[發明專利]一種磁懸浮開關磁阻電機的共勵磁控制方法

有效

• 申請號: 202011383210.5
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112532147B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 劉澤遠;梁智;陳梅
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H02P25/092
• 分類號: H02P25/092
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 王素琴

1.一種磁懸浮開關磁阻電機的共勵磁控制方法，磁懸浮開關磁阻電機包括E型定子主動磁軸承和12/8開關磁阻電機，所述12/8開關磁阻電機每個定子極有一個電樞繞組，每四個相隔90°的電樞繞組線圈串聯，分別形成三相繞組，在E型定子主動磁軸承中，有四個E型定子，每個E型定子包括一個寬極和兩個窄極，每個較寬的磁極有一個偏置繞組，每個較窄的磁極有一個懸浮繞組；所述磁軸承的繞組包括偏置繞組和懸浮繞組，其中偏置繞組產生懸浮所需的偏置磁通，懸浮繞組產生懸浮力，所述開關磁阻電機的繞組包括A相電樞繞組、B相電樞繞組和C相電樞繞組，共三相，用于產生轉矩，偏置繞組與電樞繞組串聯在共勵磁功率變換器上產生偏置電流，其特征在于：步驟A，采集磁軸承轉子位移信號，獲取X軸與Y軸方向上的給定懸浮力；

步驟B，獲取X軸方向以及Y軸方向上的給定徑向懸浮電流值和由上一步驟得到了X軸和Y軸方向上的給定懸浮力，以及實時檢測磁懸浮開關磁阻電機共勵磁功率變換器偏置繞組側的偏置電流i_bias，一起通過有限元徑向磁軸承電流查表的方式得到X軸方向上的給定徑向懸浮電流值和Y軸方向上的給定徑向懸浮電流值

步驟C，獲取H橋功率變換器前橋臂開關管的控制信號以及后橋臂開關管的占空比，快速跟隨給定徑向懸浮電流值減少電流紋波，并控制磁軸承；

步驟D，獲取開關磁阻電機相轉矩勵磁時的相繞組電流參考值i^*和開通角θ_on；

步驟E，根據電流參考值i^*和開通角θ_on調節所述相轉矩勵磁時的轉矩；

所述步驟A具體包括：步驟A-1，由X軸和Y軸位置傳感器檢測轉子的位移量x、y，并把采集到的位移量x、y與給定X軸方向位移x^*和給定Y軸方向位移y^*進行比較得到位移誤差值Δy和Δx；

步驟A-2，把得到的X軸方向的位移誤差值Δx以及Y軸方向的位移誤差值Δy進行PID調節得到X軸方向上的給定懸浮力和Y軸方向上的給定懸浮力

步驟C具體包括：步驟C-1，由X軸方向和Y軸方向電流傳感器檢測兩個方向懸浮繞組的電流值i_x、i_y，并把采集到的電流值i_x、i_y與有限元查表得到的給定徑向懸浮電流值進行比較得到誤差值Δi_x和Δi_y；

步驟C-2，X軸方向和Y軸方向懸浮力采用兩個H橋結構的功率電路來控制，其中X軸方向的H橋結構為開關管V1、V2串聯構成前橋臂，其中開關管V1為上開關管，開關管V2為下開關管，開關管V3、V4串聯構成后橋臂，其中開關管V3為上開關管，開關管V4為下開關管；Y軸方向的H橋結構為V5、V6串聯構成前橋臂，其中開關管V5為上開關管，開關管V6為下開關管；開關管V7、V8串聯構成后橋臂，其中開關管V7為上開關管，開關管V8為下開關管；懸浮繞組串聯在前后橋臂之間；

X軸方向，在PWM波形上升沿來臨時采集徑向懸浮誤差電流值Δi_x，判斷徑向懸浮誤差電流值Δi_x的極性，并保持一個PWM周期；當誤差信號值Δi_x極性為正，那么在這個時間周期內H橋功率變換器前橋臂上開關管V1保持開通，下開關管V2關斷，上下開關管互補導通；

當誤差信號值Δi_x極性為負，那么在這個時間周期內H橋功率變換器前橋臂上開關管V1保持關斷，下開關管V2開通，上下開關管互補導通；

Y軸方向，在PWM波形上升沿來臨時采集徑向懸浮誤差電流Δi_y，判斷徑向懸浮誤差電流Δi_y的極性，并保持一個PWM周期；當誤差信號值Δi_y極性為正，那么在這個時間周期內H橋功率變換器前橋臂上開關管V5保持開通，下開關管V6關斷，上下開關管互補導通；

當誤差信號值Δi_y極性為負，那么在這個時間周期內H橋功率變換器前橋臂上開關管V5保持關斷，下開關管V6開通，上下開關管互補導通；

步驟C-3，X軸方向，在PWM時間周期內，實時采集的徑向懸浮電流誤差信號值經過公式計算出H橋功率變換器后橋臂下開關管V4的占空比，當誤差信號值Δi_x極性為正，經過公式計算H橋功率變換器后橋臂下開關管V4的占空比為1，下開關管V4全開通，上開關管V3關斷，上下開關管互補導通；當誤差信號值Δi_x極性為負，經過公式計算H橋功率變換器后橋臂下開關管V4的占空比為0，下開關管V4關斷，上開關管V3開通；

在一個PWM周期內，當前橋臂上開關管V1為導通狀態，后橋臂實時采集懸浮電流誤差信號值計算占空比，當誤差信號值Δi_x極性為正，后橋臂下開關管V4開通，電源電壓為懸浮繞組正向充電記為“+”狀態，當誤差信號值Δi_x極性為負，后橋臂下開關管V4關斷，懸浮繞組進入續流狀態記為“0”狀態；

在一個PWM周期內，當前橋臂上開關管V1為關斷狀態，后橋臂實時采集懸浮電流誤差信號值計算占空比，當誤差信號值Δi_x極性為負，后橋臂下開關管V4關斷，后橋臂上開關管V3導通，電源電壓為懸浮繞組反向充電記為“-”狀態，當誤差信號值Δi_x極性為正，后橋臂下開關管V4開通，懸浮繞組進入續流狀態即為“0”狀態；此種三電平控制方式能有效減小輸出電流紋波，并快速跟隨給定電流值；通過控制H橋功率變換器各開關管的導通信號使它跟隨X軸方向給定懸浮電流，進而控制X軸方向懸浮力；

Y軸方向，在PWM時間周期內，實時采集徑向懸浮電流誤差信號值經過公式計算出H橋功率變換器后橋臂下開關管V8的占空比，當誤差信號值Δi_y極性為正，經過公式計算H橋功率變換器后橋臂下開關管V8的占空比為1，下開關管V8全開通，上開關管V7關斷，上下開關管互補導通；當誤差信號值Δi_y極性為負，經過公式計算H橋功率變換器后橋臂下開關管V8的占空比為0，下開關管V8關斷，上開關管V7開通；

在一個PWM周期內，當前橋臂上開關V5為導通狀態，后橋臂實時采集懸浮電流誤差信號值計算占空比，當誤差信號值Δi_y極性為正，后橋臂下開關管V8開通，電源電壓為懸浮繞組正向充電記為“+”狀態，當誤差信號值Δi_y極性為負，后橋臂下開關管V8關斷，懸浮繞組進入續流狀態記為“0”狀態；

在一個PWM周期內，當前橋臂上開關V5為關斷狀態，后橋臂實時采集懸浮電流誤差信號值計算占空比，當誤差信號值Δi_y極性為負，后橋臂下開關管V8關斷，后橋臂上開關管V7導通，電源電壓為懸浮繞組反向充電記為“-”狀態，當誤差信號值Δi_y極性為正，后橋臂下開關管V8開通，懸浮繞組進入續流狀態即為“0”狀態；此種三電平控制方式能有效減小輸出電流紋波，并快速跟隨給定電流值；通過控制H橋功率變換器各開關管的導通信號使它跟隨Y軸方向給定懸浮電流，進而控制Y軸方向懸浮力；

步驟D具體包括：步驟D-1，根據轉子轉速，計算得到轉子角速度ω；

步驟D-2，將轉子角速度ω與設定的參考角速度ω^*相比較，得到轉速差Δω；

步驟D-3，當Δω≤ω₀時，ω₀為臨界角速度設定值，其由電機實際工況確定；所述轉速差Δω，通過PI控制器，獲得相繞組電流參考值i^*；關斷角θ_off固定不變，其中θ_off取值由電機結構形式決定；

步驟D-4，當Δω＞ω₀時，所述轉速差Δω，通過PI控制器，獲得開通角θ_on，此時不控制相繞組電流。