磁悬浮旋转件的位置捕获方法、电机及压缩机

技术领域

本申请涉及磁悬浮技术领域，具体而言，涉及一种磁悬浮旋转件的位置捕获方法、电机及压缩机。

背景技术

磁悬浮旋转件是利用磁悬浮技术进行旋转的器件，具有机械磨损小、能耗低、噪音小和寿命长等优点，受到广泛使用。以磁悬浮压缩机为例，如图1所示，其内部主要由磁悬浮电机和磁悬浮轴承构成，磁悬浮旋转件为磁悬浮电机的转子轴。与普通压缩机不同，关机后转子轴在按惯性进行惰转的过程中，需要持续对磁悬浮轴承进行控制，维持转子轴稳定悬浮，直至转子轴转速降至零以后方能停止工作。否则容易导致转子轴带速砸轴，造成磁悬浮电机磨损设置损坏。因此，需要实时获取转子轴的位置，通过不平衡量补偿控制转子轴稳定停浮。

现有技术往往通过采样磁悬浮电机的定子电流，利用定子电流获取转子轴的位置。但是在磁悬浮电机停机惰转时，定子电流为零，导致转子轴位置无法获取，影响了磁悬浮转子轴等磁悬浮旋转件的停浮控制效果。

发明内容

本申请提供了一种磁悬浮旋转件的位置捕获方法、电机及压缩机，以至少解决磁悬浮转子轴等磁悬浮旋转件的停浮控制效果差的技术问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种磁悬浮旋转件的位置捕获方法，包括：

获取三相电线反电动势；

根据所述三相电线反电动势进行相位坐标变换，得到二相反电动势；

基于所述二相反电动势进行比例积分计算，确定旋转件的位置数据。

可选地，所述根据所述三相电线反电动势进行相位坐标变换，得到二相反电动势，包括：

将所述三相电线反电动势从三相坐标系变换至二相旋转坐标系，得到所述二相反电动势。

可选地，所述将所述三相电线反电动势从三相坐标系变换至二相旋转坐标系，得到所述二相反电动势，包括：

利用克拉克变换对所述三相电线反电动势进行坐标变换，得到二相静止反电动势以及相位角，其中，所述相位角为所述三相电线反电动势与A相轴的夹角；

利用派克变换和所述相位角对所述二相静止反电动势进行坐标变换，得到所述二相反电动势。

可选地，所述二相反电动势包括d轴反电动势和q轴反电动势。

可选地，所述基于所述二相反电动势进行比例积分计算，确定旋转件的位置数据，包括：

利用所述d轴反电动势和q轴反电动势，计算得到电流夹角，其中，所述电流夹角为所述三相电线反电动势与所述旋转件对应定子的定子电流的夹角；

对所述电流夹角进行比例积分计算，得到所述位置数据中旋转件转速和旋转件位置角中的至少一个。

可选地，所述利用所述d轴反电动势和q轴反电动势，计算得到电流夹角，包括：

对所述d轴反电动势和q轴反电动势进行比例计算并取负值，得到比值结果；

对所述比值结果进行反正切计算，得到电流夹角。

可选地，所述方法还包括：

当得到所述位置数据中的旋转件转速时，对所述旋转件转速进行积分计算，得到所述旋转件位置角；

当得到所述位置数据中的旋转件位置角时，对所述旋转件位置角进行比例计算，得到所述旋转件转速。

可选地，在所述获取三相电线反电动势之前，所述方法还包括：

响应于旋转件惰转信号，跳转至所述获取三相电线反电动势，并在旋转件惰转过程中，基于所述二相反电动势实时进行比例积分计算，以实时确定所述旋转件的位置数据。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种控制装置，用于执行上述第一方面所述的磁悬浮旋转件的位置捕获方法。

根据本申请实施例的第三个方面，提供了一种磁悬浮电机，包括转子轴、定子、前径向轴承和后径向轴承，所述磁悬浮电机采用上述第一方面所述的磁悬浮旋转件的位置捕获方法或者采用上述第二方面所述的控制装置，得到作为旋转件的所述转子轴的位置数据；

利用所述位置数据生成转子轴不平衡补偿，并将所述转子轴不平衡补偿输出给所述前径向轴承和所述后径向轴承，以控制所述转子轴停浮。

根据本申请实施例的第四个方面，提供了一种磁悬浮压缩机，包括上述第三方面所述的磁悬浮电机。

在本申请实施例中，仅利用三相电线反电动势，经过相位坐标变化和比例积分计算等过程，即可确定旋转件的位置数据。而后即可根据旋转件的位置数据对磁悬浮轴承进行不平衡量补偿，使得旋转件的停浮控制效果提高。一方面，无需通过安装位置传感器等硬件设备检测旋转件的位置，节省了硬件成本，减少了安装空间的占用；另一方面，在定子电流为零时，仍然能够精确地获得旋转件的位置数据，提高了旋转件停浮的稳定性。

附图说明

图1是现有的磁悬浮压缩机内部构造示意图。

图2是本申请一个实施例中的磁悬浮旋转件的位置捕获方法的流程图。

图3是本申请一个实施例中的磁悬浮旋转件的位置捕获方法的三相坐标系变换为二相坐标系示意图。

图4是本申请一个实施例中的磁悬浮旋转件的位置捕获方法的坐标轴变换示意图。

图5是现有技术中转子轴停浮波形图。

图6是应用本申请一个实施例中的磁悬浮旋转件的位置捕获方法的转子轴停浮波形图。

图7是本申请一个实施例中的磁悬浮旋转件的位置捕获方法的应用流程图。

图8是本申请一个实施例中的磁悬浮旋转件的位置捕获方法的原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本申请实施例，提供了一种磁悬浮旋转件的位置捕获方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图2所示，该方法适用于具有三相，且使用三相电工作的旋转设备，为了便于理解，下述实施例以三相电机为例进行说明，旋转件即为电机中的转子轴。具体的，所述方法包括如下步骤：

步骤S101，获取三相电线反电动势。

由于安装有旋转件的旋转设备应用三相电，因此具有三相线，其中，旋转设备的三相分别为A相、B相和C相。即使在电机断电，定子电流为零时，但是仍然能够检测到电机三相线的线反电动势，即三相电线反电动势。

其中，本实施例对三相电线反电动势的获取方式不做具体限定，可以利用传感器检测，也可以使用反电动势计算算法获得。

步骤S102，根据三相电线反电动势进行相位坐标变换，得到二相反电动势。

如图3所示，将三相电线反电动势中的三个线反电动势分别映射到A、B、C三维坐标系中后，即可在三维坐标系中表示三相电线反电动势。由于电机的线反电动势在两相坐标系下满足如下关系：

其中，e

由上式可知，转子轴的转速与二相坐标系上的反电动势有关，因此，通过求取二相坐标系，即可推导出转子轴的转速，也即旋转件的位置。

基于上述原理，将三相电线反电动势进行相位坐标变换，得到二相坐标系中的二相反电动势。

步骤103，基于二相反电动势进行比例积分计算，确定旋转件的位置数据。

其中，比例积分计算可以通过比例积分器，即PI调节器实现。

为了便于理解，如图4所示，在使用磁悬浮技术的电机等旋转设备中，通常会使用如图4所示的三种坐标系。其中，坐标系(a)为ABC三坐标轴构成的三相静止坐标系，即三相ABC定子坐标系，每个坐标轴上有一个等效绕组；坐标系(b)为静止的两相平面直角坐标系，其中α轴与A轴重合，β轴超前α轴90°，两个坐标轴(α轴和β轴)上分别各有一个绕组；坐标系(c)为以速度ω旋转的平面直角坐标系，又称为二相旋转坐标系，两个坐标系分别为d轴和q轴，其中q轴超前d轴90°，两个坐标轴(d轴和q轴)上分别各有一个绕组。

通过相位坐标变换，即可将三相电线反电动势变化为二相反电动势，从而利于确定旋转件的位置数据。

通过上述步骤，仅利用三相电线反电动势，经过相位坐标变化和比例积分计算等过程，即可确定旋转件的位置数据。而后即可根据旋转件的位置数据对磁悬浮轴承进行不平衡量补偿，使得旋转件的停浮控制效果提高。一方面，无需通过安装位置传感器等硬件设备检测旋转件的位置，节省了硬件成本，减少了安装空间的占用；另一方面，在定子电流为零时，仍然能够精确地获得旋转件的位置数据，提高了旋转件停浮的稳定性。

可选地，所述根据所述三相电线反电动势进行相位坐标变换，得到二相反电动势，包括：

将所述三相电线反电动势从三相坐标系变换至二相旋转坐标系，得到所述二相反电动势。

在一实施例中，二相反电动势指二相旋转坐标系中的反电动势，即将三相电线反电动势从图4中的坐标系(a)变换指坐标系(c)。

通过上述步骤，利用二相旋转坐标系，有助于提高旋转件的位置数据的准确度和精度，从而便于提高后续控制旋转件停浮的效果。

可选地，所述将所述三相电线反电动势从三相坐标系变换至二相旋转坐标系，得到所述二相反电动势，包括：

步骤S301，利用克拉克变换对所述三相电线反电动势进行坐标变换，得到二相静止反电动势以及相位角。

其中，克拉克变换(clark变换)即根据三相系统中电压、电流等状态变量存在不同程度的耦合，将三相静止坐标解耦为可以独立控制的两相系统，也即将三相电线反电动势从图4中的坐标系(a)变换至坐标系(b)。

变换过程如图3所示，相位角即图3中的θ角，其中，所述相位角为所述三相电线反电动势与A相轴的夹角。

步骤S302，利用派克变换和所述相位角对所述二相静止反电动势进行坐标变换，得到所述二相反电动势。

其中，派克变换(park变换)即将二相静止坐标系中的反电动势映射至二相旋转坐标系，得到所述二相反电动势。

在一实施例中，通过派克变换有：

其中，

通过上述步骤，通过二次坐标变换，得到二相反电动势，计算过程简单，降低了旋转件的位置数据的求解复杂度，有利于节约计算资源。

可选地，所述二相反电动势包括d轴反电动势和q轴反电动势。

具体的，在一实施例中，d轴反电动势为

可选地，所述基于所述二相反电动势进行比例积分计算，确定旋转件的位置数据，包括：

步骤S501，利用所述d轴反电动势和q轴反电动势，计算得到电流夹角。

其中，电流夹角为三相电线反电动势与旋转件对应定子的定子电流的夹角。需要说明的是，在电机中，旋转件对应为转子轴，定子电流即电机定子中的电流。在其他旋转设备中，定子电流至与旋转件对应的静态器件中流过的电流。

在一实施例中，电流夹角的计算过程为：

其中，Δθ为电流夹角。

步骤S502，对所述电流夹角进行比例积分计算，得到所述位置数据中旋转件转速和旋转件位置角中的至少一个。

在一实施例中，对电流夹角进行比例积分计算后，得到位置数据中的旋转件转速和/或旋转件位置角。在得到旋转件转速后，通过换算即可确定旋转件位置角，同理，在得到旋转件位置角后，通过反换算即可确定旋转件转速，从而确定旋转件的位置数据。

在一实施例中，旋转件转速的计算过程为：

其中，k

通过上述步骤，先计算电流夹角，而后利用电流夹角和比例积分函数确定旋转件转速和旋转件位置角，不仅无需得知定子电流，且在定子电流为零时，仍然能够得到旋转件的位置数据，便于对旋转件进行稳定停浮，从而提高旋转件停浮的控制效果，使旋转件不易因停浮过程不稳定而带速砸轴。

可选地，所述利用所述d轴反电动势和q轴反电动势，计算得到电流夹角，包括：

步骤S601，对所述d轴反电动势和q轴反电动势进行比例计算并取负值，得到比值结果。

步骤S602，对所述比值结果进行反正切计算，得到电流夹角。

即先计算

通过上述步骤，电流夹角的计算过程简单，不易出错，利于降低电流夹角的出错率，从而保证旋转件的位置数据的准确度和精度，以及有利于节约计算资源，提高计算效率。

可选地，所述方法还包括：

步骤S701，当得到所述位置数据中的旋转件转速时，对所述旋转件转速进行积分计算，得到所述旋转件位置角。

步骤S702，当得到所述位置数据中的旋转件位置角时，对所述旋转件位置角进行比例计算，得到所述旋转件转速。

通过上述步骤，通过积分或比例计算即可在得到旋转件的位置数据中的一个数据后，确定另一个数据，计算过程简单，易于节约计算资源。

可选地，在所述获取三相电线反电动势之前，所述方法还包括：

响应于旋转件惰转信号，跳转至所述获取三相电线反电动势，并在旋转件惰转过程中，基于所述二相反电动势实时进行比例积分计算，以实时确定所述旋转件的位置数据。

其中，旋转件惰转信号用户表征旋转件进入惰转阶段。在一实施例中，通过检测定子电流是否为0确定旋转件惰转信号；即，在定子电流为0时，生成旋转件惰转信号。需要说明的是，在旋转件未处于惰转阶段时，想要获得旋转件的位置数据，仍然可以使用本实施例中的位置捕获方法。

通过上述内容，利用三相电线反电动势，经过克拉克变换、派克变换以及比例积分运算等过程，即可在不使用定子电流的情况下，确定旋转件的位置数据，有助于避免在旋转设备中安装位置传感器等硬件设备，以及有助于及时得到旋转件的位置数据，以对旋转件进行平稳精确地停浮控制，提高旋转件停浮的控制效果，使旋转件不易损坏。

为了便于进一步对本实施例中的磁悬浮旋转件的位置补货方法进行理解，以磁悬浮压缩机为例进行说明。

受安装空间的限制，磁悬浮压缩机内部环境复杂，无法安装位置传感器，因此，现有技术中在对磁悬浮压缩机中的转子轴进行控制时，通过采样电机的定子电流，估算出转子轴的位置数据。机组在设定电频率运行时，进行关机，电机惰转状态下，停机过程转子轴的悬浮位移及轴承电流波形如图5所示。从图5中可以看出，机组运行时，转子轴的单边悬浮精度经过不平衡补偿径向精度以及轴向精度都在控制范围内；而关机后，电机惰转时，转子轴碰撞了保护轴承。

采用本实施例中的磁悬浮旋转件的位置捕获方法后，同样机组在设定电频率运行时，进行关机。此时停机过程转子轴的悬浮位移及轴承电流波形如图6所示。从图6中可以看出，电机惰转状态下，转子轴能够平稳停机，电机惰转时转子轴的悬浮精度都在保护阈值范围内。

如图7所示，在磁悬浮压缩机中的电机正常工作时，对电机电流进行采样，并判断定子电流是否为零。如果定子电流为零，证明电机变为惰转状态，转子轴处于惰转阶段。此时，采样线反电动势，并进行坐标变换，即克拉克变换以及派克变换，得到

在确定转子轴的位置数据后，即可对磁悬浮轴承进行不平衡量补偿，使得转子轴在磁悬浮轴承的控制下平稳停浮。

本申请实施例还提供一种控制装置，用于执行上述所述的磁悬浮旋转件的位置捕获方法。

本申请实施例还提供一种磁悬浮电机，包括转子轴、定子、前径向轴承和后径向轴承，所述磁悬浮电机采用上述第一方面所述的磁悬浮旋转件的位置捕获方法或者采用上述第二方面所述的控制装置，得到作为旋转件的所述转子轴的位置数据；

利用所述位置数据生成转子轴不平衡补偿，并将所述转子轴不平衡补偿输出给所述前径向轴承和所述后径向轴承，以控制所述转子轴停浮。

本申请实施例还提供一种磁悬浮压缩机，包括上述所述的磁悬浮电机。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。