CN101546947A - 无轴承开关磁阻电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种无轴承开关磁阻电机及其控制方法，属无轴承开关磁阻电机及其控制方法。在本方法中，每相α轴上的悬浮绕组串联组成一套α轴悬浮绕组，每相β轴上的悬浮绕组串联组成一套β轴悬浮绕组。通过调节主绕组电流及其超前角实现转速闭环，通过检测转子径向位移经PID调节器输出转子悬浮所需的径向力，实现转子径向位移闭环控制。在采用本连接方式后，电机运行时的悬浮绕组反电势减小，有利于无轴承开关磁阻电机的高速悬浮运行。另一方面，由于悬浮绕组反电势减小，其功率变换器所需的功率等级可相应减小。本发明不仅从减少功率变换器角度降低系统成本，同时也提高了系统集成化程度，有利于无轴承开关磁阻电机向实用化发展。
Description
技术领域
发明涉及一种无轴承开关磁阻电机及其控制方法，属无轴承开关磁阻电机控制方法的技术领域。
背景技术
传统的无轴承开关磁阻电机可分为双绕组结构和单绕组结构。双绕组结构的无轴承开关磁阻电机通过在普通开关磁阻电机的定子上叠加一套附加绕组，通过该绕组产生的磁场与原有绕组磁场叠加，使得气隙磁密不均匀分布，从而产生转子悬浮所需的径向力。单绕组结构的无轴承开关磁阻电机则沿用普通开关磁阻电机定子上的一套绕组，不同的是各个定子齿极上的绕组均独立控制，通过定子绕组的不对称励磁产生转子悬浮所需的径向磁拉力。
但是，不管是单绕组结构还是双绕组结构的无轴承开关磁阻电机，均需要较多的功率变换器来实现定子绕组的不对称励磁，增加了系统成本，不利于无轴承开关磁阻电机的推广与应用，使得其在现代调速研究及工业应用领域的竞争力不够突出。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种无轴承开关磁阻电机及其控制方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明无轴承开关磁阻电机，包括定子、转子和三相定子绕组，其特征在于所述定子绕组包括主绕组和悬浮绕组，其中每相定子绕组对应的定子齿极上的主绕组串联，而三相定子绕组对应的定子齿极上的α轴悬浮绕组串联、β轴悬浮绕组串联，其中β轴为直角坐标系中的纵轴，α轴为直角坐标系中的横轴。
所述的无轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
a.)采用转子转角位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到转子转角θ；
b.)将步骤a所述的转子转角θ经过速度检测模块得到无轴承开关磁阻电机的实际转速ω；
c.)将给定的无轴承开关磁阻电机给定转速ω*与步骤b所述的实际转速ω之差经过PI调节器得到无轴承开关磁阻电机的超前角θm *和主绕组电流给定值im *；
d.)采用β轴方向的径向位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到β轴方向实际位移，采用α轴方向的径向位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到α轴方向实际位移；
e.)将给定的无轴承开关磁阻电机β轴方向参考位移与步骤d所述的β轴方向实际位移之差经过第一PID调节器得到无轴承开关磁阻电机β轴方向给定悬浮力Fβ *，将给定的无轴承开关磁阻电机α轴方向参考位移与步骤d所述的α轴方向实际位移之差经过第二PID调节器得到无轴承开关磁阻电机α轴方向给定悬浮力Fα *；
f.)将步骤e所述的无轴承开关磁阻电机β轴方向给定悬浮力Fβ *、α轴方向给定悬浮力Fα *和步骤a所述的转子转角θ经过悬浮力分配和电流计算得到无轴承开关磁阻电机α轴悬浮绕组电流给定值is1 *和β轴悬浮绕组电流给定值is2 *；
g.)将步骤c所述的无轴承开关磁阻电机的超前角θm *和主绕组电流给定值im *和步骤a所述的转子转角θ经过主绕组功率变换器得到无轴承开关磁阻电机主绕组的控制信号；将步骤f所述的无轴承开关磁阻电机α轴悬浮绕组电流给定值is1 *和β轴悬浮绕组电流给定值is2 *经过悬浮绕组功率变换器得到无轴承开关磁阻电机悬浮绕组的控制信号。
本发明减少功率变换器角度降低系统成本，提高系统集成化程度。
附图说明
图1：本发明无轴承开关磁阻电机绕组连接示意图；
图2：本发明无轴承开关磁阻电机电流示意图；
图3：本发明控制结构图。
图中标号意义：1-主绕组、2-悬浮绕组、3-Aα轴、4-Aβ轴、5-Bα轴、6-Bβ轴、7-Cα轴、8-Cβ轴、9-Aβ+、10-Cβ-、11-Bα-、12-Aα+、13-Cα+、14-Bβ-、15-Aβ-、16-Cβ+、17-Bα+、18-Aα-、19-Cα-、20-Bβ+、21-定子、22-转子、23-α+、24-α-、25-β+、26-β-、27-A相主绕组自感Lma、28-B相主绕组自感Lmb、29-C相主绕组自感Lmc、30-A相主绕组电流ima、31-B相主绕组电流imb、32-C相主绕组电流imc、33-α方向悬浮绕组电流is1、34-β方向悬浮绕组电流is2、35-A相产生的瞬时转矩Ta、36-导通宽度15°(机械角度，下同)、37-超前角θm、38-正转矩区、39-负转矩区。超前角θm是主绕组方波电流中点与定、转子齿极对中位置之间的角度。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
以12/8结构无轴承开关磁阻电机为例，如图1所示，无轴承开关磁阻电机，包括定子、转子和三相定子绕组，其特征在于所述定子绕组包括主绕组和悬浮绕组，其中每相定子绕组对应的定子齿极上的主绕组串联，每相定子绕组对应的定子齿极上的α轴悬浮绕组串联、β轴悬浮绕组串联，其中β轴为直角坐标系中的纵轴，α轴为直角坐标系中的横轴。
如图2所示，所述的无轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
a.)采用转子转角位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到转子转角θ；
b.)将步骤a所述的转子转角θ经过速度检测模块得到无轴承开关磁阻电机的实际转速ω；
c.)将给定的无轴承开关磁阻电机给定转速ω*与步骤b所述的实际转速ω之差经过PI调节器得到无轴承开关磁阻电机的超前角θm *和主绕组电流给定值im *；
d.)采用β轴方向的径向位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到β轴方向实际位移，采用α轴方向的径向位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到α轴方向实际位移；
e.)将给定的无轴承开关磁阻电机β轴方向参考位移与步骤d所述的β轴方向实际位移之差经过第一PID调节器得到无轴承开关磁阻电机β轴方向给定悬浮力Fβ *，将给定的无轴承开关磁阻电机α轴方向参考位移与步骤d所述的α轴方向实际位移之差经过第二PID调节器得到无轴承开关磁阻电机α轴方向给定悬浮力Fα *；
f.)将步骤e所述的无轴承开关磁阻电机β轴方向给定悬浮力Fβ *、α轴方向给定悬浮力Fα *和步骤a所述的转子转角θ经过悬浮力分配和电流计算得到无轴承开关磁阻电机α轴悬浮绕组电流给定值is1 *和β轴悬浮绕组电流给定值is2 *；
g.)将步骤c所述的无轴承开关磁阻电机的超前角θm *和主绕组电流给定值im *和步骤a所述的转子转角θ经过主绕组功率变换器得到无轴承开关磁阻电机主绕组的控制信号；将步骤f所述的无轴承开关磁阻电机α轴悬浮绕组电流给定值is1 *和β轴悬浮绕组电流给定值is2 *经过悬浮绕组功率变换器得到无轴承开关磁阻电机悬浮绕组的控制信号。
结合图1和图2具体叙述本发明如下：
1.主绕组采用三相不对称半桥结构的功率变换器，悬浮绕组采用H桥变换器。
2.绕组连接方式。如图1所示，每相四个定子齿极上的主绕组串联，而三相α轴上的悬浮绕组串联组成一套α轴悬浮绕组，三相β轴上的悬浮绕组串联组成一套β轴悬浮绕组。
3.为了方便控制悬浮力，各相绕组轮流提供使转子悬浮的径向力，所以在12/8结构的无轴承开关磁阻电机中，各相的悬浮区间宽度占相电感周期的1/3，即15°。
4.在转子无偏心的情况下，悬浮绕组在采用本连接方式后，其自感在整个周期内近似为恒值，其与主绕组的互感近似为零。因此，电机运行时的悬浮绕组反电势很小，悬浮绕组电流动态响应快，有利于悬浮控制，有利于无轴承开关磁阻电机的高速悬浮运行。另一方面，由于悬浮绕组反电势减小，其功率变换器的供电电压降低，从而悬浮绕组功率变换器所需的功率等级减小。
5.如图2所示，主绕组电流采用方波控制，悬浮绕组电流通过悬浮力计算公式(1)-(7)得到，进而由功率变换器跟踪实现计算值。
6.通过调节主绕组电流和其超前角实现转速闭环，检测转子径向位移经PID调节器输出转子悬浮所需的径向力，进而求出所需悬浮电流，实现转子径向位移闭环控制。
公式表
注：三相分配计算公式为式(1)-(6)；上述公式中符号意义：FA_α——分配到A相α轴上的悬浮力、FA_β——分配到A相β轴上的悬浮力、FB_α——分配到B相α轴上的悬浮力、FB_β——分配到B相β轴上的悬浮力、FC_α——分配到C相α轴上的悬浮力、FC_β——分配到C相β轴上的悬浮力、is——悬浮电流、Fs——悬浮力、Kf(θ)——悬浮力系数，与电机尺寸和转子位置角有关、im——主绕组电流。
Claims (2)
1、一种无轴承开关磁阻电机，包括定子、转子和三相定子绕组，其特征在于所述定子绕组包括主绕组和悬浮绕组，其中每相定子绕组对应的定子齿极上的主绕组串联，三相定子绕组对应的定子齿极上的α轴悬浮绕组串联、β轴悬浮绕组串联，其中β轴为直角坐标系中的纵轴，α轴为直角坐标系中的横轴。
2、一种基于权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
a.)采用转子转角位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到转子转角θ；
b.)将步骤a所述的转子转角θ经过速度检测模块得到无轴承开关磁阻电机的实际转速ω；
c.)将给定的无轴承开关磁阻电机给定转速ω*与步骤b所述的实际转速ω之差经过PI调节器得到无轴承开关磁阻电机的超前角θm *和主绕组电流给定值im *；
d.)采用β轴方向的径向位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到β轴方向实际位移，采用α轴方向的径向位移传感器检测所述无轴承开关磁阻电机得到α轴方向实际位移；
e.)将给定的无轴承开关磁阻电机β轴方向参考位移与步骤d所述的β轴方向实际位移之差经过第一PID调节器得到无轴承开关磁阻电机β轴方向给定悬浮力Fβ *，将给定的无轴承开关磁阻电机α轴方向参考位移与步骤d所述的α轴方向实际位移之差经过第二PID调节器得到无轴承开关磁阻电机α轴方向给定悬浮力Fα *；
f.)将步骤e所述的无轴承开关磁阻电机β轴方向给定悬浮力Fβ *、α轴方向给定悬浮力Fα *和步骤a所述的转子转角θ经过悬浮力分配和电流计算得到无轴承开关磁阻电机α轴悬浮绕组电流给定值is1 *和β轴悬浮绕组电流给定值is2 *；
g.)将步骤c所述的无轴承开关磁阻电机的超前角θm *和主绕组电流给定值im *和步骤a所述的转子转角θ经过主绕组功率变换器得到无轴承开关磁阻电机主绕组的控制电流；将步骤f所述的无轴承开关磁阻电机α轴悬浮绕组电流给定值is1 *和β轴悬浮绕组电流给定值is2 *经过悬浮绕组功率变换器得到无轴承开关磁阻电机悬浮绕组的控制电流。
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