一种无轴承无刷直流电机悬浮力控制方法

权利要求书
1．一种无轴承无刷直流电机，包括环形定子（1）、转矩绕组（2）、悬浮力绕组（3）、定子齿（4）、永磁体（5）、转子铁芯（6）和转轴（7）；永磁体（5）以表贴式均匀分布在转子铁芯（6）表面，12个定子齿（4）均匀分布在环形定子（1）的内圆周面上，转矩绕组（2）、悬浮力绕组（3）均采用集中式绕组；转矩绕组（2）由A、B和C三相绕组组成，A相转矩绕组由线圈A1、A2、A3和A4依次串联组成，B相转矩绕组由线圈B1、B2、B3和B4依次串联组成，C相转矩绕组由线圈C1、C2、C3、C4依次串联组成，转矩绕组线圈按A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4顺序沿逆时针方向依次缠绕于定子齿（4）上；悬浮力绕组（3）由U1-V1-W1和U2-V2-W2两组绕组组成，每相悬浮力绕组有两个线圈依次串联组成，沿定子圆心对称分布于定子齿（4）上，悬浮力绕组按U1、U2、W1、W2、V1、V2、U1、U2、W1、W2、V1、V2顺序沿逆时针方向依次缠绕于定子齿上。

2．一种按权利要求1所述的无轴承无刷直流电机的悬浮力控制方法，其特征为：
1）在无轴承无刷直流电机的转轴一端安置霍尔传感器（38）以检测转子角θ，将霍尔传感器（38）的输出端分别连接微分模块（41）、悬浮力电流给定值计算模块（35）和转矩绕组电流给定值计算模块（34）；将电机给定转速ω*与转子转角θ经微分模块（41）得到的实际转速ω之差经过PI调节器（31）得到电流给定值I*，将该电流给定值I*输至转矩绕组电流给定值计算模块（34）；将悬浮力电流给定值计算模块（35）的输入端分别连接PID调节器（32、33），输出端依次连接到悬浮力电流跟踪型逆变器（37）；将转矩绕组电流给定值计算模块（34）的输入端连接PI调节器（31），输出端依次连接到转矩流跟踪型逆变器（36）；在转子径向x和y轴向上分别放置电涡流位移传感器（39、40）以检测x、y轴向上的实际位移，分别与给定的位移量x*和y*相比之后得到x和y轴方向上的位移偏差，该位移偏差经过位移PID调节器（32、33）生成x和y轴方向上的悬浮力给定值*
F和*y F，（35）。

x
2）将悬浮力给定值*
F和*y F以及转子角θ输至悬浮力绕组电流给定值计算模
x
块（35），根据转子角θ的不同，导通相应的悬浮力绕组，当转子角θ位于15˚~45˚，75˚~105˚，135˚~165˚，195˚~225˚，255˚~285˚，315˚~345˚之间时，悬浮力绕组U1-V1-W1导通，把悬浮力给定值*x F 和*y F 经2/3坐标变换得到沿u1、v1、w1轴
向上的悬浮力给定值*u1F 、*v1F 、*w1F ，然后根据力/电流关系得出悬浮力绕组电流给定值*u1i 、*v1i 、*w1i ；当转子角θ位于0˚~15˚，45˚~75˚，105˚~135˚，165˚~195˚，
225˚~255˚，285˚~315˚，345˚~360˚之间时，悬浮力绕组U2-V2-W2导通，悬浮力给定值*x F 、*y F 先变换到x 2、y 2轴向上的悬浮力给定值*2x F 、*2y F ，其中x 2、y 2轴是由x 、y 轴按逆时针方向旋转30˚得到，然后*2x F 、*2y F 经2/3坐标变换得到沿
u2、v2、w2轴向上的悬浮力给定值*u2F 、*v2F 、*w2F ，最后根据力/电流关系得出悬浮力绕组电流给定值*u2i 、*v2i 、*w2i 。

3）将三相悬浮力绕组电流给定值值*u1i 、*v1i 、*w1i 或*u2i 、*
v2i 、*w2i 经过电流跟
踪型逆变器（37）得到三相悬浮力绕组的输入电流1u i 、1v i 、1w i 或2u i 、2v i 、2w i ，然后输送给无轴承无刷直流电机悬浮力绕组（3）。

3．根据权利要求2所述的悬浮力控制方法，其特征在于：任意时刻都有悬浮力绕组三相同时导通产生径向悬浮力实现转子稳定悬浮，转子受到的径向悬浮力较大，且电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器仅需通断12次，降低了对逆变器频率的要求，减小了控制系统的复杂性。

说明书
一种无轴承无刷直流电机悬浮力控制方法
技术领域
本发明是一种无轴承无刷直流电机的悬浮力控制方法，适用于无轴承无刷直流电机的高性能控制，属于电力传动控制的技术领域。

背景技术
无轴承无刷直流电机是将无轴承技术应用于无刷直流电机而形成的一种新型电机结构，它同时具备无轴承技术和无刷直流电机的优点，在血液泵、高速/超高速离心机、牙科和手术用高速器具等生物医学领域及飞轮储能新能源领域具有较高的研究价值和广泛的应用前景。

现代工业应用中对电机控制系统性能的要求越来越高，为了改善电机的性能，不仅要对电机本体结构进行研究，也要采用先进的控制策略对电机进行控制。

现已提出的无轴承无刷直流电机悬浮力控制方法虽然能够实现转子的稳定悬浮，但其明显存在不足和缺点：电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器需通断24次，繁琐的改变悬浮力绕组导通状态，提高了对逆变器的要求，增加了控制系统的复杂程度，占用了过多的软件系统时钟周期，且转子所受的单位电流径向悬浮力小，使得传统控制方法难以满足高性能控制系统的要求。

发明内容
为进一步提高无轴承无刷直流电机的工作性能，本发明提出了一种无轴承无刷直流电机的悬浮力控制方法，即采用悬浮力绕组三相同时导通策略产生径向悬浮力实现转子稳定悬浮，该方法能够减少控制悬浮力绕组的逆变器通断次数，降低控制系统的复杂度，增加转子单位电流径向悬浮力，极大的促进了无轴承无刷直流电机的实用化步伐。

为实现此目的，本发明采用如下技术方案：无轴承无刷直流电机由环形定子、定子齿、永磁体、转轴、转子铁芯、转矩绕组和悬浮力绕组组成；永磁体以表贴式均匀分布在转子铁芯表面，12个定子齿均匀分布于环形定子的内圆周面上，转矩绕组和悬浮力绕组均采用集中绕组方式；转矩绕组由A、B、C三相绕组组
成，A相转矩绕组由线圈A1、A2、A3、A4依次串联组成，B相转矩绕组由线圈B1、B2、B3、B4依次串联组成，C相转矩绕组由线圈C1、C2、C3、C4依次串联组成，转矩绕组线圈按A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4顺序沿逆时针方向依次缠绕于定子齿上；悬浮力绕组由U1-V1-W1和U2-V2-W2两组绕组组成，每组各有三相悬浮力绕组组成，每相悬浮力绕组有两个线圈串联连接，沿定子圆心对称分布于定子齿上，悬浮力绕组按U1、U2、W1、W2、V1、V2、U1、U2、W1、W2、V1、V2顺序沿逆时针方向依次缠绕于定子齿上；悬浮力绕组U1-V1-W1同一时刻导通，悬浮力绕组U2-V2-W2同一时刻导通，当转子角θ位于15˚~45˚、75˚~105˚、135˚~165˚、195˚~225˚、255˚~285˚、315˚~345˚之间时，悬浮力绕组U1-V1-W1导通，当转子角θ位于0˚~15˚、45˚~75˚、105˚~135˚、165˚~195˚、225˚~255˚、285˚~315˚、345˚~360˚之间时，悬浮力绕组U2-V2-W2导通，改变悬浮力绕组电流的大小和方向，可以产生平面内大小和方向可控的悬浮力，从而支承转子稳定悬浮。

本发明的优点在于：
1、采用本发明提出的悬浮力新型控制方法，电子转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器仅需通断12次，减少了逆变器开关器件的开关次数，无疑降低了对逆变器的要求，降低了控制系统的复杂度。

2、本发明提出的悬浮力绕组三相导通技术，任意时刻都有三相悬浮力绕组同时导通，提高悬浮力绕组的利用率，从而提高了无轴承无刷直流电机的工作效率，并且简化了驱动控制方法，使得无轴承无刷电机能够在高速离心机、牙科和手术用高速器具等生物医学领域及飞轮储能等新能源领域中广泛应用。

3、在电机尺寸，悬浮力绕组电流相同的条件下，较传统控制方法，本发明提出的控制策略能够增大转子单位电流径向悬浮力，提高了无轴承无刷直流电机的性能指标。

附图说明
图1是本发明无轴承无刷直流电机的结构示意图；
图2(a)、(b)是不同悬浮力绕组导通时悬浮力分量的方向，图2(a)是悬浮力绕组U1-V1-W1导通时悬浮力分量的方向，图2(b)是悬浮力绕组U2-V2-W2导通时悬浮力分量的方向；
图3是无轴承无刷直流电机控制系统框图；
图4(a)、(b)分别是不同悬浮力绕组导通时悬浮力的坐标变换，图4(a)是悬浮力绕组U1-V1-W1通电时悬浮力坐标变换，图4(b)是悬浮力绕组U2-V2-W2通电时悬浮力坐标变换；
图中：1.环形定子；2.转矩绕组；3.悬浮力绕组；4.定子齿；5.永磁体；6.转子铁芯；7.转轴；31.PI调节器；32、33.位移PID调节器；34.转矩绕组电流给定值计算模块；35.悬浮力绕组电流给定值计算模块；36.转矩电流跟踪型逆变器模块；37.悬浮力电流跟踪型逆变器模块；38.霍尔传感器；39.x轴向电涡流位移传感器；40.y轴向电涡流位移传感器。

具体实施方式
参见图1所示的无轴承无刷直流电机，包括环形定子1、转矩绕组2、悬浮力绕组3、定子齿4、永磁体5、转子铁芯6和转轴7；环形定子1为圆筒形，环形定子1内套转轴7，转轴7外固定套装转子铁芯6，永磁体5以表贴式均匀分布在转子铁芯6表面，且环形定子1、转轴7和转子铁芯6三者同轴，12个定子齿4均匀分布于环形定子1的内圆周面上，转矩绕组2和悬浮力绕组3均缠绕在定子齿12上。

转矩绕组2由A、B、C三相绕组组成，采用集中式绕组，A相转矩绕组由线圈A1、A2、A3、A4依次串联组成，B相转矩绕组由线圈B1、B2、B3、B4依次串联组成，C相转矩绕组由线圈C1、C2、C3、C4依次串联组成，转矩绕组线圈按A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4顺序沿逆时针方向依次缠绕于定子齿4上。

悬浮力绕组3由U1-V1-W1和U2-V2-W2两组绕组组成，采用集中式绕组，每组有三相悬浮力绕组组成，每相悬浮力绕组有两个线圈串联连接，沿定子圆心对称分布于定子齿4上，其中U1-V1-W1悬浮力绕组由U1、V1、W1三相组成，U2-V2-W2悬浮力绕组由U2、V2、W2三相组成，悬浮力绕组线圈按U1、U2、W1、W2、V1、V2、U1、U2、W1、W2、V1、V2顺序沿逆时针方向依次缠绕于定子齿4上。

电机工作时，电机转子逆时针旋转，悬浮力绕组3导通情况取决于转子角θ，任意时刻有且只有一组悬浮力绕组3导通，即U1-V1-W1悬浮力绕组或者
U2-V2-W2悬浮力绕组导通产生可控的悬浮力来支承转子稳定悬浮，任意一组悬浮力绕组3导通时所产生的悬浮力（u1F 、v1F 、w1F 或u2F 、v2F 、w2F ）共同决定一个平面，改变相应悬浮力绕组电流的大小，可以产生平面内大小和方向可控的悬浮力，从而支承转子稳定悬浮。

当转子角θ为15˚~45˚，75˚~105˚，135˚~165˚，195˚~225˚，255˚~285˚，315˚~345˚之间时，悬浮力绕组U1-V1-W1导通，产生u1、v1、w1方向的悬浮力u1F 、v1F 、
w1F ；当转子角
θ为0˚~15˚，45˚~75˚，105˚~135˚，165˚~195˚，225˚~255˚，285˚~315˚，
345˚~360˚之间时，悬浮力绕组U2-V2-W2导通，产生u2、v2、w2方向的悬浮力
u2F 、v2F 、w2F ，其合力支承转子稳定悬浮。

如图3所示，实现本发明所述的无轴承无刷直流电机的控制系统是由PI 调节器31，位移PID 调节器32、33，转矩绕组电流给定值计算模块34，悬浮力绕组电流给定值计算模块35，转矩绕组电流跟踪型逆变器36，悬浮力绕组电流跟踪型逆变器37，霍尔传感器38，x 轴向电涡流位移传感器39，y 轴向电涡流位移传感器40构成的。

在无轴承无刷直流电机转轴7的一端安置端放置霍尔传感器38，用以检测转子角θ，霍尔传感器38的输出端分别连接微分模块41、转矩绕组电流给定值计算模块34和悬浮力电流给定值计算模块35的输入端，将转轴7的转子角位置信号分别输入各模块中。

悬浮力绕组电流给定值计算模块35的输入端分别连接位移PID 调节器32、33的输出端，悬浮力绕组电流给定值计算模块35的输出端连接悬浮电流跟踪型逆变器37的输入端，悬浮力绕组电流跟踪型逆变器37的输出端连接无轴承无刷直流电机的悬浮力绕组3的输入端。

转矩绕组电流给定值计算模块34的输入端连接PI 调节器31的输出端，转矩绕组电流给定值计算模块34的输出端连接转矩电流跟踪型逆变器36的输入端，转矩绕组电流跟踪型逆变器36的输出端连接无轴承无刷直流电机的转矩绕组2的输入端。

结合图3控制系统结构框图，无轴承无刷直流电机悬浮力控制方法具体步骤如下：
1、采用霍尔传感器38检测得到所述无轴承无刷直流电机42转子角θ；
2、利用电涡流位移传感器39检测无轴承无刷直流电机42转子的x 轴方向
上的实际位移，将给定的x 轴方向上的参考位移x *与x 轴方向上的实际位移之差经过位移PID 调节器32计算出无轴承无刷直流电机转子沿x 轴方向上的悬浮力给定值*x F ；同理，利用y 轴方向上的电涡流位移传感器40检测无轴承无刷直流电机42的转子的y 轴方向上的实际位移，将给定的y 轴方向上的参考位移y *与y 轴方向上的实际位移之差经过位移PID 调节器33计算出无轴承无刷直流电机转子沿y 轴方向上的悬浮力给定值*y F ；
3、将步骤2所述的无轴承无刷直流电机x 轴向上的悬浮力给定值*x F ，y 轴向上的悬浮力给定值*y F 和步骤1所述的转子角θ输至悬浮力绕组电流给定值计算模块35，当转子角θ位于15˚~45˚，75˚~105˚，135˚~165˚，195˚~225˚，255˚~285˚，315˚~345˚之间时，悬浮力绕组U1-V1-W1导通，结合图4(a)，先把x 、y 轴方向上的悬浮力给定值*x F 、*y F 经2/3坐标变换得到沿u1、v1、w1方向上的悬浮力给
定值*u1F 、*v1F 、*w1F ，计算公式如下：
*u1*
*v1**w12031
313x y F F F F F ⎡⎤
⎢
⎥⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢
⎥⎣⎦⎢-⎢⎣ 把上式代入力/电流公式i =KF 可得
**u1u1*
**v1v1***w1w12031
31
3x y i F F i K F K F i F ⎡⎤
⎢⎥
⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥==-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎢
⎥⎣⎦⎣⎦⎢-⎢⎣ 由以上两式可得悬浮力绕组U1-V1-W1上的电流给定值*u1i 、*v1i 、*
w1i 。

当转子角θ位于0˚~15˚，45˚~75˚，105˚~135˚，165˚~195˚，225˚~255˚，285˚~315˚，345˚~360˚之间时，悬浮力绕组U2-V2-W2导通，结合图4(b)，先把x 、y 轴方向上的悬浮力给定值*x F 、*y F 先变换到坐标系x 2、y 2轴方向上的悬浮力给定值*2x F 、*2y F ，其中x 2、y 2轴是由x 、y 轴按逆时针方向旋转30˚得到，再把*2x F 、
*
2y F 经2/3坐标变换得到沿u2、v2、w2方向上的悬浮力给定值*u2F 、*v2F 、*w2F ，
计算公式如下：
**
2**2cos30sin 30sin 30cos30x x y y F F F F ︒︒︒︒⎡⎤⎡⎤
⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
*u2*
2*v2*2*w22031
313x y F F F F F ⎡⎤
⎢⎥
⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢-⎢⎣ 把上式代入力/电流公式i =KF 可得
**u2u2*
**v2v2***w2w213133203x y i F F i K F K F i F ⎡⎤
⎢
⎥⎢⎥
⎡⎤⎡⎤
⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥
==-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢
⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦
由以上两式可得悬浮力绕组U2-V2-W2上的电流给定值*u2i 、*
v2i 、*w2i 。

上述计算公式中：*u1i 、*v1i 、*w1i 和*u2i 、*v2i 、*w2i 分别为悬浮力绕组U1、V1、W1和U2、V2、W2的悬浮力电流给定值；K 为力/电流系数；*u1F 、*v1F 、*w1F 和*u2F 、*
v2
F 、*w2F 分别是沿u1、v1、w1和u2、v2、w2方向上的悬浮力给定值；*x F 、*y F 分别为x 、y 轴方向上的悬浮力给定值；
4、将步骤3所述的无轴承无刷直流电机三相悬浮力电流给定值*u1i 、*v1i 、*w1
i 或*u2i 、*
v2i 、*w2i 经过电流跟踪型逆变器37得到无轴承无刷直流电机三相悬浮力绕
组的输入电流1u i 、1v i 、1w i 或2u i 、2v i 、2w i 。

根据以上所述，便可实现本发明。

说明书附图
7
图1
2(b)
2(a)
图2
图3
4(a)4(b)
图4
说明书摘要
本发明公开了一种无轴承无刷直流电机悬浮力控制方法，采用悬浮力绕组三相同时导通的控制策略，检测转子在x和y轴方向上的位移量，分别与给定的位移量x*和y*相比之后得到x和y轴方向上的位移偏差，该位移偏差经过位移PID 调节器生成x和y轴方向上的悬浮力给定值*
F和*y F，根据检测到的转子角θ的
x
不同，悬浮力给定值*
F和*y F相应的进行2/3坐标变换，得出不同悬浮力绕组上
x
的悬浮力给定值，然后再根据力/电流变换关系得到悬浮力绕组U1-V1-W1上的悬浮力电流给定值*u1i、*v1i、*w1i或者悬浮力绕组U2-V2-W2上的悬浮力电流给定值*
i、*v2i、*w2i，最后通过电流跟踪型逆变器得到悬浮力电流1u i、1v i、1w i或2u i、
u2
i、2w i，输至无轴承无刷直流电机的悬浮力绕组，从而产生相应的径向悬浮力
2
v
使得转子稳定悬浮；采用本发明悬浮力控制方法不仅可以增加转子受到的径向悬浮力，而且电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器仅需通断12次，降低了对逆变器频率的要求，减小了控制系统的复杂性。