[发明专利]一种双绕组永磁容错电机垂直提升系统及其控制方法

权利要求书

1.一种双绕组永磁容错电机垂直提升系统，其特征在于，包含第一至第二控制电路、双绕组永磁容错电机、减速器和垂直提升模块；

所述双绕组永磁容错电机的定子中包含两套相互独立的对称分布的三相绕组a、b、c和x、y、z，均采用电枢绕组集中式隔齿绕制方式；

所述第一控制电路和双绕组永磁容错电机定子中的绕组a、b、c对应相连；

所述第二控制电路和双绕组永磁容错电机定子中的绕组x、y、z对应相连；

所述双绕组永磁容错电机的输出端通过减速器和垂直提升模块相连。

2.根据权利要求1所述的双绕组永磁容错电机垂直提升系统，其特征在于，所述双绕组永磁容错电机的转子采用转子外径离心度为10mm的永磁体磁钢离心结构。

3.根据权利要求1所述的双绕组永磁容错电机垂直提升系统，其特征在于，所述垂直提升模块包含卷盘、铜丝绳和负载机构；

所述铜丝绳一端和卷盘相连，另一端和负载机构相连；

所述卷盘的转轴通过减速器和所述双绕组永磁容错电机的输出端相连。

4.根据权利要求1所述的双绕组永磁容错电机垂直提升系统，其特征在于，所述第一控制电路和第二控制电路均包含整流电路、制动电路、三相全桥驱动电路，所述整流电路、制动电路、三相全桥驱动电路依次相连；

所述第一控制电路中的三相全桥驱动电路和双绕组永磁容错电机定子中的绕组a、b、c对应相连；

所述第二控制电路中的三相全桥驱动电路和双绕组永磁容错电机定子中的绕组x、y、z对应相连。

5.基于权利要求1所述的双绕组永磁容错电机垂直提升系统的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1)，通过霍尔传感器采集双绕组永磁容错电机中绕组a、b、c和绕组x、y、z的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z，然后将其分别通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下各自实际电流值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2；

步骤2)，通过位置信号检测采集得到双绕组永磁容错电机的转子位置信号θ，并对转子位置信号进行微分得到速度信号转子机械角速度ω_r；

步骤3)，针对双绕组永磁容错电机垂直提升系统，建立系统在提升工况时的数学模型，其在三相坐标系下分别建立的电机绕组a、b、c和绕组x、y、z的电压和磁链方程为：

Vabc=Rs′iabc+pψabcVxyz=Rs′ixyz+pψxyzψabc=L11′iabc+ψfabcψxyz=L22′ixyz+ψfxyz]]>

其中，V_abc＝[V_aV_bV_c]^T和ψ_abc＝[ψ_aψ_bψ_c]^T分别为绕组a、b、c的相电压和定子磁链，р为微分算子，i_abc＝[i_ai_bi_c]^T为绕组a、b、c的相电流，R’_s＝diag[R_sR_sR_s]^T为定子电阻，V_xyz＝[V_xV_yV_z]^T为绕组x、y、z的相电压，ψ_xyz＝[ψ_xψ_yψ_z]^T为绕组x、y、z的定子磁链，i_xyz＝[i_xi_yi_z]^T为绕组x、y、z的相电流，L’₁₁、L’₂₂分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的定子电感，ψ_fabc、ψ_fxyz分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的永磁体磁链；

根据功率守恒进行坐标变换后，其旋转坐标系下的d-q轴的电压方程为：

Ud1=Rsid1+pψd1-ωeψq1Uq1=Rsiq1+pψq1+ωeψd1ψd1=Ld11id1+ψfψq1=Lq11iq1]]>

Ud2=Rsid2+pψd2-ωeψq2Uq2=Rsiq2+pψq2+ωeψd2ψd2=Ld22id2+ψfψq2=Lq22iq2]]>

其中，ω_e为转子电角速度，ω_e＝P_nω_r，ω_r为转子机械角速度，P_n为电机极对数，U_d1、U_q1分别为绕组a、b、c的d-q轴电压，U_d2、U_q2分别为绕组x、y、z的d-q轴电压，R_s为定子电阻，р为微分算子，L_d11、L_q11分别为绕组a、b、c的d-q轴电感，L_d22、L_q22分别为绕组x、y、z的d-q轴电感,ψ_d1、ψ_q1和ψ_d2、ψ_q2分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的d-q轴定子磁链，ψ_f为永磁体磁链；

步骤4)，当双绕组永磁容错电机垂直提升系统运行在提升工况时，绕组a、b、c和绕组x、y、z的电磁转矩T_e1和T_e2方程为：

Te1=32Pn[ψfiq1+(Ld11-Lq11)id1iq1]]]>

Te2=32Pn[ψfiq2+(Ld22-Lq22)id2iq2]]]>

电机的总电磁转矩T_e为：

T_e＝T_e1+T_e2

系统运行在提升工况时的运动方程为：

Te-TL-Bωr=Jdωrdt]]>

其中，T_L为负载转矩，单位Nm；J为电机转动惯量，单位kg·m²；B为粘滞摩擦系数；

步骤5)，当双绕组永磁容错电机垂直提升系统运行在索降工况时，系统在索降工况时的运动方程为：

Tω-Te-Bωr=Jdωrdt]]>

其中，T_ω为外部索降转矩，T_e为电机的总电磁转矩，单位Nm；J为电机转动惯量，单位kg·m²；B为粘滞摩擦系数；

步骤6)，当母线电压大于给定的母线制动电压阈值时，根据以下制动电路控制模型将索降过程产生的多余的电能转化为热能消耗掉：

12C(Udc-Udc*)2=Udc2RL·D]]>

其中，C为母线两端的电解电容，U_dc为母线电压，U_dc*为给定的母线制动电压阀值，R_L为制动电路上的制动电阻，D为制动电路占空比，D的设置规律表达式为：

D=0,(Udc≤Udc*)Kp(Udc-Udc*),(Udc>Udc*)]]>

其中，K_p为比例调节系数；

步骤7)，采用基于转速、电流、电压双向控制的热备份余度控制策略，在提升工况中，双绕组容错电机通过速度控制器进行速度控制，通过电流控制器进行力矩控制；而在索降工况中由于有泵升电压将在提升工况控制的基础上再通过电压控制器和制动单元同时对电压进行控制，从而实现负载匀速下降。