一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法技术

本发明专利技术公开了一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法，磁悬浮开关磁阻电机包括E型定子主动磁轴承和传统的12/8开关磁阻电机，其中12/8开关磁阻电机产生转矩，主动磁轴承产生悬浮力，磁轴承的绕组包括产生偏置磁通的偏置绕组和产生悬浮力的悬浮绕组，偏置绕组与电枢绕组串联在同一变换器上产生偏置电流；磁轴承悬浮控制，先对位移误差进行PID调节得到悬浮力以及共励磁变换器采样得到的偏置电流一起通过有限元径向磁轴承电流查表得到给定径向悬浮电流，并通过对悬浮误差电流极性判断来控制H桥功率变换器前桥臂开关管一个PWM周期内的导通信号以及通过公式计算后桥臂开关管占空比，实现三电平控制，进而控制径向悬浮力，减少悬浮输出电流纹波。

【技术实现步骤摘要】
一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法
本专利技术涉及电机类的磁悬浮开关磁阻电机控制
，具体的说是一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法。
技术介绍
磁悬浮开关磁阻电机，由磁轴承系统和开关磁阻电机系统集合而成，不仅具有开关磁阻电机的高速适应性和满足苛刻工作环境等特点，还兼具磁轴承无摩擦、无润滑等优点，在航空航天、飞轮储能和军事等场合具有独特优势。磁悬浮开关磁阻电机系统中的磁轴承，根据偏置磁通提供方式，可分为电磁轴承和永磁偏置轴承。永磁偏置轴承的功率密度高，体积小，重量轻，应用较为广泛；然而，因为永磁体价格较高、耐高温、耐腐蚀能力较差，在高温高油等恶劣场合应用受限。电磁轴承，因采用电励磁方式，故应用场合更加灵活。由电磁轴承和开关磁阻电机构成的传统磁悬浮系统，磁悬浮系统和开关磁阻系统间相互独立，机械结构不紧密，集成度低；另外，两个系统还各具有单独的功率变换器，成本高，集成度也比较低。为此，一些学者提出了一种磁轴承偏置绕组与开关磁阻电机绕组串联共励磁式的新型磁悬浮开关磁阻电机。该类电机的典型特点是，电枢绕组与偏置绕组串联后，接入到传统的不对称半桥功率变换器中，二者采用相同励磁的方式，在开关磁阻电机内产生转矩的同时，还将在磁轴承内产生偏置磁通，进而消除偏置绕组的功率变换器，使系统集成度得到显著提高。然而，上述的集成方式，需要偏置绕组的数量和开关磁阻电机相数相同，使得磁轴承的绕组数量也相应增加，磁轴承体积也需要增大，以安放较多的偏置绕组。为此，有学者再提出一种新型磁悬浮开关磁阻电机，磁轴承每个定子齿上仅需要一个偏置绕组，并且所有偏置绕组串联在一起，接入到电枢绕组的功率变换器的直流母线中，在给偏置绕组提供偏置电流的同时也要保证电机的快速励磁启动，故现有的控制方法有点不适用磁悬浮开关磁阻电机系统了，整个系统控制方法不仅要适用于开关磁阻电机也要适用于结合磁轴承开关磁阻电机共励磁功率变换器提供偏置电流使磁轴承悬浮，并且能够跟随给定悬浮电流值，减少输出悬浮电流纹波。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种可实现开关磁阻电机旋转，磁轴承悬浮，输出悬浮电流纹波减小，控制过程中不需要转矩和悬浮力的数学模型，控制简单，可以减少功率变换器的个数，还可以减少悬浮功率变换器开关管的开关次数，降低开关损耗的磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法。为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：本专利技术是一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法，磁悬浮开关磁阻电机包括E型定子主动磁轴承和12/8开关磁阻电机，所述12/8开关磁阻电机每个定子极有一个电枢绕组，每四个相隔90°的电枢绕组线圈串联，分别形成三相绕组，在E型定子主动磁轴承中，有四个E型定子，每个E型定子包括一个宽极和两个窄极，每个较宽的磁极有一个偏置线圈，每个较窄的磁极有一个悬浮绕组；所述磁轴承的绕组包括偏置绕组和悬浮绕组，其中，其中偏置绕组产生悬浮所需的偏置磁通，悬浮绕组产生悬浮力，所述开关磁阻电机的绕组包括A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，共三相，用于产生转矩；偏置绕组与电枢绕组串联在共励磁功率变换器上产生偏置电流，其特征在于：步骤A，采集磁轴承转子位移信号，获取X轴与Y轴方向上的给定悬浮力；步骤B，获取X轴方向以及Y轴方向上的给定径向悬浮电流值和由上一步骤得到了X轴和Y轴方向上的给定悬浮力，以及实时检测磁悬浮开关磁阻电机共励磁功率变换器偏置绕组侧的偏置电流ibias，一起通过有限元径向磁轴承电流查表的方式得到X轴方向上的给定径向悬浮电流值和Y轴方向上的给定径向悬浮电流值步骤C，获取H桥功率变换器前桥臂开关管的控制信号以及后桥臂开关管的占空比，快速跟随给定径向电流减少电流纹波，并控制磁轴承；步骤D，获取开关磁阻电机所述相转矩励磁时的相绕组电流参考值和开通角θon；步骤E，调节所述相转矩励磁时的转矩。本专利技术的进一步改进在于：所述步骤A具体包括：步骤A-1，由X轴和Y轴位置传感器检测转子的位移量x、y，并把采集到的位移量x、y与给定X轴方向位移x*和给定Y轴方向位移y*进行比较得到位移误差值Δy和Δx；步骤A-2，把得到的X轴方向的位移误差值Δx以及Y轴方向的位移误差值Δy进行PID调节得到X轴方向上的给定悬浮力和Y轴方向上的给定悬浮力本专利技术的进一步改进在于：步骤C具体包括：步骤C-1，由X轴方向和Y轴方向电流传感器检测两个方向悬浮绕组的电流ix、iy，并把采集到的电流值ix、iy与有限元查表得到的给定径向悬浮电流值进行比较得到误差值Δix和Δiy；步骤C-2，X轴方向和Y轴方向悬浮力采用两个H桥结构的功率电路来控制，H桥结构为开关管V1、V2/(V5、V6)串联构成左桥臂，其中开关管V1/(V5)为上桥臂，开关管V2/(V6)为下桥臂；开关管V3、V4/(V7、V8)串联构成右桥臂，其中开关管V3/(V7)为上桥臂，开关管V4/(V8)为下桥臂；悬浮绕组串联在左右桥臂之间；X轴方向，在PWM波形上升沿来临时采集径向悬浮误差电流Δix，判断径向悬浮误差电流Δix的极性，并保持一个PWM周期；当误差信号值Δix极性为正，那么在这个时间周期内H桥功率变换器前桥臂上开关管V1保持开通，下开关管V2关断，上下开关管互补导通；当误差信号值Δix极性为负，那么在这个时间周期内H桥功率变换器前桥臂上开关管V1保持关断，下开关管V2开通，上下开关管互补导通；Y轴方向，在PWM波形上升沿来临时采集径向悬浮误差电流Δiy，判断径向悬浮误差电流Δiy的极性，并保持一个PWM周期；当误差信号值Δiy极性为正，那么在这个时间周期内H桥功率变换器前桥臂上开关管V5保持开通，下开关管V6关断，上下开关管互补导通；当误差信号值Δiy极性为负，那么在这个时间周期内H桥功率变换器前桥臂上开关管V5保持关断，下开关管V6开通，上下开关管互补导通；步骤C-3，X轴方向，在PWM时间周期内，实时采集径向悬浮电流误差信号值经过公式计算出H桥功率变换器后桥臂下开关管V4的占空比，当误差信号值Δix极性为正，经过公式计算H桥功率变换器后桥臂下开关管V4的占空比为1，下开关管V4全开通，上开关管V3关断，上下开关管互补导通；当误差信号值Δix极性为负，经过公式计算H桥功率变换器后桥臂下开关管V4的占空比为0，下开关管V4关断，上开关管V3开通；在一个PWM周期内，当前桥臂上开关V1为导通状态，后桥臂实时采集悬浮电流误差信号值计算占空比，当误差信号值Δix极性为正，后桥臂下开关管V4开通，电源电压为悬浮绕组正向充电记为“+”状态，当误差信号值Δix极性为负，后桥臂下开关管V4关断，悬浮绕组进入续流状态记为“0”状态；在一个PWM周期内，当前桥臂上开关V1为关断状态，后桥臂实时采集悬浮电流误差信号值计算占空比，当误差信号值Δix极性为负，后桥臂下开关管V4关断，后桥臂上开关管V3导通，电源电压为悬浮绕组反向充电记为“-”状态，当误差信号值Δix极性为正，后桥臂下开关管V4开通，悬浮绕组进入续流状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法，磁悬浮开关磁阻电机包括E型定子主动磁轴承和12/8开关磁阻电机，所述12/8开关磁阻电机每个定子极有一个电枢绕组，每四个相隔90°的电枢绕组线圈串联，分别形成三相绕组，在E型定子主动磁轴承中，有四个E型定子，每个E型定子包括一个宽极和两个窄极，每个较宽的磁极有一个偏置线圈，每个较窄的磁极有一个悬浮绕组；所述磁轴承的绕组包括偏置绕组和悬浮绕组，其中，其中偏置绕组产生悬浮所需的偏置磁通，悬浮绕组产生悬浮力，所述开关磁阻电机的绕组包括A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，共三相，用于产生转矩，偏置绕组与电枢绕组串联在共励磁功率变换器上产生偏置电流，其特征在于：步骤A，采集磁轴承转子位移信号，获取X轴与Y轴方向上的给定悬浮力；/n步骤B，获取X轴方向以及Y轴方向上的给定径向悬浮电流值

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法，磁悬浮开关磁阻电机包括E型定子主动磁轴承和12/8开关磁阻电机，所述12/8开关磁阻电机每个定子极有一个电枢绕组，每四个相隔90°的电枢绕组线圈串联，分别形成三相绕组，在E型定子主动磁轴承中，有四个E型定子，每个E型定子包括一个宽极和两个窄极，每个较宽的磁极有一个偏置线圈，每个较窄的磁极有一个悬浮绕组；所述磁轴承的绕组包括偏置绕组和悬浮绕组，其中，其中偏置绕组产生悬浮所需的偏置磁通，悬浮绕组产生悬浮力，所述开关磁阻电机的绕组包括A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，共三相，用于产生转矩，偏置绕组与电枢绕组串联在共励磁功率变换器上产生偏置电流，其特征在于：步骤A，采集磁轴承转子位移信号，获取X轴与Y轴方向上的给定悬浮力；
步骤B，获取X轴方向以及Y轴方向上的给定径向悬浮电流值和由上一步骤得到了X轴和Y轴方向上的给定悬浮力，以及实时检测磁悬浮开关磁阻电机共励磁功率变换器偏置绕组侧的偏置电流ibias，一起通过有限元径向磁轴承电流查表的方式得到X轴方向上的给定径向悬浮电流值和Y轴方向上的给定径向悬浮电流值
步骤C，获取H桥功率变换器前桥臂开关管的控制信号以及后桥臂开关管的占空比，快速跟随给定径向电流减少电流纹波，并控制磁轴承；
步骤D，获取开关磁阻电机所述相转矩励磁时的相绕组电流参考值i*和开通角θon；
步骤E，调节所述相转矩励磁时的转矩。


2.根据权利要求1一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法，其特征在于：所述步骤A具体包括：步骤A-1，由X轴和Y轴位置传感器检测转子的位移量x、y，并把采集到的位移量x、y与给定X轴方向位移x*和给定Y轴方向位移y*进行比较得到位移误差值Δy和Δx；
步骤A-2，把得到的X轴方向的位移误差值Δx以及Y轴方向的位移误差值Δy进行PID调节得到X轴方向上的给定悬浮力和Y轴方向上的给定悬浮力


3.根据权利要求2一种磁悬浮开关磁阻电机的共励磁控制方法，其特征在于：步骤C具体包括：步骤C-1，由X轴方向和Y轴方向电流传感器检测两个方向悬浮绕组的电流ix、iy，并把采集到的电流值ix、iy与有限元查表得到的给定径向悬浮电流值进行比较得到误差值Δix和Δiy；
步骤C-2，X轴方向和Y轴方向悬浮力采用两个H桥结构的功率电路来控制，H桥结构为开关管V1、V2/(V5、V6)串联构成左桥臂，其中开关管V1/(V5)为上桥臂，开关管V2/(V6)为下桥臂；开关管V3、V4/(V7、V8)串联构成右桥臂，其中开关管V3/(V7)为上桥臂，开关管V4/(V8)为下桥臂；悬浮绕组串联在左右桥臂之间；
X轴方向，在PWM波形上升沿来临时采集径向悬浮误差电流Δix，判断径向悬浮误差电流Δix的极性，并保持一个PWM周期；当误差信号值Δix极性为正，那么在这个时间周期内H桥功率变换器前桥臂上开关管V1保持开通，下开关管V2关断，上下开关管互补导通；
当误差信号值Δix极性为负，那么在这个时间周期内H桥功率变换器前桥臂上开关管V1保持关断，下开关管V2开通，上下开关管互补导通；
Y轴方向，在PWM波形上升沿来临时采集径向悬浮误差电流Δiy，判断径向悬浮误差电流Δiy的极性，并保持一个PWM周期；当误差信号值Δiy极性为正，那么在这个时间周期内H桥功率变换器前桥臂上开关管V5保持开通，下开关管V6关断，上下开关管互补导通；
当误差信号值Δiy极性为负，那么在这个时间周期内H桥功率变换器前桥臂上开关管V5保持关断，下开关管V6开通，上下开关管互补导通；
步骤C-3，X轴方向，在PWM时间周期内，实时采集径向悬浮电流误差信号值经过公式计算出H桥功率变换器后桥臂下开关管V4的占空比，当误差信号值Δix极性为正，经过公式计算H桥功率变换器后桥臂下开关管V4的占空比为1，下开关管V4全开通，上开关管V3关断，上下开关管互补导通；当误差信号值Δix极性为负，经过公式计算H桥功率变换器后桥臂下开关管V4的占空比为0，下开关管V4关断，上开关管V3开通；
在一个PWM周期内，当前桥臂上开关V1为导通状态，后桥臂实时采集悬浮电流误差信号值计算占空比，当误差信号值Δix极性为正，后桥臂下开关管V4开通，电源电压为悬浮绕组正向充电记为“+”状态，当误差信号值Δix极性为负，后桥臂下开关管V4关断，悬浮绕组进入续流状态记为“0”状态；
在一个PWM周期内，当前桥臂上开关V1为关断状态，后桥臂实时采集悬浮电流误差信号值计算占空比，当误差信号值Δix极性为负，后桥臂下开关管V4关断，后桥臂上开关管V3导通，电源电压为悬浮绕组反向充电记为“-”状态，当误差信号值Δix极性为正，后桥臂下开关管V4开通，悬浮绕组...

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