复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法技术

本发明专利技术提出了复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，包括以下步骤：步骤A，采集转子位置角θ，判别各相励磁状态；步骤B，计算所需悬浮力的给定值；步骤C，三相悬浮力分配计算；步骤D，获取悬浮励磁相两个坐标轴上悬浮力的实际值F

【技术实现步骤摘要】
复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法
本专利技术涉及复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法法，属于电机类的无轴承开关磁阻电机控制

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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，适用于复合转子无轴承开关磁阻电机，可实现转矩和悬浮力的解耦，控制过程中不需要转矩和悬浮力的数学模型，控制简单，且可减少功率开关管的开关次数、降低开关损耗。为达到以上目的，本专利技术提供复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，包括以下步骤：步骤A，采集转子位置角θ，判别各相励磁状态；步骤B，计算所需悬浮力的给定值；步骤C，三相悬浮力分配计算；步骤D，获取悬浮励磁相两个坐标轴上悬浮力的实际值FJα、FJβ；步骤E，获取悬浮励磁相XJ轴方向的占空比DJx和YJ轴方向的占空比DJy；步骤F，获取悬浮励磁相四个绕组功率开关管的占空比；步骤G，调节悬浮力；步骤H，获取所述相转矩励磁时的相绕组给定参考电流im1*和关断角θoff；步骤I，调节所述相转矩励磁时的转矩。作为本专利技术的进一步技术方案，所述步骤A的具体步骤如下：步骤A-1，定义A相定、转子齿轴线重合位置为零度位置处；步骤A-2，当转子位置角θ＝θon时，开通A相绕组功率电路的功率开关，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＝-30°，超前A相零度角位置30°；步骤A-3，当θ＝θon+15°时，开通B相绕组功率电路的功率开关，开始悬浮励磁；当θ＝θon+30°时，悬浮励磁结束，开始转矩励磁；步骤A-4，当θ＝θon+30°时，开通C相绕组功率电路的功率开关，开始悬浮励磁；当θ＝θon+45°时，悬浮励磁结束，开始转矩励磁；步骤A-5，由于所述复合转子无轴承开关磁阻电机的凸极转子齿个数为8，其中一个转子周期角为45°，当θ＝θon+45°时，A相开始进入下一个周期悬浮励磁，从步骤A-2开始，重新判别各相励磁状态。作为本专利技术的进一步技术方案，所述步骤B中的具体内容如下：步骤B-1，获取悬浮力在X轴、Y轴方向上的径向位移量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，将悬浮力的实时位移信号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X轴方向悬浮力的给定值Fα*和Y轴方向的给定悬浮力Fβ*。作为本专利技术的进一步技术方案，所述步骤C的具体内容如下：步骤C-1，定义A、B、C三相各自坐标轴；A相四个定子齿中的两个齿处于水平方向，剩余两个齿处于竖直方向，定义A相处于水平方向的定子齿中心线为XA轴，A相处于竖直方向的定子齿中心线为YA轴；从而，XA轴与X轴重合，YA轴与Y轴重合；B相XB轴、C相XC轴与A相XA轴分别相差30°与-30°，B相YB轴、C相YC轴与A相YA轴分别相差30°与-30°；步骤C-2，将所述X轴Fα*和Y轴Fβ*折算到A、B、C三相各自的坐标轴上，获得每相的两个坐标轴上悬浮力的给定值FJα*和FJβ*，其中下标J表示A、B、C三相中的任意一相；折算后三相悬浮力的给定值分别为：作为本专利技术的进一步技术方案，所述步骤D中具体内容如下：步骤D-1，根据单绕组结构与双绕组结构的等效磁路原则，可将每相单绕组结构的四个绕组等效为双绕组结构的三个绕组，分别为转矩绕组、XJ轴方向悬浮绕组和YJ轴方向悬浮绕组，进而减少一个控制变量；每相四个绕组的电流分别为iJ1、iJ2、iJ3、iJ4，等效后三个电流分别为转矩电流为imJ，XJ轴悬浮电流isJ1和YJ轴悬浮电流isJ2，且上述电流间的关系式为：和其中，N为实际单个绕组的匝数，Nm和Nb分别等效为双绕组后的转矩绕组匝数和悬浮绕组匝数，而且为简化控制，令步骤D-2，实时检测悬浮励磁相四个绕组电流iJ1、iJ2、iJ3、iJ4的实际值，由单绕组结构与双绕组结构电流等效的关系式，获得等效后的转矩电流imJ、XJ轴悬浮电流isJ1和YJ轴悬浮电流isJ2的实际值；步骤D-3，根据所述转矩电流imJ和XJ轴悬浮电流isJ1的实际值，查表获取悬浮励磁相XJ轴方向悬浮力FJα的实际值；根据所述转矩电流imJ和YJ轴悬浮电流isJ2，查表获取悬浮励磁相YJ轴方向悬浮力FJβ的实际值；其中，所述表格由每个方向悬浮力、转矩电流和该方向悬浮电流构成，每个方向悬浮力与转矩电流、悬浮电流的变化关系由有限元仿真获得作为本专利技术的进一步技术方案，所述步骤E的具体内容如下，步骤E-1，将悬浮励磁相XJ轴方向悬浮力的实际值FJα与给定值FJα*相减，再经过比例积分微分控制器调节，得到该相XJ轴占空比DJx，其中，0≤DJx≤1；步骤E-2，将悬浮励磁相YJ轴方向悬浮力的实际值FJβ与给定值FJβ*相减，再经过比例积分微分控制器调节，得到该相YJ轴占空比DJy，其中，0≤DJy≤1。作为本专利技术的进一步技术方案，所述步骤F具体内容如下，步骤F-1，由于一个周期内电流与占空比呈线性关系，再根据单、双绕组结构等效关系式，可获得悬浮励磁相四个绕组功率开关管占空比DJ1、DJ2、DJ3、DJ4与该相XJ轴占空比DJx、YJ轴占空比DJy间的关系式：和其中，DJ0为所述悬浮励磁相等效成双绕组结构时的转矩绕组功率开关管占空比，0≤DJ0≤1，0≤DJ1、DJ2、DJ3、DJ4≤1；将代入上述公式后，得：DJx＝|DJ1-DJ3|和DJy＝|DJ2-DJ4|；步骤F-2，判别所述FJα和FJβ的正负，进一步化简上述占空比关系式：当FJα≥0且FJβ≥0时，DJx＝DJ1-DJ3，DJy＝DJ2-DJ4；当FJα≥0且FJβ＜0时，DJx＝DJ1-DJ3，DJy＝D本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤A，采集转子位置角θ，判别各相励磁状态；/n步骤B，计算所需悬浮力的给定值；/n步骤C，三相悬浮力分配计算；/n步骤D，获取悬浮励磁相两个坐标轴上悬浮力的实际值F

【技术特征摘要】
1.复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，采集转子位置角θ，判别各相励磁状态；
步骤B，计算所需悬浮力的给定值；
步骤C，三相悬浮力分配计算；
步骤D，获取悬浮励磁相两个坐标轴上悬浮力的实际值FJα、FJβ；
步骤E，获取悬浮励磁相XJ轴方向的占空比DJx和YJ轴方向的占空比DJy；
步骤F，获取悬浮励磁相四个绕组功率开关管的占空比；
步骤G，调节悬浮力；
步骤H，获取所述相转矩励磁时的相绕组给定参考电流im1*和关断角θoff；
步骤I，调节所述相转矩励磁时的转矩。


2.根据权利要求1所述的复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，其特征在于：所述步骤A的具体步骤如下：
步骤A-1，定义A相定、转子齿轴线重合位置为零度位置处；
步骤A-2，当转子位置角θ＝θon时，开通A相绕组功率电路的功率开关，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＝-30°，超前A相零度角位置30°；
步骤A-3，当θ＝θon+15°时，开通B相绕组功率电路的功率开关，开始悬浮励磁；当θ＝θon+30°时，悬浮励磁结束，开始转矩励磁；
步骤A-4，当θ＝θon+30°时，开通C相绕组功率电路的功率开关，开始悬浮励磁；当θ＝θon+45°时，悬浮励磁结束，开始转矩励磁；
步骤A-5，由于所述复合转子无轴承开关磁阻电机的凸极转子齿个数为8，其中一个转子周期角为45°，当θ＝θon+45°时，A相开始进入下一个周期悬浮励磁，从步骤A-2开始，重新判别各相励磁状态。


3.根据权利要求2所述的复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，其特征在于：所述步骤B中的具体内容如下：
步骤B-1，获取悬浮力在X轴、Y轴方向上的径向位移量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，将悬浮力的实时位移信号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X轴方向悬浮力的给定值Fα*和Y轴方向的给定悬浮力Fβ*。


4.根据权利要求3所述的复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，其特征在于：所述步骤C的具体内容如下：
步骤C-1，定义A、B、C三相各自坐标轴；A相四个定子齿中的两个齿处于水平方向，剩余两个齿处于竖直方向，定义A相处于水平方向的定子齿中心线为XA轴，A相处于竖直方向的定子齿中心线为YA轴；从而，XA轴与X轴重合，YA轴与Y轴重合；B相XB轴、C相XC轴与A相XA轴分别相差30°与-30°，B相YB轴、C相YC轴与A相YA轴分别相差30°与-30°；
步骤C-2，将所述X轴Fα*和Y轴Fβ*折算到A、B、C三相各自的坐标轴上，获得每相的两个坐标轴上悬浮力的给定值FJα*和FJβ*，其中下标J表示A、B、C三相中的任意一相；折算后三相悬浮力的给定值分别为：


5.根据权利要求4所述的复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机力矩独立控制方法，其特征在于：所述步骤D中具体内容如下：
步骤D-1，根据单绕组结构与双绕组结构的等效磁路原则，可将每相单绕组结构的四个绕组等效为双绕组结构的三个绕组，分别为转矩绕组、XJ轴方向悬浮绕组和YJ轴方向悬浮绕组，进而减少一个控制变量；每相四个绕组的电流分别为iJ1、iJ2、iJ3、iJ4，等效后三个电流分别为转矩电流为imJ，XJ轴悬浮电流isJ1和YJ轴悬浮电流isJ2，且上述电流间的关系式为：和其中，N为实际单个绕组的匝数，Nm和Nb分别等效为双绕组后的转矩绕组匝数和悬浮绕组匝数，而且为简化控制，令
步骤D-2，实时检测悬浮励磁相四个绕组电流iJ1、iJ2、iJ3、iJ4的实际值，由单绕组结构与双绕组结构电流等效的关系式，获得等效后的转矩电流imJ、XJ轴悬浮电流isJ1和YJ轴悬浮电流isJ2的实际值；
步骤D-3，根据所述转矩电流imJ和XJ轴悬浮电流isJ1的实际值，查表获取悬浮励磁相XJ轴方向悬浮力FJα的实际值；根据所述转矩电流imJ和YJ轴悬浮电流isJ2，查表获取悬浮励磁相YJ轴方向悬浮力FJβ的实际值；其中，所述表格由每个方向悬浮力、转矩电流和该方向悬浮电流构成，每个...

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