[发明专利]具有容错功能的单绕组无轴承薄片电机的控制方法

摘要

一种具有容错功能的单绕组无轴承薄片电机，属无轴承磁悬浮电机的控制方法。该电机的控制方法是采用单绕组无轴承薄片电机功率最优数学模型和相对应的控制方法控制输入电机绕组的电流，使用一套定子绕组同时实现转动和悬浮功能，并实现电机某一个绕组断路或该绕组相对应的功率器件损坏时，切换到容错运行模式，保证电机正常运行。该电机结构简单紧凑，可靠性高，容错能力强，轴向利用率高，定转子可完全分量。是一种无磨损、无污染的高性能磁悬浮电机，具有广阔的应用前景，尤其是在超洁净领域驱动技术中具有重要意义。

主权项

1.一种具有容错功能的单绕组无轴承薄片电机的控制方法，对于由定子轭(I)及其在定子齿(II)上绕制的一套定子绕组(III)所组成的定子和具有一对极永磁体(V)的转子(IV)所构成的具有容错功能的单绕组无轴承薄片电机的控制方法，其特征在于：采用单绕组无轴承薄片电机功率最优数学模型和相应的控制方法控制输入电机绕组的电流，使得一套定子绕组同时实现转动和悬浮功能，并实现电机任意一个绕组断路或驱动该绕组的功率器件损坏时仍能正常运行。所述的单绕组无轴承薄片电机功率最优数学模型是：(一).根据电机内麦克斯韦力的分布和转矩的求解方式，得到电机内的悬浮力和转矩与定子绕组各个电流的关系式：$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{k}{2}\left(({4I}_1-I_2+I_3-{4I}_4+I_5-I_6)\cos \right[\theta ]+\sqrt{3}\left(I_2+I_3-I_5-I_6\right)\mathrm{Sin}[\theta \left]\right)\\ F_y=\frac{k}{2}\sqrt{3}(-(I_2+I_3-I_5-I_6)\cos [\theta ]+\sqrt{3}(I_2-I_3-I_5+I_6)\mathrm{Sin}[\theta \left]\right)\\ T=\frac{t}{2}\left(\sqrt{3}(I_2-I_3+I_5-I_6)\cos \right[\theta ]+(-2I_1+I_2+I_3+I_5+I_6)\mathrm{Sin}[\theta \left]\right)\end{array}---\left(1\right)\right.$ 式(1)中Fx为电机内X方向径向悬浮力，Fy为Y方向径向悬浮力，T为电机内电磁转矩，θ为转子转角。k为悬浮力系数，t为电磁转矩系数，I1～I6 为定子绕组电流；(二).将电机内各绕组功耗最小的约束条件和上述悬浮力和转矩与定子绕组各个电流的关系式(1)带入Lagrange方程组可得到电机绕组完整时具有容错功能的单绕组无轴承薄片电机的电流模型式：$I1=-\frac{T\sin \left[\theta \right]}{3t}+2\mathrm{Fx}\cos \left[\theta \right]\left(\frac{2-\cos \left[2\theta \right]}{9k}\right)+\frac{2\mathrm{Fy}\cos \left[\theta \right]\sin \left[2\theta \right]}{9k}$ $I2=-\frac{T\sin [\theta -\frac{2\pi }{3}]}{3t}-\mathrm{Fx}\left(\frac{-\cos [3\theta +\frac{2\pi }{3}]-\sqrt{3}\sin \left[\theta \right]}{9k}\right)+\mathrm{Fy}\left(\frac{-\sqrt{3}\cos \left[\theta \right]+2\sin \left[\theta \right]-\sin [3\theta +\frac{2\pi }{3}]}{9k}\right)---\left(2\right)$ $I3=-\frac{T\sin [\theta -\frac{4\pi }{3}]}{3t}+\mathrm{Fx}\left(\frac{-\cos [3\theta -\frac{2\pi }{3}]+\sqrt{3}\sin \left[\theta \right]}{9k}\right)+\mathrm{Fy}\left(\frac{-\sqrt{3}\cos \left[\theta \right]-2\sin \left[\theta \right]+\sin [3\theta -\frac{2\pi }{3}]}{9k}\right)$ $I4=-\frac{T\sin \left[\theta \right]}{3t}-2\mathrm{Fx}\cos \left[\theta \right]\left(\frac{2-\cos \left[2\theta \right]}{9k}\right)-\frac{2\mathrm{Fy}\cos \left[\theta \right]\sin \left[2\theta \right]}{9k}$ $I5=-\frac{T\sin [\theta -\frac{2\pi }{3}]}{3t}+\mathrm{Fx}\left(\frac{-\cos [3\theta +\frac{2\pi }{3}]-\sqrt{3}\sin \left[\theta \right]}{9k}\right)-\mathrm{Fx}\left(\frac{-\sqrt{3}\cos \left[\theta \right]+2\sin \left[\theta \right]-\sin [3\theta +\frac{2\pi }{3}]}{9k}\right)$ $I6=-\frac{T\sin [\theta -\frac{4\pi }{3}]}{3t}-\mathrm{Fx}\left(\frac{-\cos [3\theta -\frac{2\pi }{3}]+\sqrt{3}\sin \left[\theta \right]}{9k}\right)-\mathrm{Fy}\left(\frac{-\sqrt{3}\cos \left[\theta \right]-2\sin \left[\theta \right]+\sin [3\theta -\frac{2\pi }{3}]}{9k}\right)$ (三).电机绕组任意断开一个绕组或是驱动该绕组的功率器件损坏，将该绕组电流为0带入Lagrange方程组则可得到容错运行时的电流模型以绕组1断开，即电流I1＝0为例：$\left\{\begin{array}{c}I1=0\\ I2=\frac{\mathrm{Fx}(-5\cos [\theta ]-\cos [3\theta ]+2\sqrt{3}\sin [\theta \left]\right)}{6k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{\mathrm{Fy}\left(2\sqrt{3}\cos \right[\theta ]+\sin [\theta \left](2+\cos [2\theta \left]\right)\right)}{3k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{T\left(2\sqrt{3}\cos \right[\theta ]-\sin [\theta \left]\right)}{3t(3+\cos [2\theta \left]\right)}\\ I3=\frac{\mathrm{Fx}(-6\cos [\theta ]-\sqrt{3}\left(3\sin \right[\theta ]+\sin [3\theta \left]\right))}{6k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{\mathrm{Fy}(-3\sqrt{3}\cos [\theta ]-\sqrt{3}\cos [3\theta ]+6\sin [\theta \left]\right)}{6k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{T\left(2\sqrt{3}\cos \right[\theta ]+3\sin [\theta \left]\right)}{3t(3+\cos [2\theta \left]\right)}\\ I4=\frac{\mathrm{Fx}\left(5\cos \right[\theta ]+\cos [3\theta \left]\right)}{3k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{\mathrm{Fy}(-3\sin [\theta ]-2\sin [\theta \left]\right)}{3k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{2T\sin \left[\theta \right]}{3t(3+\cos [2\theta \left]\right)}\\ I5=\frac{\mathrm{Fx}(-6\cos [\theta ]+\sqrt{3}\left(3\sin \right[\theta ]+\sin [3\theta \left]\right)}{6k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{\mathrm{Fy}\left(3\sqrt{3}\cos \right[\theta ]+\sqrt{3}\cos [3\theta ]+6\sin [\theta \left]\right))}{6k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{T(-2\sqrt{3}\cos [\theta ]+3\sin [\theta \left]\right)}{3t(3+\cos [2\theta \left]\right)}\\ I6=\frac{\mathrm{Fx}\left(5\cos \right[\theta ]+\cos [3\theta ]+2\sqrt{3}\sin [\theta \left]\right)}{6k(3+\cos [2\theta \left]\right)}-\frac{\mathrm{Fy}\left(2\sqrt{3}\cos \right[\theta ]-\sin [\theta \left](2+\cos [2\theta \left]\right)\right)}{3k(3+\cos [2\theta \left]\right)}+\frac{T\left(2\sqrt{3}\cos \right[\theta ]+\sin [\theta \left]\right)}{3t(3+\cos [2\left(\theta \right)\left]\right)}\end{array}\right.----\left(3\right)$ 以此类推，可得到其他绕组断开或者相对应的功率器件损坏时，即电流I2～I6为零时的电流模型，上述式(2)、(3)中各符号同式(1)；所述的相应控制方法，采用如下步骤：(a).采用电涡流传感器测得电机转子的径向X方向和Y方向两个反馈位移值x和y；通过霍尔传感器测得电机转子的转角θ，进而通过微分环节得到电机反馈角速度ω；(b).将步骤(a)测得的径向X方向和Y方向两个反馈位移值x和y与给定的两个径向位移值x*和y*进行比较，得到的两个误差值分别通过PID环节得到X和Y方向的两个悬浮力Fx和Fy；将步骤(a)得到的反馈角速度ω与给定的角速度ω*进行比较，得到的误差值通过PI环节可得到电机内电磁转矩T；(c).将步骤(b)中得到X和Y方向的悬浮力Fx和Fy以及转矩T，通过电流模型判断模块中绕组完整时的电流模型即式(2)得到电机绕组的六个电流给定值I1 *～I6 *；(d).将步骤(c)的六个电流给定值I1 *～I6 *，与通过电流LEM传感器得到的反馈电流值进行比较，得到的误差值通过电流PI环节通入电机绕组，即是电机绕组的实际电流值I1～I6；通过上述诸步骤达到在电机旋转的同时实现转子在径向上两个自由度的主动悬浮控制；并同时实现转子轴向和扭转方向上另外三个自由度的被动磁悬浮，从而实现转子五个自由度的全悬浮运行；(e).当电机绕组中某一绕组断路或是驱动该绕组的功率器件损坏时，根据电流LEM传感器检测到的电流信号判断该绕组电流为零时，程序将上述位移负反馈和速度负反馈得到的X和Y方向的悬浮力Fx和Fy以及电磁转矩T送入电流模型判断模块，调用容错运行时的电流模型，即调用上述式(3)，从而得到在容错运行状态的绕组电流，保持对电机的旋转控制和主动悬浮控制，保证电机的正常运行。