[发明专利]一种复合转子双绕组无轴承开关磁阻电机的转矩控制方法

摘要

本发明提出了一种复合转子双绕组无轴承开关磁阻电机的转矩控制方法。所述电机的转矩控制方法以输出转矩作为转矩控制环节的控制对象，采用三相轮流导通控制方式，且每相导通角为15°；根据转矩关于电流和转子位置角的关系，获得输出转矩，与给定转矩比较，得到主绕组电流的参考值；根据悬浮力关于电流和转子位置角的关系，得到悬浮电流的参考值，然后让各绕组电流的实际值跟踪其参考值，实现对悬浮力和输出转矩的直接控制。所述方法不需要转矩和悬浮力的数学模型，考虑了电机的饱和特性；实现恒转矩输出，且转矩脉动小。

主权项

1.一种复合转子双绕组无轴承开关磁阻电机的转矩控制方法，所述复合转子双绕组无轴承开关磁阻电机包括定子、凸极转子、圆柱转子、主绕组线圈、悬浮绕组线圈和转轴；所述定子为凸极结构，其定子齿个数为12；所述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；每个定子齿均绕有1个主绕组线圈和1个悬浮绕组线圈，各为12个；所述复合转子双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°的四个定子上的主绕组线圈和悬浮绕组线圈组成，经连接构成1个主绕组、1个X轴方向悬浮绕组和1个Y轴方向悬浮绕组；每相绕组的连接方式为，空间上相隔90°的四个主绕组线圈串联一起组成1个主绕组；空间上相隔180°的两个悬浮绕组线圈反向串联一起组成1个X轴方向悬浮绕组；空间上相隔180°的另两个悬浮绕组线圈反向串联一起组成1个Y轴方向悬浮绕组；所述每相X轴方向悬浮绕组与Y轴方向悬浮绕组在空间相隔90°；所述转矩控制方法，其特征在于，每相主绕组和两个方向悬浮绕组同时励磁，且励磁宽度角为15°；根据主绕组和两个方向悬浮绕组电流的参考值，控制各绕组的电流，实现同时调节转矩和悬浮力；包括如下步骤：步骤A，获取开通角θon；采集转子实时位置信息，获取转子的实时位置角θ；选定三相工作制电机中的一相，当该相转子位置角θ＝θon时，开通所述相各绕组功率电路的功率开关管，所述相开始导通；θon由电机运行速度和负载工况确定；步骤B，获取所述相X轴方向的给定悬浮力和Y轴方向的给定悬浮力其具体步骤如下：步骤B‑1，获取转子X轴方向和Y轴方向的实时位移信号α和β，其中，X轴方向与所述相X轴方向悬浮绕组齿极中心线重合，Y轴方向与所述相Y轴方向悬浮绕组齿极中心线重合，X轴方向与Y轴方向在空间上相差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轴方向和Y轴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X轴方向悬浮力的给定值和Y轴方向悬浮力的给定值步骤C，获取所述相的实时转矩Ta；具体步骤如下：步骤C‑1，实时检测得到所述相主绕组的实际电流ima，X轴方向悬浮绕组的实际电流isa1和Y轴方向悬浮绕组的实际电流isa2；步骤C‑2，根据所述相主绕组的实际电流ima和实时的转子位置角θ，得到实际主绕组转矩Tma；通过所述电机的电磁场有限元计算，得到所述相主绕组的实际电流i_ma产生的磁场储能W_a(i_ma,θ)，进而根据公式计算得到不同i_ma和θ时的主绕组转矩T_ma；其中，W_a(i_ma,θ)是关于i_ma和θ的非线性函数，与所述电机的结构尺寸有关；步骤C‑3，根据所述电流isa1和isa2，以及实时的转子位置角θ，获得由isa1和isa2分别产生的实际悬浮绕组转矩Tsa1和Tsa2；通过所述电机的电磁场有限元计算，分别得到所述电流i_sa1产生的磁场储能W_a(i_sa1,θ)和所述电流i_sa2产生的磁场储能W_a(i_sa2,θ)，进而根据公式和分别计算出不同i_sa1、i_sa2和θ时的转矩T_sa1和T_sa2；其中，W_a(i_sa1,θ)是关于i_sa1和θ的非线性函数，W_a(i_sa2,θ)是关于i_sa2和θ的非线性函数，与所述电机的结构尺寸有关；步骤C‑4，根据所述转矩Tma、Tsa1和Tsa2，由总转矩计算公式Ta＝Tma+Tsa1+Tsa2，计算得到所述相的实时转矩Ta；步骤D，获取所述相主绕组电流的参考值具体步骤如下：步骤D‑1，所述转矩T_a与设定的参考转矩相减，得到转矩差ΔT_a；步骤D‑2，所述转矩差ΔT_a，通过比例积分控制器，获得等效单绕组的平均电流参考值步骤D‑3，根据所述平均电流的参考值经计算得到所述相主绕组电流的参考值计算公式为其中N为等效单绕组的匝数，且N＝N_m+N_b，N_m为主绕组匝数，N_b为悬浮绕组匝数；步骤E，获取所述相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根据所述悬浮力和相主绕组电流的参考值以及实时的转子位置角θ，获得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通过所述电机的电磁场有限元计算，分别得到所述电流和产生的磁场储能和所述电流和产生的磁场储能进而根据公式和分别计算出不同和θ时的悬浮力和其中，是关于θ和α的非线性函数，是关于θ和β的非线性函数，与所述电机的结构尺寸有关；步骤F，利用电流斩波控制方法，让主绕组的实际电流i_ma跟踪其参考值让X轴方向悬浮绕组的实际电流i_sa1跟踪其参考值让Y轴方向悬浮绕组的实际电流i_sa2跟踪其参考值步骤G，结束所述相励磁，另一相开始导通励磁；当所述相经过15°的导通区间后，即转子旋转到关断角θoff位置时，关断所述相各绕组功率电路的功率开关管，同时开通另一相各绕组功率电路的功率开关管，所述相停止导通，另一相开始导通；其中，θoff＝θon+15°。