[发明专利]用于飞轮储能的无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法

权利要求书

1.一种用于飞轮储能的无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括以下两个控制过程：转矩控制部分和悬浮控制部分；

转矩控制部分：无轴承无刷直流电机给定转速n*和实际转速n的误差通过PID调节作为给定转矩T_e^*,给定转矩T_e^*和实际转矩T_e的误差经过转矩调节器，选择相应的电压矢量，同时结合检测装置反馈的电机转子位置角θ，加入电流预测控制，经过逆变器的输出，最终使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化；

悬浮控制部分：给定位移x*、y*和电涡流传感器实际检测位移x、y的误差送入PID调节器，PID输出参考悬浮力F_x^*、F_y^*送入悬浮绕组电流给定值计算模块，经过逆变器输出电流i_a,b,c，最终控制电流转子稳定悬浮；

悬浮绕组电流给定值计算模块所用公式如下：

F＝k_ii+k_xa

其中，k_i是电流刚度系数，k_x是位移刚度系数，i是悬浮绕组电流，a是转子单边位移；

转矩控制部分具体过程为：

1)系统采用转速和转矩双闭环的控制方式，非换相时刻进行转矩控制，换相时刻进行重叠换相，同时加入了电流预测模块进行占空比的计算；

2)霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少为零标志换相结束；

3)采用了重叠换相的方法即关断相延时关断，为了在延迟关断期间直流母线上能够反映出非换相相的电流，在换相期间采取了关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施；

4)采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速；

5)根据电机当前时刻即k时刻的运行状态，获得三相绕组相反电动势；

6)根据当前时刻即k时刻的三相绕组端电压，三相绕组反电动势、当前时刻k时刻的非换相电流值以及下一时刻k+1非换相相电流预测值，计算出预算控制律D，从而控制逆变电路输出；

7)重复2)-6)步，直至换相结束，进行转矩闭环控制；

步骤6)中，运用下面的电流预测模型计算预测控制律D：

a)高速区段换相期间电流预测控制的表达式:

b)低速区段换相期间电流预测控制的表达式:

其中，U_(k)是k时刻施加在关断相和非换相相两相绕组之间的电压，R是定子绕组电阻，i_(k)是k时刻非换相绕组电流，i*_(k+1)是k+1时刻非换相绕组电流，L是定子自感，T是采样周期，E_(k)是k时刻的三相反电动势幅值，U_bus是直流母线电压；

所述无轴承无刷直流电机是在无刷直流电机的定子槽内嵌入一套悬浮控制绕组，使悬浮磁场和旋转磁场共用一套铁芯磁路，其中U、V、W是电机的转矩绕组，用来控制电机的旋转；U相绕组由U1、U2、U3和U4串联组成，V相绕组由V1、V2、V3和V4串联组成，W相绕组由W1、W2、W3和W4串联构成；a1、a2、b1、b2、c1和c2是电机的悬浮绕组，每套绕组都是由两个绕组串联构成；转矩绕组和悬浮绕组都是采用集中绕组的方式，转矩绕组采用两相导通模式，由于集中绕组的之间的互感很小，且共齿的转矩绕组和悬浮绕组总是不同时导通，因此实现转矩绕组和悬浮绕组之间的解耦控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞轮储能的无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，其特征在于，当a1绕组通入电流时，则气隙1处的磁密增加，相反，气隙2处的磁密减小，从而打破了转子两边气隙磁密的平衡，产生了使转子沿+x位移的悬浮力；同理，当悬浮绕组a2通入电流时，产生了使转子沿+y位移的悬浮力，因此通过改变绕组a1和a2通入电流的大小和方向，使得转子在xoy平面的任意方向上位移，最终转子稳定悬浮。