[发明专利]一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及控制方法

权利要求书

1.一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机的控制方法，所述电机包括1个开关磁阻电机和1个磁轴承，所述开关磁阻电机与磁轴承串联布置；

所述开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈；

所述磁轴承，包括磁轴承定子、磁轴承转子、偏置线圈和悬浮线圈；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子分别套在转轴上；

所述磁阻电机定子为凸极结构，齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；

所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为12，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°，所述磁轴承转子为圆柱结构；

每个磁阻电机定子齿上绕有1个磁阻电机线圈，相隔90°的4个磁阻电机线圈串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A转矩绕组、B相转矩绕组和C相转矩绕组，其中，B相转矩绕组、C相转矩绕组与A相转矩绕组在空间上分别相差30°和-30°；

位于水平方向和竖直方向的4个相差90°的磁轴承定子齿上分别绕有1个偏置线圈和1个悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个悬浮线圈；

位于水平方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个水平方向悬浮绕组，位于竖直方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个竖直方向悬浮绕组；

所述4个相差90°的偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；所述1个偏置绕组与A相转矩绕组串联，构成A相复合励磁绕组；

所述一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，A相复合励磁绕组采用恒导通励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，在开关磁阻电机内产生转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；通过控制两个悬浮绕组中的电流大小和方向，以调节悬浮力；每一个磁阻电机转子周期，控制A相转矩绕组在正转矩半周期内的电流值为负转矩半周期内电流值的两倍，并通过转矩绕组电流与平均转矩和开关角的关系，使三相转矩绕组输出的平均转矩相等；转矩控制与悬浮力控制相互独立，且转矩与悬浮力实现解耦控制；包括如下步骤：

步骤A，采集磁阻电机转子实时位置角θ，判别各相励磁状态；

步骤A-1，定义θ＝0的磁阻电机转子位置，与A相复合励磁绕组所在的磁阻电机定子齿与磁阻电机转子齿对齐的位置，相差22.5°；A相复合励磁绕组恒导通励磁，一个转子周期角为45°，且每个悬浮力控制区间为[0，45°]，令θ＝0时A相复合励磁绕组开始励磁导通；

步骤A-2，当θ＝θ_onb时，开通B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相开始励磁导通，当θ＝θ_offb时，关断B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相结束励磁；其中，θ_onb和θ_offb分别为B相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，二者均与转速相关，θ_onb的取值范围为[7.5°，15°]，B相转矩绕组的导通角为(θ_offb-θ_onb)，其取值范围为[15°，20°]；

步骤A-3，当θ＝θ_onc时，开通C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相开始励磁导通，当θ＝θ_offc时，关断C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相结束励磁；其中，θ_onc和θ_offc分别为C相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，θ_onc＝θ_onb+15°，θ_offc＝θ_offb+15°；

步骤A-4，计算B、C相转矩绕组的有效输出转矩角度θ_c，计算公式为：θ_c＝θ_offb+θ_onb-15°或θ_c＝θ_offc+θ_onc-45°；

步骤B，获取x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力具体步骤如下：

步骤B-1，获取转子在x轴和y轴方向的实时位移信号α和β，其中，x轴与所述水平方向磁轴承定子齿中心线重合，y轴与所述竖直方向磁轴承定子齿中心线重合，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x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤C，调节转矩，具体步骤如下：

步骤C-1，采集磁阻电机转子实时转速，计算得到磁阻电机转子角速度ω；

步骤C-2，磁阻电机转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤C-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得转矩绕组电流参考值i_m^*；

步骤C-4，计算偏置绕组电流参考值根据所述转矩绕组电流参考值i_m^*和步骤A-4中的有效输出转矩角度θ_c，以及计算公式解算出偏置绕组电流参考值其中，τ_r为一个磁阻电机转子极距角，τ_r＝45°；

步骤C-5，利用电流斩波控制方法，让A相复合励磁绕组的实际电流i_a跟踪其偏置绕组电流参考值让B相转矩绕组的实际电流i_b跟踪i_m^*，让C相转矩绕组的实际电流i_c跟踪i_m^*进而实时调节三相转矩绕组电流，进而达到调节转矩的目的；

步骤D，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤D-1，调节θ∈[0，22.5°]区间内的悬浮力，此时A相复合励磁绕组输出正转矩，与B、C相转矩绕组输出的转矩方向相同；

根据所述悬浮力和偏置绕组电流参考值以及电流计算公式和可解算得到x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值

其中，k_f为悬浮力系数，式中，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承的轴向长度，r为磁轴承转子的半径，α_s为径向磁轴承定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度；

步骤D-2，调节θ∈[22.5°，45°]区间内的悬浮力，此时A相复合励磁绕组输出负转矩，与B、C相转矩绕组输出的转矩方向相反；

根据所述悬浮力和偏置绕组电流参考值以及电流计算公式和可解算得到x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值

步骤D-3，利用电流斩波控制方法，让两个悬浮绕组的实际电流i_x和i_y分别跟踪其参考值和从而实时调节每个悬浮区间内的悬浮力，进而实现每个转子周期的悬浮运行。