消除过零畸变的低计算陈本的电机位移检测方法

技术领域

本发明涉及无轴承电机控制技术领域，主要涉及一种消除过零畸变的低计算陈本的电机位移检测方法。

背景技术

无轴承薄片电机没有转轴，定转子分离，轴向长度小，容易实现五自由度悬浮，在心脏泵等超洁净医疗领域有独特的应用。心脏泵要求体积小、悬浮性能稳定，而传统的无轴承控制需要位移传感器采样位移信号实现闭环，常用的位移传感器如电涡流传感器体积大、价格高昂、受环境影响大，不满足心脏泵小体积、稳定悬浮性能的要求。因此，需要寻求一种无位移算法取代位移传感器。

由于无轴承薄片电机本身就需要霍尔传感器测量角度，专利“一种基于霍尔传感器的无轴承永磁薄片电机转子的无位移方法”(申请号：202111409320.9)提出将霍尔传感器一体两用，同时测量转子位移和角度，该方案可以用在启动状态的位移辨识，但是存在以下两个缺点：

(1)此方法需要在机械上安装12个霍尔传感器，每个齿槽放置两个霍尔，限制了齿槽空间进一步缩小，进而限制整个系统体积。

(2)此方法并没有考虑到永磁体的三次谐波对位移求解的影响，求解精度上还有不足。

文献《基于霍尔负序解调法的无轴承永磁薄片电机径向位移检测方法，张艺，王宇，张成糕，中国电机工程学报》提出的负序解调法可以从霍尔输出信号中分离出电机转子的位移信息，但是，当三次谐波出现时，该算法失效。

专利“考虑谐波影响的无轴承永磁薄片电机的转子位移辨识方法”(申请号：202311404004.1)提供了一种考虑了永磁体三次谐波影响的无轴承永磁薄片电机的转子位移辨识方法，相比于霍尔法辨识位移的方法，硬件数量减少，系统体积减小，所提出的基于不同电角度的双重负序解调法有效解决了三次谐波的干扰，测算的位移精度更高。

然而，该方法仍存在两个问题：

(1)在得到四个线性方程之后，采用直接求解方程来获取转子位移，求解过程繁琐，求解得到的表达式十分复杂。在采用数字系统实现时，计算量大，导致中断周期过长，影响控制精度。

(2)更为严重的是，求解得到的位移表达式均是分子除以分母形式，分母中不仅含有电机的固有结构参数，还有电机实时测量的变量，当某一中断周期中分母计算值为零时，计算得到的位移为无穷大，存在过零畸变问题。由于分母中含有电机实时测量的变量，很难通过改变电机的固有结构参数来解决过零畸变问题。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种考虑了永磁体三次谐波影响的消除过零畸变的低计算陈本的电机位移检测方法，相比于已有算法，构造关于位移矢量角对称的方程组，并实现了无用信号对消，实现了转子位移矢量角与电机电频率的解耦，使得辨识位移的表达式的分母中不含电机实时测量的变量，有效解决了过零畸变问题，并且计算过程简单，降低了中断周期，提高了控制精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种消除过零畸变的低计算陈本的电机位移检测方法，所述无轴承永磁薄片电机采用六齿一对极的电机结构，包括6个L型定子；每个L型定子包括轴向的定子轭和径向定子齿，环绕在薄片状转子周围，径向定子齿与转子平齐，每个轴向定子轭分别绕有悬浮绕组和转矩绕组，所述转矩绕组为一对极，悬浮绕组为两对极，同时实现悬浮控制和旋转控制；所述L型定子底部通过铁心导磁环相连；所述薄片状转子外侧贴有一对极永磁体；在径向定子槽口依次安装6个霍尔传感器Hall

具体地，在考虑了永磁体磁势的三次谐波的情况下推导出的3组在机械结构上相对的两个霍尔传感器的输出信号的和，分别为S

转子偏心的示意图如图1所示，计及转子偏心时的气隙长度是空间角度θ的函数，其表达式为

g(θ)＝g

其中，g

假设(αcosθ+βsinθ)

其中，μ

机械上相对的两个霍尔传感器的输出信号的和可以类比空间上分布为两对极的绕组，以Hall

转子永磁体形成的磁势在考虑了三次谐波的情况下的形式为行波：

N

其中，N

根据磁通的连续性可知：

其中

则最终

上述公式中，E

霍尔传感器等效的绕组所匝链的磁链为空间分布函数与磁通的乘积在圆周上的积分，空间分布函数的高次谐波可忽略不计，则磁链的公式为：

其中，k

悬浮绕组的自感L

其中，i

磁链Ψ

其中，k

综合上述磁链分量，可以得到考虑了永磁磁势的三次谐波情况下的所有激励下的总磁链Ψ

上述公式亦可写成如下形式：

更进一步的，将一对极θ

S

k

k

其中，I

由机械结构的对称性可知，剩下的两组在机械结构上相对的两个霍尔传感器的输出信号的和S

其中，Ψ

然后，需要辨识出悬浮绕组的绕组自感L

只保留悬浮电流激励，而转矩电流激励和永磁体激励统统去除，通入的悬浮电流幅值即为式中的电流幅值I

测量出只有悬浮电流激励情况下的磁链大小Ψ

接下来，利用辨识到的悬浮绕组的自感L

将之前得到的磁链表达式S

最后，利用负序解调法，得到关于转子启动状态下的径向位移的表达式，其具体步骤包括：

将y

将E

利用E

可以看出，lcos(θ

本发明还提供一种无轴承薄片电机控制系统，采用上述的电机位移检测方法获取转子启动状态下的径向位移。

本发明提供消除过零畸变的低计算陈本的电机位移检测方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)构造关于位移矢量角对称的方程组，并实现了无用信号对消，实现了转子位移矢量角与电机电频率的解耦，使得辨识位移的表达式的分母中不含电机实时测量的变量，有效解决了过零畸变问题。

(2)变换过程不存在复杂的求解线性方程的过程，利用数字控制器实现简单，占用资源少。计算过程简单，降低了中断周期，提高了控制精度。

附图说明

图1是本发明提供的无轴承永磁薄片电机转子偏心示意图；

图2本发明提供的六齿一对极无轴承永磁薄片电机轴向剖面图；

图3是本发明采用的无轴承永磁薄片电机霍尔传感器机械位置示意图；

图4是考虑了永磁体磁势的三次谐波时的仿真与理论曲线对比图；

图5是不考虑永磁体磁势的三次谐波时的仿真与理论曲线对比图；

图6是无轴承薄片电机控制系统；

图7是文件(202311404004.1)方案存在的过零畸变问题；

图8是本发明方案辨识的位移(不存在过零畸变问题)；

图9是文件(202311404004.1)方案和本发明方案的数字控制实现所需时间对比；

图10是本发明电机位移检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明采用如图2所示的无轴承永磁薄片电机，采用六齿一对极的电机结构，包括6个L型定子2。每个L型定子2包括轴向的定子轭和径向定子齿，环绕在薄片状转子1周围，径向定子齿与转子平齐，每个轴向定子轭分别绕有悬浮绕组4和转矩绕组5，转矩绕组为一对极，悬浮绕组为两对极，同时实现悬浮控制和旋转控制。L型定子底部通过铁心导磁环3相连。薄片状转子1外侧贴有一对极永磁体。

在径向定子槽口依次安装6个霍尔传感器Hall

首先，在考虑了永磁体磁势的三次谐波的情况下推导出的3组在机械结构上相对的两个霍尔传感器的输出信号的和，分别为S

转子偏心的示意图如图1所示，计及转子偏心时的气隙长度是空间角度θ的函数，其表达式为

g(θ)＝g

其中，g

假设(αcosθ+βsinθ)

其中，μ

机械上相对的两个霍尔传感器的输出信号的和可以类比空间上分布为两对极的绕组，以Hall

转子永磁体形成的磁势在考虑了三次谐波的情况下的形式为行波：

N

其中，N

根据磁通的连续性可知：

其中

则最终

上述公式中，E

霍尔传感器等效的绕组所匝链的磁链为空间分布函数与磁通的乘积在圆周上的积分，空间分布函数的高次谐波可忽略不计，则磁链的公式为：

其中，k

其中，i

磁链Ψ

其中，k

综合上述磁链分量，可以得到考虑了永磁磁势的三次谐波情况下的所有激励下的总磁链Ψ

上述公式亦可写成如下形式：

更进一步的，将一对极θ

S

k

k

其中，I

由机械结构的对称性可知，剩下的两组在机械结构上相对的两个霍尔传感器的输出信号的和S

然后，需要辨识出悬浮绕组的绕组自感L

只保留悬浮电流激励，而转矩电流激励和永磁体激励统统去除，通入的悬浮电流幅值即为式中的电流幅值I

测量出只有悬浮电流激励情况下的磁链大小Ψ

接下来，利用辨识到的悬浮绕组的自感L

将之前得到的磁链表达式S

最后，利用负序解调法，得到关于转子启动状态下的径向位移的表达式，其具体步骤包括：

在得到y

则上述公式可以简化成如下的形式:

以上系数可以通过仿真及实验测算得到，即可以当成已知数来看待，那么上式就是一个关于x的四元一次方程组，x

根据上式可以得到在考虑了永磁体磁势的三次谐波的情况下的无轴承永磁薄片电机的转子水平位移x和垂直水平位移y。

为验证推导是否正确，在MAXWELL仿真中，给定一个转子水平位移x和垂直水平位移y，查看最后仿真的磁链与理论推导的磁链是否吻合，从而验证转子水平位移x和垂直水平位移y的理论推导是否正确。

图4是考虑了永磁体磁势的三次谐波时的仿真与理论曲线对比图，即采用本文提出的基于不同电角度的双重负序解调法获取位移。

图5是不考虑永磁体磁势的三次谐波时的仿真与理论曲线对比图，即采用文献《基于霍尔负序解调法的无轴承永磁薄片电机径向位移检测方法，张艺，王宇，张成糕，中国电机工程学报》的负序解调法获取位移。

经对比可以发现，在不考虑永磁体磁势的三次谐波时，曲线重合度相对来说不高，证明测算的转子水平位移x和垂直水平位移精确度不高；在考虑了永磁体磁势的三次谐波时，曲线的重合度很高，证明基于不同电角度的双重负序解调法测算的转子水平位移x和垂直水平位移y精确度大大提高。

但是，在得到四个线性方程之后，采用直接求解方程来获取转子位移，求解过程繁琐，求解得到的表达式十分复杂。在采用数字系统实现时，计算量大，导致中断周期过长，影响控制精度。

图6为无轴承薄片电机控制系统，其中ω

由于分母中含有电机实时测量的变量，很难通过改变电机的固有结构参数来解决过零畸变问题。

本发明提供的方案如下：

将y

将E

/>

利用E

可以看出，lcos(θ

图9是文件(202311404004.1)方案和本发明方案的数字控制实现所需时间对比，文件(202311404004.1)方案需要9微秒，本发明仅需6微秒。

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