[发明专利]一种复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法

摘要

本发明公布了一种复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法，属于磁悬浮电机的控制领域。所述电机的定子为凸极结构，极数为12，转子由凸极转子和圆柱转子构成，凸极转子极数为8，每个定子上绕有两个绕组，分别为主绕组和悬浮绕组；所述控制方法，不需要转矩和悬浮力的数学模型，仅需转矩和悬浮力关于电流和转子位置角的特征变化值，实现悬浮运行和对输出转矩的直接控制；所述控制方法考虑了电机铁心的饱和特性，故该方法可在任何负载工况下，实现对和悬浮力的平稳控制；另外，还实现了转矩的精确控制，转矩输出恒定，输出转矩脉动小。

主权项

1.一种复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法，所述复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机包括定子、转子和绕组；所述定子为凸极结构，其定子齿个数为12；所述绕组共12个，每个定子齿上绕有1个绕组；所述转子由圆柱转子和凸极转子构成，圆柱转子为圆柱型结构，凸极转子为凸极结构；所述凸极转子的齿个数为8；所述圆柱转子和凸极转子串联，紧密布置，套在转轴上，并布置在所述定子内；所述复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机为三相工作制电机，每相绕组由空间上相隔90°的四个绕组构成，三相分别为A相、B相和C相，所述三相在空间上相差30°；其特征在于，每相绕组均有悬浮励磁和转矩励磁两种工作模式，所述电机运行时，每相绕组首先进行悬浮励磁，之后进行转矩励磁；悬浮励磁时，将悬浮力控制区分为双相悬浮模式和单相悬浮模式；所述双相悬浮模式包括双相悬浮模式Ⅰ和双相悬浮模式Ⅱ；每相悬浮励磁将依次经历双相悬浮模式Ⅰ、单相悬浮模式和双相悬浮模式Ⅱ三个过程，并且通过独立控制每相四个绕组的电流，以调节悬浮力；转矩励磁时，通过控制每相绕组功率开关的关断角，以调节转矩；具体包括如下步骤：步骤A，采集转子实时位置角θ，判别各相励磁状态；步骤A‑1，当转子位置角θ＝θon时，开通A相绕组功率电路的功率开关，A相开始悬浮励磁；当θ＝θon+15°时，A相悬浮励磁结束，开始转矩励磁；其中，θon对应于A相最小电感平顶区的起始点，超前A相对齐位置30°；步骤A‑2，当θ＝θon+15°时，C相导通，开始悬浮励磁；当θ＝θon+30°时，C相悬浮励磁结束，开始转矩励磁；步骤A‑3，当θ＝θon+30°时，B相导通，开始悬浮励磁；当θ＝θon+45°时，B相悬浮励磁结束，开始转矩励磁；步骤B，获取X方向给定悬浮力和Y方向给定悬浮力具体步骤如下：步骤B‑1，选定三相工作制电机中的一相，在所述相进入悬浮励磁之后，获取该相悬浮励磁时转子在X轴和Y轴方向的实时位移信号α和β，其中，X轴与所述相两定子齿极中心线重合，Y轴与所述相其余两定子齿极中心线重合，X轴与Y轴在空间上相差90°；步骤B‑2，将实时位移信号α和β分别与给定的参考位移信号α^*和β^*相减，分别得到X方向和Y方向的实时位移信号差Δα和Δβ，将所述实时位移信号差Δα和Δβ经过比例积分微分控制器，得到所述相X方向悬浮力和Y方向悬浮力步骤C，悬浮模式判别及悬浮力分配，具体步骤如下：步骤C‑1，θ∈[θon，θ1]时，A相开始导通励磁，B相由悬浮励磁模式切换到转矩励磁模式，A相和B相均产生悬浮力，所述电机运行于双相悬浮模式Ⅰ；A相X方向悬浮力的参考值和Y方向悬浮力的参考值分别为：B相X方向悬浮力的参考值和Y方向悬浮力的参考值分别为：其中，转子位置角θ1由电机结构参数和运行速度决定，f1(θ)为双相悬浮模式Ⅰ时的悬浮力分配函数，其表达式为：步骤C‑2，θ∈[θ₁，θ₂]时，仅A相产生悬浮力，所述电机运行于单相悬浮模式；A相X方向悬浮力的参考值和Y方向悬浮力的参考值分别为和其中，转子位置角θ₂＝θ_on+15°；步骤C‑3，θ∈[θ2，θ3]时，A相由悬浮励磁模式切换到转矩励磁模式，C相开始导通励磁，A相和C相均产生悬浮力，所述电机运行于双相悬浮模式Ⅱ；A相X方向悬浮力的参考值和Y方向悬浮力的参考值分别为：C相X方向悬浮力的参考值和Y方向悬浮力的参考值分别为：其中，转子位置角θ₃＝θ₁+θ₂‑θ_on，f₂(θ)为双相悬浮模式Ⅱ时的悬浮力分配函数，表达式为步骤D，调节θ∈[θon，θ1]区间的悬浮力，此时所述电机运行于双相悬浮模式Ⅰ，A相和B相均产生悬浮力，具体步骤如下：步骤D‑1，调节A相悬浮力，步骤D‑1‑1，根据所述悬浮力和以及电流计算公式和得到A相X方向电流差的参考值和A相Y方向电流差的参考值其中，k_f1为悬浮力系数，其表达式为N为绕组匝数，μ0为真空磁导率，lc为圆柱转子的轴向长度；r为圆柱转子的半径，αs为定子的极弧角，δ为气隙长度，IN为所述电机的额定相电流；步骤D‑1‑2，根据A相X方向电流差的参考值和Y方向电流差的参考值由电流计算公式和得到A相四个绕组电流的参考值和步骤D‑1‑3，利用电流斩波控制方法，让A相四个绕组的实际电流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分别跟踪其参考值和从而实时调节A相悬浮力；步骤D‑2，调节B相悬浮力，步骤D‑2‑1，根据所述悬浮力和以及电流计算公式和得到B相X方向电流差的参考值和B相Y方向电流差的参考值其中，k_f2为悬浮力系数，其表达式为其中l_t为凸极转子的轴向长度；步骤D‑2‑2，根据B相X方向电流差的参考值和Y方向电流差的参考值由电流计算公式和得到B相四个绕组电流的参考值和步骤D‑2‑3，利用电流斩波控制方法，让B相四个绕组的实际电流i_b1、i_b2、i_b3和i_b4分别跟踪其参考值和从而实时调节B相悬浮力；步骤E，调节θ∈[θ1，θ2]区间的悬浮力，此时所述电机运行于单相悬浮模式，仅由A相产生悬浮力，具体步骤如下：步骤E‑1，根据所述悬浮力和以及电流计算公式和得到A相X方向电流差的参考值和A相Y方向电流差的参考值步骤E‑2，根据A相X方向电流差的参考值和Y方向电流差的参考值由电流计算公式和解算得到A相四个绕组电流的参考值和步骤E‑3，利用电流斩波控制方法，让A相四个绕组的实际电流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分别跟踪其参考值和从而实时调节悬浮力；步骤F，调节θ∈[θ2，θ3]区间的悬浮力，此时所述电机运行于双相悬浮模式Ⅱ，A相和C相均产生悬浮力，具体步骤如下：步骤F‑1，调节A相悬浮力，步骤F‑1‑1，根据所述悬浮力和以及电流计算公式和得到A相X方向电流差的参考值和A相Y方向电流差的参考值步骤F‑1‑2，根据A相X方向电流差的参考值和Y方向电流差的参考值由电流计算公式和解算得到A相四个绕组电流的参考值和步骤F‑1‑3，利用电流斩波控制方法，让A相四个绕组的实际电流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分别跟踪其参考值和从而实时调节A相悬浮力；步骤F‑2，调节C相悬浮力，步骤F‑2‑1，根据所述悬浮力和以及电流计算公式和得到C相X方向电流差的参考值和C相Y方向电流差的参考值步骤F‑2‑2，根据C相X方向电流差的参考值和Y方向电流差的参考值由电流计算公式和解算得到C相四个绕组电流的参考值和步骤F‑2‑3，利用电流斩波控制方法，让C相四个绕组的实际电流i_c1、i_c2、i_c和i_c4分别跟踪其参考值和从而实时调节C相悬浮力；步骤G，调节转矩，θ∈[θ3，θoff]时，A相处于转矩励磁工作模式，通过调节关断角θoff，控制输出转矩；具体步骤如下：步骤G‑1，采集转子实时转速，计算得到转子角速度ω；步骤G‑2，转子角速度ω与设定的参考角速度ω*相减，得到转速差Δω；步骤G‑3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得关断角θoff，利用角度位置控制方法，通过动态调节关断角θoff的取值，从而实时调节转矩。