一种复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法技术

本发明专利技术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。

Control method of composite rotor single winding Bearingless Switched Reluctance Motor

The invention discloses a control method of a composite rotor single winding bearingless switched reluctance motor, which belongs to the control field of a magnetic suspension motor. The stator of the motor salient pole structure, pole number is 12, the rotor salient pole rotor and cylinder rotor, salient pole rotor pole number is 8, each stator is wound with two windings, respectively the main winding and suspension winding; the control method, does not need the torque and suspension force mathematical model only, variation of torque and suspension force on current and rotor position angle value, realize the direct control of the suspension operation and output torque; the control method considering the saturation characteristics of motor core, so this method can be used in any load condition, and achieve the steady control of the levitation force; in addition, also realize the precise control of torque, constant torque output, output torque ripple.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法，属于磁悬浮开关磁阻电机的控制

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，对无轴承同步磁阻电机BSRM高速性能是否能得到充分发挥起着至关重要的作用。具有全转子位置悬浮能力的复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机，显著提升了径向承载能力，同时有效打破了传统BSRM转矩和悬浮力有效输出区域间的制约，从而有利于实现BSRM转矩和悬浮力的解耦及协调控制。然而，与传统结构无轴承开关磁阻电机相比，由于圆柱转子的存在，导致复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的电感幅值较大，在电源电压受限的情况下，电流响应速度下降。尤其高速运行时，完成换相与励磁模式切换均需要经历较长的励磁周期，这期间电流斩波控制和跟踪精度下降，影响悬浮力的控制精度。因此，研究复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机换相与励磁模式切换过程中的悬浮力平稳控制方法，实现悬浮力的全程精准控制，是提升系统可靠性的关键。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有技术的不足，提出一种复合转子无轴承开关磁阻电机的控制方法。所述方法使得复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机换相与励磁模式切换时的悬浮力平稳过渡，是一种新型控制方法。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案：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，所述电动运行时，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＝θon+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-θon，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，kf1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ia1、ia2、ia3和ia4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，kf2为悬浮力系数，其表达式为其中lt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ib1、ib2、ib3和ib4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ia1、ia2、ia3和ia4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相悬本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，所述电动运行时，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：FAα*=f1(θ)Fα*,]]>FAβ*=f1(θ)Fβ*;]]>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：FBα*=[1-f1(θ)]Fα*,]]>FBβ*=[1-f1(θ)]Fβ*;]]> 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：f1(θ)=sin[(θ-θonθ1-θon)π2];]]>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＝θon+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：FAα*=[1-f2(θ)]Fα*,]]>FAβ*=[1-f2(θ)]Fβ*;]]>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：FCα*=f2(θ)Fα*,]]>FCβ*=f2(θ)Fβ*;]]>其中，转子位置角θ3＝θ1+θ2‑θon，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，kf1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...

【技术特征摘要】
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，所述电动运行时，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：FAα*=f1(θ)Fα*,]]>FAβ*=f1(θ)Fβ*;]]>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：FBα*=[1-f1(θ)]Fα*,]]>FBβ*=[1-f1(θ)]Fβ*;]]>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：f1(θ)=sin[(θ-θonθ1-θon)π2];]]>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＝θon+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：FAα*=[1-f2(&the...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘泽远，杨艳，刘程子，曹鑫，邓智泉，蔡骏，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32