專利名稱：：具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的控制方法，屬于無軸承磁懸浮電機領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：無軸承薄片電機是一種利用無軸承技術(shù)實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子五自由度懸浮的特種電機，最早于1998年由瑞士學者Barletta等人提出。因其軸向長度比徑向長度小的多，電機呈薄片狀而得名。該電機集懸浮與驅(qū)動于一體，無需獨立的磁軸承支撐，電機結(jié)構(gòu)比起普通無軸承電機更加緊湊，其軸向利用率，轉(zhuǎn)軸剛度、以及電磁效率等均有很大提高。該電機轉(zhuǎn)子可實現(xiàn)五自由度全懸浮，可實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子完全隔離，密封性優(yōu)越。目前，為了實現(xiàn)電機懸浮和驅(qū)動功能，無軸承薄片電機是在驅(qū)動繞組上再繞制一套用于產(chǎn)生懸浮力的繞組。兩套繞組結(jié)構(gòu)使得電機加工工藝復雜，繞組間需要加裝絕緣材料從而增加了電機漏磁，兩套繞組中任一部分損壞都會造成電機無法運行，這就大大降低了電機的可靠性，影響了電機的實用性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出的控制方法旨在控制運行一種結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，具有容錯功能，且體積小，重量輕，功率密度大的無軸承磁懸浮電機。實現(xiàn)上述目的的是具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的控制方法是一種具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的控制方法，對于由定子軛(I)及其在定子齒(II)上繞制的一套定子繞組(III)所組成的定子和具有一對極永磁體(V)的轉(zhuǎn)子(IV)所構(gòu)成的具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的控制方法，其特征在于采用單繞組無軸承薄片電機功率最優(yōu)數(shù)學模型和相應(yīng)的控制方法控制輸入電機繞組的電流，使得一套定子繞組同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和懸浮功能，并實現(xiàn)電機任意一個繞組斷路或驅(qū)動該繞組的功率器件損壞時仍能正常運行。所述的單繞組無軸承薄片電機功率最優(yōu)數(shù)學模型是(一).根據(jù)電機內(nèi)麥克斯韋力的分布和轉(zhuǎn)矩的求解方式，得到電機內(nèi)的懸浮力和轉(zhuǎn)矩與定子繞組各個電流的關(guān)系式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(1)式(l)中Fx為電機內(nèi)X方向徑向懸浮力，F(xiàn)y為Y方向徑向懸浮力，T為電機內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩，6>為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。k為懸浮力系數(shù)，t為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，IiIs為定子繞組電流；(二).將電機內(nèi)各繞組功耗最小的約束條件和上述懸浮力和轉(zhuǎn)矩與定子繞組各個電流的關(guān)系式(l)帶入Lagrange方程組可得到電機繞組完整時具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的電流模型式-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>9A:9it(三).電機繞組任意斷開一個繞組或是驅(qū)動該繞組的功率器件損壞，將該繞組電流為0帶入Lagrange方程組則可得到容錯運行時的電流模型以繞組1斷開，即電流L二O為例<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>以此類推，可得到其他繞組斷開或者相對應(yīng)的功率器件損壞時，即電流12~16為零時的電流模型，上述式(2)、(3)中各符號同式(1);所述的相應(yīng)控制方法，采用如下步驟(a).采用電渦流傳感器測得電機轉(zhuǎn)子的徑向X方向和Y方向兩個反饋位移值x和y;通過霍爾傳感器測得電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角e，進而通過微分環(huán)節(jié)得到電機反饋角速度w;(b).將步驟(a)測得的徑向X方向和Y方向兩個反饋位移值x和y與給定的兩個徑向位移值Z和y進行比較，得到的兩個誤差值分別通過PID環(huán)節(jié)得到X和Y方向的兩個懸浮力Fx和Fy;將步驟(a)得到的反饋角速度w與給定的角速度fl/進行比較，得到的誤差值通過PI環(huán)節(jié)可得到電機內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩T;(c).將步驟(b)中得到X和Y方向的懸浮力Fx和Fy以及轉(zhuǎn)矩T，通過電流模型判斷模塊中繞組完整時的電流模型即式(2)得到電機繞組的六個電流給定(d)潛步驟(c)的六個電流給定值/i'/e'，與通過電流LEM傳感器得到的反饋電流值進行比較，得到的誤差值通過電流PI環(huán)節(jié)通入電機繞組，即是電機繞組的實際電流值hI"通過上述諸步驟達到在電機旋轉(zhuǎn)的同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在徑向上兩個自由度的主動懸浮控制；并同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向和扭轉(zhuǎn)方向上另外三個自由度的被動磁懸浮，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個自由度的全懸浮運行；(e).當電機繞組中某一繞組斷路或是驅(qū)動該繞組的功率器件損壞時，根據(jù)電流LEM傳感器檢測到的電流信號判斷該繞組電流為零時，程序?qū)⑸鲜鑫灰曝摲答伜退俣蓉摲答伒玫降腦和Y方向的懸浮力Fx和Fy以及電磁轉(zhuǎn)矩T送入電流模型判斷模塊，調(diào)用容錯運行時的電流模型，即調(diào)用上述式(3)，從而得到在容錯運行狀態(tài)的繞組電流，保持對電機的旋轉(zhuǎn)控制和主動懸浮控制，保證電機的正常運行。本發(fā)明的工作原理是根據(jù)推導出的具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機電流模型，電機內(nèi)產(chǎn)生驅(qū)動電機運行的轉(zhuǎn)矩磁場和支撐轉(zhuǎn)子懸浮的懸浮磁場。前者和永磁體轉(zhuǎn)子共同作用驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；后者的存在改變了原來轉(zhuǎn)矩磁場的對稱分布，使得電機氣隙中某一區(qū)域的磁場增強，而其對稱區(qū)域的磁場減弱，其產(chǎn)生的磁張應(yīng)力(即麥克思韋力)將指向磁場增強的一方。這樣一來，可以通過轉(zhuǎn)子徑向位移的負反饋控制，調(diào)節(jié)定子繞組產(chǎn)生磁場的大小和方向，就可以控制作用在轉(zhuǎn)子上徑向懸浮力的大小和方向。在此基礎(chǔ)上，再依靠磁阻力效應(yīng)同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向和扭轉(zhuǎn)方向上另外三個自由度的被動磁懸浮，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的五自由度全懸浮運行。當電機內(nèi)某一個繞組斷路或是驅(qū)動該繞組的功率器件損壞時，電機可根據(jù)檢測到的繞組電流故障信號而采用相應(yīng)的電流容錯模型、在軟件程序中更改控制方式，使得剩余的繞組內(nèi)通入適當?shù)娜蒎e運行情況下的電流，從而實現(xiàn)電機的容錯運行，仍可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的五自由度全懸浮運行。本發(fā)明的采用具有容錯功能的無軸承薄片電機的控制方法控制的電機具有以下特點①電機具有容錯運行功能，可靠性高。本發(fā)明中，單繞組無軸承薄片電機的數(shù)學模型包含電機正常運行以及任意一個繞組故障時的不同的電流模型，電機可通過檢測故障信號切換控制程序。這不但提高了電機運行的可靠性，而且無需增加額外的容錯硬件，節(jié)省了應(yīng)用成本。②結(jié)構(gòu)簡單緊湊，具有高度集成性。本電機僅需一套定子繞組即可完成驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)和支撐轉(zhuǎn)子懸浮雙重功能。這樣簡化了電機制,工藝，降低了制作成本，有利于磁懸浮電機的產(chǎn)業(yè)化。③定、轉(zhuǎn)子完全隔離，轉(zhuǎn)子處于全懸浮狀態(tài)，無任何機械磨損，免維護，密封性優(yōu)越。總得來說，具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機是一種可靠性高，維護性好，結(jié)構(gòu)簡單，無磨損、無污染的高性能磁懸浮電機，對我國醫(yī)藥化工、生命科學、半導體制造以及航空航天等超潔凈領(lǐng)域驅(qū)動技術(shù)研究具有重要意義。圖l為具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的結(jié)構(gòu)圖。(a)為側(cè)視切面圖，(b)為俯視圖。圖中標號I:定子軛；II:定子齒；III:定子繞組；IV:轉(zhuǎn)子；V:轉(zhuǎn)子永磁體。1、2、3、4、5、6分別為單繞組無軸承薄片電機的定子的繞組編號。圖中符號,/e為通入各電機繞組內(nèi)的電流符號；N、S為轉(zhuǎn)子永磁體磁極符號。圖2為具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的控制流程框圖。圖3為控制流程中判斷采用何種電流模型的電流模型判斷模塊的軟件流程圖。圖2和圖3中符號x*，/以及w'分別為x方向位移、y方向位移以及角速度的給定值；x，y和w分別為通過位移檢測和速度檢測得到的電機徑向位移反饋值和角速度反饋值；0為采用角度檢測得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角信號；AA為經(jīng)過電流模型計算得到的各繞組給定電流值；A4為通過電流LEM傳感器檢測到的通入各電機繞組內(nèi)的實際電流值；4為微分算子，.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角<9通過其得到轉(zhuǎn)子必角速度"；To判定繞組斷路與否的時間基準。具體實施例方式本發(fā)明中控制方法的核心是具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機釆用功率最優(yōu)方式推導出電機定子繞組的電流模型。首先，根據(jù)電機內(nèi)麥克斯韋力的分布和轉(zhuǎn)矩的求解方式，得到本發(fā)明電機內(nèi)的懸浮力和轉(zhuǎn)矩與定子繞組各個電流的關(guān)系為式(l):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式(l)中Fx為電機內(nèi)X方向徑向懸浮力，F(xiàn)y為Y方向徑向懸浮力，T為電機內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩，P為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。k為懸浮力系數(shù)，t為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)。其次功率最優(yōu)方式還要滿足每繞組功率損壞最小即min[/r.W.[/]。其中，[r〗為電機繞組電阻矩陣(假設(shè)各個繞組電阻相同),f]為hl6為元素的電流向量。綜合考慮上述兩個條件采用Lagrange方程組可得到電機繞組完整時，具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的電流模型為式(2):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>電機繞組任意斷幵一個繞組或是驅(qū)動該繞組的功率器件損壞，可將該繞組電流為0帶入Lagrange方程組則可得到容錯運行時的電流模型為式(3):(以繞組1斷開為例)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式(2)、(3)中各符號同式(1)至于其他繞組斷開或相對應(yīng)的功率器件損壞，即電流力A為0的情況，本發(fā)明都有相應(yīng)的電流模型相對應(yīng)，這里沒有一一列出。根據(jù)圖(l),(2)和(3),本發(fā)明通過位移負反饋和速度負反饋將從電機中反饋的位移信號和速度信號經(jīng)PID和PI環(huán)節(jié)得到徑向懸浮力Fx和Fy以及轉(zhuǎn)矩T，再由單繞組無軸承薄片電機功率最優(yōu)數(shù)學模型得到電機繞組內(nèi)的電流，根據(jù)電流檢測信號來判斷電機是否需要容錯運行，從而保證電機在繞組完整還是任一繞組故障都能正常工作。六個定子齒II上分別繞有六個繞組16。通入由正常運行時單繞組無軸承薄片電機電流模型的LIe。定子繞組III中電流和轉(zhuǎn)子IV永磁體V產(chǎn)生的磁場共同作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子IV旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場和支撐轉(zhuǎn)子IV懸浮的懸浮磁場。電機采用電渦流傳感器測得轉(zhuǎn)子的徑向位移x和y,通過霍爾傳感器測得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角進而得到電機的反饋速度必，上述量值和程序給定的/,/以及《'相比較得到的誤差值，通過PID和PI環(huán)節(jié)分別得到懸浮力Fx和Fy以及轉(zhuǎn)矩T，再根據(jù)單繞組無軸承薄片電機電流模型即式(2)得到電機在完整繞組時的繞組給定電流a/;。再通過一個電流PI環(huán)節(jié)就可得到通入電機繞組內(nèi)的實際電流L16。上述采樣、反饋以及計算過程，通過數(shù)字控制器DSP可完成。電機通過以上介紹速度負反饋控制和徑向位移負反饋控制(圖2)達到在轉(zhuǎn)子IV旋轉(zhuǎn)的同時實現(xiàn)其在徑向上的主動懸浮控制。且轉(zhuǎn)子IV軸向長度與徑向長度相比較短，呈短軸薄片型。依靠磁阻力效應(yīng)同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)子IV軸向和扭轉(zhuǎn)方向上的另外三個自由度的被動磁懸浮，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子IV的五自由度全懸浮運行。當電機繞組III中某一個繞組或是驅(qū)動其運行的功率器件損壞時，程序根據(jù)電流LEM傳感器檢測到的信號判斷該繞組電流為0超過一定時間T。后，即調(diào)用相應(yīng)的容錯程序(圖3)，采用相應(yīng)的容錯狀態(tài)下的電流模型(繞組1故障采用式(3)，其他釆用相應(yīng)的電流模型)，可同樣將由速度負反饋和位移負反饋得到Fx，F(xiàn)y，T轉(zhuǎn)換為容錯運行時單繞組無軸承薄片電機電流。再將上述電流通入剩余的繞組。從而可保證在某繞組斷開情況下，電機內(nèi)磁場分布和正常運行時大致相同，即可保持對轉(zhuǎn)子IV的旋轉(zhuǎn)控制和主動懸浮控制。其軸向和扭轉(zhuǎn)方向的被動懸浮不受影響。權(quán)利要求1.一種具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的控制方法，對于由定子軛(I)及其在定子齒(II)上繞制的一套定子繞組(III)所組成的定子和具有一對極永磁體(V)的轉(zhuǎn)子(IV)所構(gòu)成的具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的控制方法，其特征在于采用單繞組無軸承薄片電機功率最優(yōu)數(shù)學模型和相應(yīng)的控制方法控制輸入電機繞組的電流，使得一套定子繞組同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和懸浮功能，并實現(xiàn)電機任意一個繞組斷路或驅(qū)動該繞組的功率器件損壞時仍能正常運行。所述的單繞組無軸承薄片電機功率最優(yōu)數(shù)學模型是(一).根據(jù)電機內(nèi)麥克斯韋力的分布和轉(zhuǎn)矩的求解方式，得到電機內(nèi)的懸浮力和轉(zhuǎn)矩與定子繞組各個電流的關(guān)系式<math-cwu><![CDATA[<math><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>F</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>k</mi><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>-</mo><mn>4</mn><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>5</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mo>[</mo><mi>&theta;</mi><mo>]</mo><mo>+</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>5</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>Sin</mi><mo>[</mo><mi>&theta;</mi><mo>]</mo><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>F</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>k</mi><mn>2</mn></mfrac><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>5</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mo>[</mo><mi>&theta;</mi><mo>]</mo><mo>+</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>Sin</mi><mo>[</mo><mi>&theta;</mi><mo>]</mo><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo></mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>T</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>t</mi><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>5</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mo>[</mo><mi>&theta;</mi><mo>]</mo><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mn>2</mn><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><msub><mrow><mo>+</mo><mi>I</mi></mrow><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mo>[</mo><mi>&theta;</mi><mo>]</mo><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="A2007101338080002C1.gif"wi="575"he="135"img-content="drawing"img-format="tif"/-->式(1)中Fx為電機內(nèi)X方向徑向懸浮力，F(xiàn)y為Y方向徑向懸浮力，T為電機內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩，θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。k為懸浮力系數(shù)，t為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，I1～I6為定子繞組電流；(二).將電機內(nèi)各繞組功耗最小的約束條件和上述懸浮力和轉(zhuǎn)矩與定子繞組各個電流的關(guān)系式(1)帶入Lagrange方程組可得到電機繞組完整時具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機的電流模型式全文摘要一種具有容錯功能的單繞組無軸承薄片電機，屬無軸承磁懸浮電機的控制方法。該電機的控制方法是采用單繞組無軸承薄片電機功率最優(yōu)數(shù)學模型和相對應(yīng)的控制方法控制輸入電機繞組的電流，使用一套定子繞組同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和懸浮功能，并實現(xiàn)電機某一個繞組斷路或該繞組相對應(yīng)的功率器件損壞時，切換到容錯運行模式，保證電機正常運行。該電機結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性高，容錯能力強，軸向利用率高，定轉(zhuǎn)子可完全分量。是一種無磨損、無污染的高性能磁懸浮電機，具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在超潔凈領(lǐng)域驅(qū)動技術(shù)中具有重要意義。文檔編號H02N15/00GK101162882SQ200710133808公開日2008年4月16日申請日期2007年10月9日優(yōu)先權(quán)日2007年10月9日發(fā)明者廖啟新,俊朱,王曉琳,鄧智泉申請人:南京航空航天大學