一种复合转子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无轴承开关磁阻电机的控制方法。所述电机的定子为凸极结构，其定子齿数为12，且每个定子上仅有一套绕组，转子由凸极转子和圆柱转子构成，圆柱转子用于产生悬浮力，凸极转子齿数为8，用于产生转矩；在悬浮励磁区间，每相四个绕组独立控制，并把这四个绕组等效为一个主绕组和两个悬浮绕组，采用绕组铜损耗最小的主绕组电流和悬浮绕组电流的计算方法；在转矩励磁区间，每相四个绕组共同控制，通过控制相绕组电流的斩波限和关断角，实时控制转速和转矩。本发明方法转矩和悬浮力控制相互解耦，协调控制，高速悬浮性能好；控制变量减少，控制简单且实施便利，悬浮区间内的铜损耗小。

主权项

一种复合转子无轴承开关磁阻电机的控制方法，所述复合转子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，所述凸极转子为凸极结构，凸极转子齿个数为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；其特征在于，所述每相绕组的励磁包括悬浮励磁和转矩励磁；悬浮励磁时，将每个定子齿上的单个绕组等效为两个绕组，分别为主绕组和悬浮绕组，通过独立控制主绕组和悬浮绕组电流，以调节悬浮力；转矩励磁时，控制每相绕组的四个绕组的导通状态，进行对称励磁，并使每相四个绕组的电流相等，以调节转矩；具体步骤如下：步骤A，采集转子位置角，获取每相绕组功率电路的开通角θ_on；选定所述三相工作制电机中的一相，采集该相转子位置角，以确定该相绕组的悬浮励磁起始角；当转子位置角等于开通角θ_on时，开通该相绕组功率电路，所述相进入悬浮励磁状态，采用不同控制信号，独立控制该相四个绕组的电流，以进行不对称励磁，产生所需悬浮力；其中，θ_on超前该相对齐位置30°，所述对齐位置为该相定子齿与凸极转子齿重合位置；步骤B，获取所述相悬浮励磁时的X轴和Y轴方向的给定悬浮力；其具体步骤如下：步骤B‑1，在所述相进入悬浮励磁之后，获取该相转子X轴和Y轴方向的实时位移α和β，其中，X轴与所述相四个定子中的两个定子齿中心重合，Y轴与该相其余两定子齿中心重合，且X轴与Y轴在空间上相差90°；步骤B‑2，将实时位移α和β分别与给定的参考位移α^*和β^*相减，分别得到X方向和Y方向的实时位移差Δα和Δβ，分别将所述实时位移差Δα和Δβ经过比例积分微分控制器，得到X方向悬浮力和Y方向悬浮力步骤C，获取所述相给定总悬浮力和给定主绕组电流具体步骤如下：步骤C‑1，根据所述悬浮力和根据公式计算得到给定总悬浮力步骤C‑2，根据所述总悬浮力和相绕组总铜损耗P_cu公式：$P_{cu}=l_{cu}{\rho }_{cu}(N_m{\left(i_{m1}^{*}\right)}^2+\frac{{\left(F_{sum}^{*}\right)}^2}{k_f^2{N}_b{N}_m^2{\left(i_{m1}^{*}\right)}^2}),$得到给定主绕组电流其中，l_cu为单匝绕组的长度，ρ_cu为每米铜导线的电阻值，N_m为等效双绕组结构后的主绕组匝数，N_b为等效双绕组结构后的悬浮绕组匝数；k_f为悬浮力系数，其表达式为其中，μ₀为真空磁导率，l为圆柱转子的轴向长度，r为圆柱转子的半径，α_s为定子的极弧角，δ为气隙长度；步骤D，调节所述相悬浮力，具体步骤如下：步骤D‑1，根据所述悬浮力和给定主绕组电流以及电流计算公式和分别得到所述相X方向悬浮绕组电流参考值和所述相Y方向悬浮绕组电流参考值步骤D‑2，实时检测所述相处于悬浮励磁时的四个绕组电流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4，分别得到所述相主绕组的实际电流i_ma、X方向悬浮绕组的实际电流i_sa1和Y方向悬浮绕组的实际电流i_sa2；分别为：$i_{ma}=\frac{N}{4N_m}(i_{a1}+i_{a2}+i_{a3}+i_{a4})$$i_{sa1}=\frac{N}{2N_b}(i_{a1}-i_{a3})$$i_{sa2}=\frac{N}{2N_b}(i_{a2}-i_{a4})$其中，i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分别为所述相的四个绕组电流，由电流传感器实时检测得到，N为每个定子齿上绕组的实际匝数；步骤D‑3，利用电流斩波控制方法，使主绕组的实际电流i_ma跟踪给定主绕组电流使X方向悬浮绕组的实际电流i_sa1跟踪让Y方向悬浮绕组的实际电流i_sa2跟踪步骤D‑4，经电流斩波控制后，根据主绕组电流i_ma、X方向悬浮绕组的实际电流i_sa1和Y方向悬浮绕组的实际电流i_sa2，采用绕组电流逆计算公式，分别得到该相四个绕组电流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4，从而实时调节悬浮力；其中，绕组电流逆计算公式分别为：$i_{a1}=\frac{1}{N}(N_m{i}_{ma}+N_b{i}_{sa1})$$i_{a2}=\frac{1}{N}(N_m{i}_{ma}+N_b{i}_{sa2})$$i_{a3}=\frac{1}{N}(N_m{i}_{ma}-N_b{i}_{sa1})$$i_{a4}=\frac{1}{N}(N_m{i}_{ma}-N_b{i}_{sa2});$步骤E，获取所述相转矩励磁起始角；实时采集转子位置，当转子从开通角θ_on继续转过15°时，所述相结束悬浮励磁，该相进入转矩励磁；在转矩励磁区间，不再把单绕组结构等效为双绕组结构，每相四个绕组采用相同控制信号，共同控制该相四个绕组的电流，并使之相等，以产生转矩；步骤F，获取所述相转矩励磁时的相绕组电流参考值和关断角θ_off；具体步骤如下：步骤F‑1，根据转子转速，计算得到转子角速度ω；步骤F‑2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；步骤F‑3，当ω≤ω₀时，ω₀为临界角速度设定值，其由电机实际工况确定；所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得该相绕组电流参考值关断角θ_off固定不变，其中θ_off取值由电机结构形式决定；步骤F‑4，当ω>ω₀时，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得关断角θ_off，此时不控制该相绕组电流；步骤G，调节所述相转矩励磁时的转矩；具体如下：步骤G‑1，当ω≤ω₀时，利用电流斩波控制方法，使所述相转矩励磁时的相绕组实际电流i_m2跟踪该相绕组电流参考值进而实时调节该相绕组电流i_m2，实现调节转矩；步骤G‑2，当ω>ω₀时，利用角度位置控制方法，调节关断角θ_off的取值，从而实现调节转矩。