一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法。

背景技术：

1、盘式电机磁通沿轴向分布，气隙呈平面型，具有结构紧凑、体积小、效率高、功率密度大等优点，越来越受到市场的青睐。根据定转子的数目和相对位置，盘式电机的拓扑结构可分为四大类：单定子单转子的单气隙结构、单定子双转子结构、双定子单转子结构以及多盘式结构。多盘式结构是盘式电机的轴向叠加，增加定转子模块形成多气隙结构，提高了电机的电负荷和功率密度，能满足大转矩直接驱动需要，可减少驱动系统的体积，提高效率。盘式轴向磁通永磁同步电机兼具盘式电机和永磁电机的特点，具有更高的效率和更大的功率密度，在航空航天、无人机、新能源以及重型机械装备领域具有广阔应用前景。

2、目前，国内外有很多学者对盘式永磁电机进行研究，比如：专利号：201811013321x，专利名称为：一种低压大功率轴向组合盘式永磁电机，将高压大功率等级电机分解成多个低压正常功率等级的轴向组合的盘式永磁电机单元直接驱动负载，提供更大转矩，降低了电机的制造、运输、安装和维护成本，提高了系统运行可靠性。然而，由于多盘式轴向磁通永磁电机的特殊结构，每个定子盘的参数，如定子电阻、电感以及加在绕组上的电源电压等不可避免的存在差异，当多盘式轴向磁通永磁电机运行时，每个盘的定子电流必会产生差异，造成电机运行中转矩负担不同，转矩脉动增大，导致电机运行不平稳，电机每个盘的发热不同，如果不及时控制，将损坏多盘式永磁电机长期运行的绝缘，缩短系统整体寿命，降低系统可靠性。因此，为了抑制电流不均衡产生的不良影响，实现高性能的驱动控制，有必要采取有效的控制策略来抑制多盘式永磁电机的电流不均衡现象。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，使得多盘式轴向磁通永磁电机每个盘的定子电流在运行过程中能够达到动态均衡，实现转矩的协调控制，避免转矩脉动对系统运行平稳性及对轴承产生的冲击，提高系统动态响应性能；抑制多盘式轴向磁通永磁电机定子盘发热不均衡现象，延长电机使用寿命，增强系统可靠性和稳定性。

2、为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，所述多盘式轴向磁通永磁电机可以是多个单盘式电机的轴向叠加，也可以是定转子同轴间隔排列的形式，包含n个轴向叠加的定子盘（以下简称n个盘）， n大于等于2，永磁体固定安装在转子上，定转子同轴，其特征在于，包括如下步骤：

4、步骤1：多盘式轴向磁通永磁电机采用n个转速和电流双闭环控制系统，包含n个电流环和n个转速环，且电流环为内环，转速环为外环；通过检测单元检测多盘式轴向磁通永磁电机的实际转速ωmk（k=1,2……n），将给定转速ωref与实际转速ωmk（k=1,2……n）的差值输入转速控制器，经过转速控制器的调节得到输出电流iqk（k=1,2……n）；

5、步骤2：检测n个盘的实际电流ipk（p=a,b,c……m，m为多盘式轴向磁通永磁电机的相数；k=1,2……n），将ipk经过clark和park变换得到n个盘的d轴和q轴实际电流idak和iqak（k=1,2……n）；

6、步骤3：将转速控制器的输出电流iqk（k=1,2……n）和n个盘的q轴实际电流iqak（k=1,2……n）输入电流均衡控制器，经过电流均衡控制器的作用后得到q轴均衡给定电流（k=1,2……n）；

7、步骤4：将n个盘的d轴和q轴均衡给定电流（k=1,2……n）与n个盘实际电流idak和iqak（k=1,2……n）的差值分别输入n个盘的d轴和q轴电流控制器，得到n个盘的d轴和q轴输出给定电压（k=1,2……n），经过反park变换得到n个盘的α轴和β轴输出电压（k=1,2……n）；

8、步骤5：基于n个盘的α轴和β轴输出给定电压（k=1,2……n）经过svpwm或者其他调制方法生成电机控制信号，驱动多盘式轴向磁通永磁电机运行。

9、进一步地，所述电流均衡控制器的功能包括：

10、（1）求n个盘q轴实际电流iqak（k=1,2……n）最大值和最小值的平均值，得到电流ia=（max（iqak）+ min（iqak））/2；

11、（2）求n个转速控制器输出电流iqk（k=1,2……n）的平均值，得到平均电流iqa=；

12、（3）取电流ia和iqa的均衡值，得到n个盘的q轴均衡给定电流。

13、特别地，当检测到的多盘式轴向磁通永磁电机的n个实际转速ωmk（k=1,2……n）相同时，即：ωm1=ωm2=……=ωmn，此时经过转速控制器得到的输出电流iq1= iq2=……= iqn，此时平均电流iqa=可以直接与电流ia进行均衡，得到q轴均衡给定电流。

14、进一步地，检测多盘式轴向磁通永磁电机的实际转速的检测单元可以用编码器或速度传感器或位移传感器来检测；

15、进一步地，多盘式轴向磁通永磁电机n个盘的实际电流ipk可以通过电流传感器检测；

16、进一步地，所述转速控制器或电流控制器可以采用传统的pi控制，也可以采用各种改进的pi控制方法或者采用适合的智能控制方法。

17、进一步地，所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统可以采用矢量控制策略，尤其是可以采用id=0的矢量控制策略。

18、进一步地，多盘式轴向磁通永磁电机控制系统可以使用一个控制器+n个驱动电路模块的结构来控制电机运行，也可以采用独立的n个（控制器+驱动电路模块）的结构来控制电机运行；

19、更进一步地，所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统的控制器完成系统的信号采集、分析、计算以及向驱动电路模块发出控制信号；所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统的驱动电路模块与m相多盘式轴向磁通永磁电机的定子相连接，完成对多盘式轴向磁通永磁电机的驱动控制。

20、更进一步地，所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统的控制器可以采用mcu或者dsp、或者fpga以及各种芯片的组合形式；

21、更进一步地，所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统的驱动电路模块可以采用晶闸管或者场效应管。

22、本发明的有益效果如下：本发明所述多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法能够使多盘式轴向磁通永磁电机n个盘的定子电流在运行过程中达到动态均衡，避免多盘式轴向磁通永磁电机定子盘发热不均衡，减小转矩脉动，延长电机和轴承使用寿命，有效抑制电流不均衡对系统运行可靠性、稳定性造成的不良影响，实现多盘式轴向磁通永磁电机高性能的驱动控制。

技术特征：

1.一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，所述多盘式轴向磁通永磁电机可以是多个单盘式电机的轴向叠加，也可以是定转子同轴间隔排列的形式，包含n个轴向叠加的定子盘（以下简称n个盘）， n大于等于2，永磁体固定安装在转子上，定转子同轴，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述电流均衡控制器的功能包括：

3.根据权利要求1所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述检测多盘式轴向磁通永磁电机实际转速的检测单元可以用编码器或速度传感器或位移传感器来检测。

4.根据权利要求1所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述多盘式轴向磁通永磁电机n个盘的实际电流ipk可以通过电流传感器检测。

5.根据权利要求1所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述转速控制器或电流控制器可以采用传统的pi控制或则采用各种改进的pi控制方法或者采用适合的智能控制方法。

6.根据权利要求1所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述多盘式轴向磁通永磁电机的控制系统可以采用矢量控制策略。

7.根据权利要求1或6所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统可以使用一个控制器+n个驱动电路模块的结构来控制电机运行或者采用独立的n个（控制器+驱动电路模块）的结构来控制电机运行。

8.根据权利要求7所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统的控制器完成系统的信号采集、分析、计算以及向驱动电路模块发出控制信号；所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统的驱动电路模块与m相多盘式轴向磁通永磁电机的定子相连接，完成对多盘式轴向磁通永磁电机的驱动控制。

9.根据权利要求8所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统的控制器可以采用mcu或者dsp、或者fpga以及各种芯片的组合形式。

10.根据权利要求8所述的一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，其特征在于，所述多盘式轴向磁通永磁电机控制系统的驱动电路模块可以采用晶闸管或者场效应管。

技术总结
本发明公开了一种多盘式轴向磁通永磁电机电流均衡控制方法，方法包括检测多盘式轴向磁通永磁电机n个轴向叠加定子盘（以下简称n个盘，n大于等于2）的实际转速，并将其与给定转速的差值输入转速控制器得到n个输出电流；将输出电流和经过坐标变换的n个盘的实际电流输入电流均衡控制器得到n个q轴均衡给定电流；将dq轴均衡给定电流和实际dq轴电流差值输入电流控制器得到n个dq轴给定电压，基于dq轴给定电压驱动多盘式轴向磁通永磁电机运行。本发明方法使多盘式轴向磁通永磁电机n个盘的定子电流在运行过程中达到动态均衡，抑制多盘式轴向磁通永磁电机定子盘发热不均衡现象，减小转矩脉动，延长电机使用寿命，增强系统可靠性和稳定性。

技术研发人员：张淑艳,姚晓东
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24