流iTd进行电流PI调节得到d轴的转矩指令电压uTd，利用dq坐标系下q轴的转矩参考电流iTqref和转矩实际电流iTq进行电流PI调节得到q轴的转矩指令电压uTq。基于两相三桥臂的空间矢量脉宽调制算法结合转矩指令电压uTd、uTq和实时转子转角θr得到第二逆变器的开关信号。
二、悬浮控制器的控制过程，包括如下步骤：
1、悬浮控制器根据无轴承电机的实时位移信号Dxy和转矩实际电流结合预定解耦模型得到dq坐标系下的悬浮参考电流iLdref和iLqref。
具体的，首先根据实时位移信号Dxy，结合设定为0的位移参考信号Dxyref通过位移PI调节器得到转子径向参考力Fxref和Fyref。然后根据转子径向参考力Fxref、Fyref和转矩实际电流结合预定解耦模型得到dq坐标系下的d轴的悬浮参考电流iLdref和q轴的悬浮参考电流iLqref，转矩实际电流的计算方法如上所述，在这一步，主要使用dq坐标系下的q轴的转矩实际电流iTq。包括按照如下公式解算：
其中，kFA是常系数、与无轴承电机结构相关。APM是永磁体磁势幅值，WL是两相悬浮绕组的总匝数，WT是两相转矩绕组的总匝数。
2、根据无轴承电机的实时悬浮电流iLa、iLb结合实时转子转角θr得到dq坐标系下d轴的悬浮实际电流iLd和q轴的悬浮实际电流iLq。实际是通过坐标变换的方式进行处理，包括按照如下公式计算：
3、根据悬浮参考电流和悬浮实际电流结合空间矢量脉宽调制算法得到第一逆变器的开关信号并作用于第一逆变器。
具体的，首先根据悬浮参考电流iLdref、iLqref和悬浮实际电流iLd、iLq利用电流PI调节器得到dq坐标系下d轴和q轴的转矩指令电压：利用dq坐标系下d轴的悬浮参考电流iLdref和悬浮实际电流iLd进行电流PI调节得到d轴的悬浮指令电压uLd；利用dq坐标系下q轴的悬浮参考电流iLqref和悬浮实际电流iLq进行电流PI调节得到q轴的悬浮指令电压uLq。基于两相三桥臂的空间矢量脉宽调制算法结合转矩指令电压uLd、uLq和实时转子转角θr得到第一逆变器的开关信号。
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。
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