[發明專利]一種復合轉子單繞組無軸承開關磁阻電機的控制方法

有效

• 申請號: 201611050505.4
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN106655955B
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 劉澤遠;楊艷;劉程子;曹鑫;鄧智泉;蔡駿
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H02P23/00
• 分類號: H02P23/00;H02P25/08;H02K16/02;H02K1/14;H02K1/22;H02K1/24
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

1.一種復合轉子單繞組無軸承開關磁阻電機的控制方法，所述復合轉子單繞組無軸承開關磁阻電機包括定子、轉子和繞組；所述定子為凸極結構，其定子齒個數為12；所述繞組共12個，每個定子齒上繞有1個繞組；所述轉子由圓柱轉子和凸極轉子構成，圓柱轉子為圓柱型結構，凸極轉子為凸極結構；所述凸極轉子的齒個數為8；所述圓柱轉子和凸極轉子串聯，緊密布置，套在轉軸上，并布置在所述定子內；所述復合轉子單繞組無軸承開關磁阻電機為三相工作制電機，每相繞組由空間上相隔90°的四個繞組構成，三相分別為A相、B相和C相，所述三相在空間上相差30°；其特征在于，每相繞組均有懸浮勵磁和轉矩勵磁兩種工作模式，所述電機運行時，每相繞組首先進行懸浮勵磁，之后進行轉矩勵磁；懸浮勵磁時，將懸浮力控制區分為雙相懸浮模式和單相懸浮模式；所述雙相懸浮模式包括雙相懸浮模式Ⅰ和雙相懸浮模式Ⅱ；每相懸浮勵磁將依次經歷雙相懸浮模式Ⅰ、單相懸浮模式和雙相懸浮模式Ⅱ三個過程，并且通過獨立控制每相四個繞組的電流，以調節懸浮力；轉矩勵磁時，通過控制每相繞組功率開關的關斷角，以調節轉矩；具體包括如下步驟：

步驟A，采集轉子實時位置角θ，判別各相勵磁狀態；

步驟A-1，當轉子位置角θ＝θ_on時，開通A相繞組功率電路的功率開關，A相開始懸浮勵磁；當θ＝θ_on+15°時，A相懸浮勵磁結束，開始轉矩勵磁；其中，θ_on對應于A相最小電感平頂區的起始點，超前A相對齊位置30°；

步驟A-2，當θ＝θ_on+15°時，C相導通，開始懸浮勵磁；當θ＝θ_on+30°時，C相懸浮勵磁結束，開始轉矩勵磁；

步驟A-3，當θ＝θ_on+30°時，B相導通，開始懸浮勵磁；當θ＝θ_on+45°時，B相懸浮勵磁結束，開始轉矩勵磁；

步驟B，獲取X方向給定懸浮力和Y方向給定懸浮力具體步驟如下：

步驟B-1，選定三相工作制電機中的一相，在所述相進入懸浮勵磁之后，獲取該相懸浮勵磁時轉子在X軸和Y軸方向的實時位移信號α和β，其中，X軸與所述相兩定子齒極中心線重合，Y軸與所述相其余兩定子齒極中心線重合，X軸與Y軸在空間上相差90°；

步驟B-2，將實時位移信號α和β分別與給定的參考位移信號α^*和β^*相減，分別得到X方向和Y方向的實時位移信號差Δα和Δβ，將所述實時位移信號差Δα和Δβ經過比例積分微分控制器，得到所述相X方向懸浮力和Y方向懸浮力

步驟C，懸浮模式判別及懸浮力分配，具體步驟如下：

步驟C-1，θ∈[θ_on，θ₁]時，A相開始導通勵磁，B相由懸浮勵磁模式切換到轉矩勵磁模式，A相和B相均產生懸浮力，所述電機運行于雙相懸浮模式Ⅰ；

A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為：

B相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為：

其中，轉子位置角θ₁由電機結構參數和運行速度決定，f₁(θ)為雙相懸浮模式Ⅰ時的懸浮力分配函數，其表達式為：

步驟C-2，θ∈[θ₁，θ₂]時，僅A相產生懸浮力，所述電機運行于單相懸浮模式；A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為和其中，轉子位置角θ₂＝θ_on+15°；

步驟C-3，θ∈[θ₂，θ₃]時，A相由懸浮勵磁模式切換到轉矩勵磁模式，C相開始導通勵磁，A相和C相均產生懸浮力，所述電機運行于雙相懸浮模式Ⅱ；

A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為：

C相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為：

其中，轉子位置角θ₃＝θ₁+θ₂-θ_on，f₂(θ)為雙相懸浮模式Ⅱ時的懸浮力分配函數，表達式為

步驟D，調節θ∈[θ_on，θ₁]區間的懸浮力，此時所述電機運行于雙相懸浮模式Ⅰ，A相和B相均產生懸浮力，具體步驟如下：

步驟D-1，調節A相懸浮力，

步驟D-1-1，根據所述懸浮力和以及電流計算公式和得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

其中，k_f1為懸浮力系數，其表達式為

N為繞組匝數，μ₀為真空磁導率，l_c為圓柱轉子的軸向長度；

r為圓柱轉子的半徑，α_s為定子的極弧角，δ為氣隙長度，I_N為所述電機的額定相電流；

步驟D-1-2，根據A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟D-1-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實時調節A相懸浮力；

步驟D-2，調節B相懸浮力，

步驟D-2-1，根據所述懸浮力和以及電流計算公式和得到B相X方向電流差的參考值和B相Y方向電流差的參考值其中，k_f2為懸浮力系數，其表達式為其中l_t為凸極轉子的軸向長度；

步驟D-2-2，根據B相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和得到B相四個繞組電流的參考值和

步驟D-2-3，利用電流斬波控制方法，讓B相四個繞組的實際電流i_b1、i_b2、i_b3和i_b4分別跟蹤其參考值和從而實時調節B相懸浮力；

步驟E，調節θ∈[θ₁，θ₂]區間的懸浮力，此時所述電機運行于單相懸浮模式，僅由A相產生懸浮力，具體步驟如下：

步驟E-1，根據所述懸浮力和以及電流計算公式和得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

步驟E-2，根據A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和解算得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟E-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實時調節懸浮力；

步驟F，調節θ∈[θ₂，θ₃]區間的懸浮力，此時所述電機運行于雙相懸浮模式Ⅱ，A相和C相均產生懸浮力，具體步驟如下：

步驟F-1，調節A相懸浮力，

步驟F-1-1，根據所述懸浮力和以及電流計算公式和得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

步驟F-1-2，根據A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和解算得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟F-1-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實時調節A相懸浮力；

步驟F-2，調節C相懸浮力，

步驟F-2-1，根據所述懸浮力和以及電流計算公式和得到C相X方向電流差的參考值和C相Y方向電流差的參考值

步驟F-2-2，根據C相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和解算得到C相四個繞組電流的參考值和

步驟F-2-3，利用電流斬波控制方法，讓C相四個繞組的實際電流i_c1、i_c2、i_c和i_c4分別跟蹤其參考值和從而實時調節C相懸浮力；

步驟G，調節轉矩，θ∈[θ₃，θ_off]時，A相處于轉矩勵磁工作模式，通過調節關斷角θ_off，控制輸出轉矩；具體步驟如下：

步驟G-1，采集轉子實時轉速，計算得到轉子角速度ω；

步驟G-2，轉子角速度ω與設定的參考角速度ω^*相減，得到轉速差Δω；

步驟G-3，所述轉速差Δω，通過比例積分控制器，獲得關斷角θ_off，利用角度位置控制方法，通過動態調節關斷角θ_off的取值，從而實時調節轉矩。