[发明专利]一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法

摘要

本发明公布了一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，属于磁悬浮电机的控制领域。该电机绕组包括2个悬浮绕组、1个偏置绕组和三相转矩绕组，且偏置绕组与A相转矩绕组串联后，并采用恒导通励磁，有角度位置控制、续流和斩波控制等三种励磁方式；A相不仅产生转矩，还为磁轴承提供偏置磁通，在角度位置控制和续流励磁方式中，将A相实时电流作为偏置电流，在斩波控制方式中，则基于磁利用率最高的目的，优化计算出偏置绕组电流的参考值，控制两个悬浮绕组电流的大小和方向，以实现悬浮运行；B和C相则采用角度位置控制方式，与A相共同调节转矩；本发明可实现转矩和悬浮力的解耦控制，尤其适合于开关磁阻电机的高速悬浮运行。

主权项

1.一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，所述双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机包括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、磁阻电机转子和电枢绕组所述磁轴承，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套在转轴上；所述磁阻电机定子为凸极结构，磁阻电机定子齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；所述磁轴承转子为凸极结构，磁轴承转子齿数为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，磁轴承定子齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，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个电枢绕组，相隔90°的4个电枢绕组串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A相转矩绕组串、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相转矩绕组串在空间上分别相差30°和‑30°；所述磁轴承定子齿上均绕有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x轴方向悬浮绕组，位于竖直方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个y轴方向悬浮绕组，所述x轴方向悬浮绕组与y轴方向悬浮绕组在空间上相差90°；所有偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；所述1个偏置绕组与A相转矩绕组串串联，构成A相转矩绕组；其特征在于，A相转矩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；A相转矩绕组依次经历三种励磁方式，分别为角度位置控制方式、续流励磁方式和电流斩波控制方式，A相转矩绕组三种励磁方式的导通区间分别定义为第Ⅰ导通区间，续流区间和第Ⅱ导通区间；在第Ⅰ导通区间和续流区间，直接采集A相转矩绕组的实时电流作为偏置绕组电流的参考值，在第Ⅱ导通区间，计算偏置绕组电流的参考值，使得磁轴承磁利用率最高；然后通过控制悬浮绕组中的电流大小和方向，以调节悬浮力；控制过程中，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；所述控制方法，包括如下步骤：步骤A，获取开通角θon和关断角θoff，具体步骤如下：步骤A‑1，采集磁阻电机转子实时转速，得到磁阻电机转子角速度ω；步骤A‑2，将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A‑3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θon和关断角θoff；步骤B，采集磁阻电机转子实时位置角θ，并判别各相励磁状态，具体步骤如下：步骤B‑1，当θ＝θona时，开通A相转矩绕组功率电路的功率开关，A相转矩绕组开始励磁导通，A相进入第Ⅰ导通区间，当θ＝θoffa时，关断A相转矩绕组功率开关，A相转矩绕组起始进入续流导通区间，其中θona＝θon，θoffa＝θoff，第Ⅰ导通区间为[θona，θoffa]；步骤B‑2，当θ＝θonb时，开通B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相转矩绕组开始励磁导通，当θ＝θoffb时，关断B相转矩绕组功率开关，B相转矩绕组结束励磁，其中θonb＝θona+15°，θoffb＝θoffa+15°；步骤B‑3，当θ＝θonc时，开通C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相转矩绕组开始励磁导通，当θ＝θoffc时，关断C相转矩绕组功率开关，C相转矩绕组结束励磁，其中θonc＝θona+30°，θoffc＝θoffa+30°；步骤C，获取A相转矩绕组第Ⅱ导通区间的起始角θs，判别A相转矩绕组续流导通期间和第Ⅱ导通区间对应的转子位置角，具体步骤如下：步骤C‑1，根据计算解算出第Ⅱ导通区间内偏置绕组电流的参考值I_m，其中，k_f为悬浮力系数，F_load为磁轴承最大径向负载，由磁轴承结构和电磁参数决定；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，N_b为偏置绕组匝数；步骤C‑2，采集续流区间内A相转矩绕组的实时电流i，当i＝Im时，立即开通A相转矩绕组功率电路的功率开关，A相转矩绕组进入第Ⅱ导通区间，此时对应的转子位置角即为第Ⅱ导通区间的起始角θs；当转子位置角θ＝θona+45°时，第Ⅱ导通区间结束，A相转矩绕组进入下一个第Ⅰ导通区间；续流区间对应的转子位置角为[θoffa，θs]，第Ⅱ导通区对应的转子位置角为[θs，θona+45°]；步骤D，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D‑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D‑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E，调节悬浮力，具体步骤如下：步骤E‑1，调节第Ⅰ导通区间和续流区间内的悬浮力，此时θ∈[θona，θs]；根据所述悬浮力和采集获得偏置绕组的实时电流参考值i_bias，以及电流计算公式和可解算得到第Ⅰ导通区间和续流区间内的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N_s为悬浮绕组匝数；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该区间内的悬浮力；步骤E‑2，调节第Ⅱ导通区间的悬浮力，此时θ∈[θs，θona+45°]；根据所述悬浮力和步骤C‑1中获得的偏置绕组电流参考值I_m，以及电流计算公式和可解算得到第Ⅱ导通区间内的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利用电流斩波控制方法，让A相转矩绕组的实际电流i_a跟踪偏置绕组电流参考值I_m，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该区间内的悬浮力，进而实现每个转子周期的悬浮运行；步骤F，调节转矩，通过调节开通角θon和关断角θoff的取值，从而实时调节转矩；A相转矩绕组在第Ⅱ导通区间内仅让其实际电流跟踪参考值Im，在该区间内产生的负转矩，仍由开通角θon和关断角θoff的动态调节，进行补偿。