无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法技术

本发明专利技术公开了电机领域的一种无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，旨在解决现有的悬浮力控制机理制约，需要对每个绕组的电流独立控制，导致功率变换器数量需求大，控制成本高，电流斩波控制使得功率开关管的开关次数频繁、开关损耗高，增加了控制成本的技术问题。所述无轴承开关磁阻电机包括定子和转子；所述定子为带有多个定子齿的凸极结构，且每个定子齿上均设有一套绕组；所述转子由用于产生悬浮力的圆柱转子和用于产生转矩和悬浮力的凸极转子构成；所述绕组包括A、B、C三相绕组，所述A相绕组由空间上相差90

【技术实现步骤摘要】
无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法
本专利技术涉及一种无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，属于电机

技术介绍
无轴承开关磁阻电机是20世纪90年代发展起来的一种新型磁悬浮电机。无轴承开关磁阻电机因集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时无轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。随着研究的不断深入，人们逐渐认识到，能否解决转矩和悬浮力之间有效输出区域间的制约，悬浮与旋转两功能是否能解耦控制、以及高速时悬浮控制精度好坏，对无轴承开关磁阻电机高速性能是否得到充分发挥起着至关重要的作用。在电感平顶区不对称悬浮励磁，在电感上升区转矩励磁，有效打破了传统无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力有效输出区间的制约，从而有利于实现无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力的解耦控制。然而，由于悬浮力控制机理制约，需要对每个绕组的电流独立控制，导致功率变换器数量需求大，控制成本高，电流斩波控制使得功率开关管的开关次数频繁、开关损耗高，进一步增加了控制成本。为此，我们提出一种无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，解决现有的悬浮力控制机理制约，需要对每个绕组的电流独立控制，导致功率变换器数量需求大，控制成本高，电流斩波控制使得功率开关管的开关次数频繁、开关损耗高，增加了控制成本的技术问题。为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：本专利技术提供了一种无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，所述无轴承开关磁阻电机包括定子和转子；所述定子为带有多个定子齿的凸极结构，且每个定子齿上均设有一套绕组；所述转子由用于产生悬浮力的圆柱转子和用于产生转矩和悬浮力的凸极转子构成；所述绕组包括A、B、C三相绕组，所述A相绕组由空间上相差90°且独立控制的四个绕组构成；所述B、C相绕组由空间上相差90°的四个绕组串联而成，所述A、B、C三相绕组空间上各自相差30°，所述A相绕组全周期导通，不对称励磁并产生转矩和悬浮力，所述B、C相绕组各自导通且仅产生转矩；所述无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，具体步骤如下：步骤A，根据转子的位置角θ，以获取A、B、C三相绕组各自的励磁区间；步骤B，计算转子的实时位移信号差，并将信号差经过比例积分微分控制器，以获取A相绕组所需悬浮力的给定值；步骤C，计算转子的转速差，并通过比例积分微分控制器，以获取电流斩波限ip*；步骤D，根据A相绕组所处励磁区间，计算获取A相绕组给定转矩励磁电流ima*；步骤E，根据A相绕组给定转矩励磁电流ima*，获取B相绕组给定转矩励磁电流imb*；步骤F，获取C相绕组给定转矩励磁电流imc*；步骤G，利用电流斩波控制方法，实时采集A、B、C各相的实际转矩电流ima、imb、imc，并使其分别跟踪各相的给定转矩励磁电流ima*、imb*、imc*，进而实现转矩调节；步骤H，利用电流斩波控制方法，实时采集A相各绕组的实际电流ia1～ia4，并使其跟踪给定电流ia1*～ia4*，进而实现悬浮力调节。作为本专利技术进一步的技术方案，所述定子的定子齿数为12，所述凸极转子的齿数为8。作为本专利技术进一步的技术方案，所述步骤A包括：步骤A-1，将所述A相绕组的所述定子和转子的齿轴线重合位置定义为零度位置处；所述转子的周期角为所述A相绕组的四个绕组全周期导通，其导通区间为当时，所述A相绕组的四个绕组开始励磁导通；步骤A-2，当θ＝θonb时，所述B相绕组功率电路的功率开关管开通，所述B相绕组开始转矩励磁，当θ＝θoffb时，所述B相绕组功率电路的功率开关管关断，所述B相绕组结束励磁；其中，θonb、θoffb分别为所述B相绕组功率电路的开通角和关断角，θonb的取值范围为θoffb的取值范围为所述B相绕组的导通角为(θoffb-θonb)，其取值范围为步骤A-3，当θ＝θonc时，所述C相绕组功率电路的功率开关管开通，所述C相绕组开始转矩励磁，当θ＝θoffc时，所述C相绕组功率电路的功率开关管关断，所述C相绕组结束励磁；其中，θonc、θoffc分别为C相绕组功率电路的开通角和关断角，作为本专利技术进一步的技术方案，所述步骤B包括：步骤B-1，获取所述转子在X轴、Y轴方向上的偏心位移的实际值α、β，其中，X轴位于水平方向，Y轴位于竖直方向，X轴与Y轴相差90°；步骤B-2，将偏心位移的实际值α和β分别与偏心位移的给定参考值α*和β*相减，分别得到X轴方向和Y轴方向的实时位移信号差Δα和Δβ，将实时位移信号差Δα和Δβ分别经过各自比例积分微分控制器，得到A相绕组X轴方向悬浮力的给定值Fx*和Y轴方向悬浮力的给定值Fy*。作为本专利技术进一步的技术方案，所述步骤C包括：步骤C-1，将实际转子的角速度ω与设定的参考角速度ω*相减，得到转速差Δω；步骤C-2，将所述转速差Δω通过比例积分微分控制器，获得电流斩波限值ip*。作为本专利技术进一步的技术方案，所述步骤D包括：步骤D-1，根据实时检测的位置角θ，判断A相绕组所处励磁区间；步骤D-2，当即A相绕组处于电感上升区时，此时A相绕组产生正转矩；根据复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的悬浮力计算公式以及转矩计算公式解算得令可得到当即A相绕组处于电感上升区时的给定转矩电流其中，N为线圈匝数，Kf1(θ)为凸极转子悬浮力系数，Kf2为圆柱转子悬浮力系数，Jt(θ)为转矩系数，在电感上升区可以表示为：在电感下降区可以表示为式中μ0为真空磁导率，r为凸极转子半径，θ为位置角，l0为气隙平均长度，h为凸极转子轴向长度，hM为圆柱转子的轴向长度，c为常数1.49；isa1为A相绕组在X轴方向的悬浮电流，isa2为A相绕组在Y轴方向的悬浮电流；Kf所述电机的总悬浮力系数，且Kf＝4N2(Kf1(θ)+Kf2)；步骤D-3，当即A相绕组处于电感下降区时，此时A相绕组产生负转矩；在A相绕组电感下降区，根据复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的转矩计算公式，并对其求偏导解算出A相绕组在电感下降区产生最小负转矩的给定转矩电流；转矩表达式：对其求偏导：求得A相绕组在电感下降区产生最小负转矩的给定转矩电流步骤D-4，当和即A相绕组处于电感平顶区时的转矩电流可根据平均转矩公式解算得到；A相绕组在导通区间的平均转矩为解算得到当时，A相绕组在导通区间的平均转矩为解算得到当时，作为本专利技术进一步的技术方案，所述步骤E包括：步骤E-1，计算给定合成转矩T*；利用B相绕组对A相绕组在电感下降区产生的负转矩进行转矩补偿；因此当即A相绕组处于电感下降区时，电机的给定合成转矩步骤E-2，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，其特征是：所述无轴承开关磁阻电机包括定子和转子；/n所述定子为带有多个定子齿的凸极结构，且每个定子齿上均设有一套绕组；/n所述转子由用于产生悬浮力的圆柱转子和用于产生转矩和悬浮力的凸极转子构成；/n所述绕组包括A、B、C三相绕组，A相绕组由空间上相差90°且独立控制的四个绕组构成；B、C相绕组由空间上相差90°的四个绕组串联而成，所述A、B、C三相绕组空间上各自相差30°，所述A相绕组全周期导通，不对称励磁并产生转矩和悬浮力，所述B、C相绕组各自导通且仅产生转矩；/n所述无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，具体步骤如下：/n步骤A，根据转子的位置角θ，以获取A、B、C三相绕组各自的励磁区间；/n步骤B，计算转子的实时位移信号差，并将信号差经过比例积分微分控制器，以获取A相绕组所需悬浮力的给定值；/n步骤C，计算转子的转速差，并通过比例积分微分控制器，以获取电流斩波限i

【技术特征摘要】
1.一种无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，其特征是：所述无轴承开关磁阻电机包括定子和转子；
所述定子为带有多个定子齿的凸极结构，且每个定子齿上均设有一套绕组；
所述转子由用于产生悬浮力的圆柱转子和用于产生转矩和悬浮力的凸极转子构成；
所述绕组包括A、B、C三相绕组，A相绕组由空间上相差90°且独立控制的四个绕组构成；B、C相绕组由空间上相差90°的四个绕组串联而成，所述A、B、C三相绕组空间上各自相差30°，所述A相绕组全周期导通，不对称励磁并产生转矩和悬浮力，所述B、C相绕组各自导通且仅产生转矩；
所述无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，具体步骤如下：
步骤A，根据转子的位置角θ，以获取A、B、C三相绕组各自的励磁区间；
步骤B，计算转子的实时位移信号差，并将信号差经过比例积分微分控制器，以获取A相绕组所需悬浮力的给定值；
步骤C，计算转子的转速差，并通过比例积分微分控制器，以获取电流斩波限ip*；
步骤D，根据A相绕组所处励磁区间，计算获取A相绕组给定转矩励磁电流ima*；
步骤E，根据A相绕组给定转矩励磁电流ima*，获取B相绕组给定转矩励磁电流imb*；
步骤F，获取C相绕组给定转矩励磁电流imc*；
步骤G，利用电流斩波控制方法，实时采集A、B、C各相的实际转矩电流ima、imb、imc，并使其分别跟踪各相的给定转矩励磁电流ima*、imb*、imc*，进而实现转矩调节；
步骤H，利用电流斩波控制方法，实时采集A相各绕组的实际电流ia1～ia4，并使其跟踪给定电流ia1*～ia4*，进而实现悬浮力调节。


2.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，其特征是，所述定子的定子齿数为12，所述凸极转子的齿数为8。


3.根据权利要求2所述的无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，其特征是，所述步骤A包括：
步骤A-1，将所述A相绕组的定子和转子的齿轴线重合位置定义为零度位置处；所述转子的周期角为所述A相绕组的四个绕组全周期导通，其导通区间为当时，所述A相绕组的四个绕组开始励磁导通；
步骤A-2，当θ＝θonb时，所述B相绕组功率电路的功率开关管开通，所述B相绕组开始转矩励磁，当θ＝θoffb时，所述B相绕组功率电路的功率开关管关断，所述B相绕组结束励磁；其中，θonb、θoffb分别为所述B相绕组功率电路的开通角和关断角，θonb的取值范围为θoffb的取值范围为所述B相绕组的导通角为(θoffb-θonb)，其取值范围为
步骤A-3，当θ＝θonc时，所述C相绕组功率电路的功率开关管开通，所述C相绕组开始转矩励磁，当θ＝θoffc时，所述C相绕组功率电路的功率开关管关断，所述C相绕组结束励磁；其中，θonc、θoffc分别为C相绕组功率电路的开通角和关断角，


4.根据权利要求2所述的无轴承开关磁阻电机的全周期悬浮及转矩补偿控制方法，其特征是，所述步骤B包括：
步骤B-1，获取所述转子在X轴、Y轴方向上的偏心位移的实际值α、β，其中，X轴位于水平方向，Y轴位于竖直方向，X轴与Y轴相差90°；
步骤B-2，将偏心位移的实际值α和β分别与偏心位移的给定参考值α*和β*相减，分别得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘泽远，陈梅，梁智，蒋伟，王振，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32