CN101697472B - 无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法，属于开关磁阻发电机控制的技术领域。本发明1.首先给出加宽过的励磁导通区间，根据两种不同的要求在导通区间中选取一个特定的区间提供悬浮力。2.然后针对不同的区间给出不同的励磁电流。本发明基于仿真和实验，简单易行。

Description

无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法

技术领域

发明涉及一种无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制策略的方法，属于开关磁阻发电机控制的技术领域。

背景技术

无轴承开关磁阻全周期发电机将应用于高速驱动领域的无轴承技术和开关磁阻电机的发电技术相结合。悬浮绕组既提供悬浮力，又提供励磁，主绕组能在整个周期内均向外输出电能，有望提高发电机的输出功率。

目前采用的控制策略是轮流导通控制。在12/8结构实验样机中，每相各导通15度。

①无轴承开关磁阻全周期发电机的研究刚刚起步，尚处于探索阶段，国际国内只有本实验室在进行相关的研究。

②传统轮流导通控制策略励磁宽度受到限制，不能充分励磁，影响输出功率。

③轮流导通控制策略存在相与相交接处悬浮力不足的问题，对发电机稳定运行有影响。

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全周期发电机加宽导通控制方法。

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全周期发电机加宽导通控制方法，其特征在于包括如下步骤：

a)采用α轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向实时位移信号α，采用β轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的纵向实时位移信号β，将所述横向实时位移信号α和给定的无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向参考位移信号α^*经过α方向位置环得到横向位移差Δα，将所述纵向实时位移信号β和给定的无轴承电机转子的纵向参考位移信号β^*经过β方向位置环得到纵向位移差Δβ，将所述横向位移差Δα经过PID调节器得到给定的α轴悬浮力F_α ^*，将所述纵向位移差Δβ经过PID调节器得到给定的β轴悬浮力F_β ^*；通过电压传感器采集到发电电压U_o，发电电压U_o和给定的参考发电电压U_o ^*经过电压环得到电压偏差ΔU，电压偏差ΔU经过PI调节器得到给定的励磁电流i_s ^*；将电流传感器采集到发电电流i_m，通过位移传感器采集到转子位置θ，通过α轴悬浮力F_α ^*、β轴悬浮力F_β ^*、给定的励磁电流i_s ^*、发电电流i_m和转子位置θ经过悬浮绕组控制器得到各套绕组励磁电流；用电流斩波控制方法让悬浮绕组实际电流跟踪一相四极悬浮绕组电流的给定值i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*，以产生适当的悬浮力，实现电机悬浮的同时实现对发电电压的实时控制；

b)所述加宽导通控制方法如下：

1)初始化励磁导通区间[θ_on，θ_off]，所述励磁导通区间[θ_on，θ_off]包括悬浮区间[θ₁，θ₂]和加宽区间，其中θ_on为励磁导通区开通位置，θ_off为励磁导通区关断位置，θ₁为悬浮区开通位置，θ₂为悬浮区关断位置，下同；

2)当步骤1所述的励磁导通区间[θ_on，θ_off]大于或等于轮流导通的宽度15°，则进入步骤3，否则返回步骤1，重新初始化励磁导通区间[θ_on，θ_off]；

3)在励磁导通区间[θ_on，θ_off]内选择合适的悬浮区间[θ₁，θ₂]，在悬浮区间内，通过电流斩波控制的方法，将对应导通相的励磁电流跟踪给定励磁电流产生悬浮力；悬浮区间按照不同的要求有以下两种选取方法。

①提供相等的悬浮力时悬浮电流较小：

当θ_on＞15°，则θ₁＝θ_on，θ₂＝θ_on+15°；当θ_off＜30°，则θ₁＝θ_off-15°，θ₂＝θ_off；否则，θ₁＝15°，θ₂＝30°；

②悬浮力较稳定：

θ₂＝θ_off且θ₁＝θ_off-15°；

4)当当前导通相的角度θ₃在励磁导通区间，则进入步骤5，否则返回步骤4；

5)输出所需励磁电流：

α)当θ₃∈[θ₁，θ₂]时，根据所需的悬浮力通过DSP计算出各个励磁绕组所需的电流，并通过悬浮绕组逆变器输出给励磁绕组；

β)当θ₃∈[θ_on，θ₁)∪(θ₂，θ_off]时，导通相各个励磁绕组电流均等于励磁绕组电流给定值，通过悬浮绕组逆变器输出给励磁绕组。

本发明方法具有以下特点：①本优化方法通过仿真和实验验证，通过加宽励磁导通区间，能解决励磁不足的问题，有效提高输出功率；②本优化方法改善了悬浮力，为解决相与相之间悬浮力不足的问题提供了一个新的途径；

总的来说，无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制策略的方法是一种通过仿真和实验验证，过程简单的优化方法。

附图说明

图1为本发明中12/8结构样机角度定义示意图；定义转子极轴线与定子槽轴线对齐位置为0°，则相电感最大值对应22.5°。

图2为本发明典型电流波形；励磁电流导通区间[θ_on，θ_off]分为两部分：悬浮区间[θ₁，θ₂]和加宽区间。在悬浮区间内，励磁绕组既要励磁，又要提供悬浮力；在加宽区间内，励磁绕组只需励磁，无需提供悬浮力。

图3为本发明的系统框图；图中悬浮绕组即为励磁绕组，每套励磁绕组单独控制。主绕组每相串联整流。将位移误差信号进行PID调节获得给定悬浮力F_α ^*，F_β ^*，将发电电压误差信号进行PI调节获得给定悬浮电流i_s ^*，再结合实测主绕组电流i_m和位置信号参数θ，即可通过悬浮绕组电流控制器计算出一相四极悬浮绕组电流的给定值i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*。用电流斩波控制让实际电流跟踪i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*，以产生适当的悬浮力，实现电机悬浮的同时实现对发电电压的实时控制；

图4为本发明的主流程图；

图5为本发明主流程图中计算1的流程图；

图6为本发明主流程图中计算2的流程图。

具体实施方式

图1为本发明中12/8结构样机角度定义示意图；定义转子极轴线与定子槽轴线对齐位置为0°，则相电感最大值对应22.5°。

图2为本发明典型电流波形；励磁电流导通区间[θ_on，θ_off]分为两部分：悬浮区间[θ₁，θ₂]和加宽区间。在悬浮区间内，励磁绕组既要励磁，又要提供悬浮力；在加宽区间内，励磁绕组只需励磁，无需提供悬浮力。

如图3，图4所示，本发明所述方法分为以下步骤：1.初始化导通区间。2.判断导通区间是否合理，合理进入下一步骤，否则回到步骤1，重新初始化。3.根据不同的要求，选择悬浮区间，剩余导通区间即为加宽区间。4.针对不同的导通区间，计算出不同的励磁电流，通过逆变器输出给励磁绕组。

本发明无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法，其特征在于包括如下步骤：采用α轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向实时位移信号α，采用β轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的纵向实时位移信号β，将所述横向实时位移信号α和给定的永无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向参考位移信号α^*经过α方向位置环得到横向位移差Δα，将所述纵向实时位移信号β和给定的永磁型无轴承电机转子的纵向参考位移信号β^*经过β方向位置环得到纵向位移差Δβ，将所述横向位移差Δα经过PID调节器得到给定的α轴悬浮力F_α ^*，将所述纵向位移差Δβ经过PID调节器得到给定的β轴悬浮力F_β ^*。通过电压传感器采集到发电电压U_o，发电电压U_o和给定的参考发电电压U_o ^*经过电压环得到电压偏差ΔU，电压偏差ΔU经过PI调节器得到给定的励磁电流i_s ^*。通过电流传感器采集到发电电流i_m。通过位移传感器采集到转子位置θ。通过α轴悬浮力F_α ^*，β轴悬浮力F_β ^*，给定的励磁电流i_s ^*，发电电流i_m和转子位置θ可在悬浮绕组控制器中算出各套绕组励磁电流。用电流斩波控制让实际电流跟踪i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*，以产生适当的悬浮力，实现电机悬浮的同时实现对发电电压的实时控制；励磁绕组控制方法即所述加宽导通控制方法如下：

1)初始化所述无轴承开关磁阻全周期发电机的导通区间[θ_on，θ_off]；

2)合理的导通区间[θ_on，θ_off]应满足大于或等于轮流导通的宽度15°。若不满足，则返回步骤1，重新选择导通区间；若满足导通宽度合理，进入步骤3。

3)在导通区间[θ_on，θ_off]内选择合适的悬浮区间[θ₁，θ₂]。在悬浮区间内，通过调节对应导通相的励磁电流产生悬浮力。导通区间中除去悬浮区间剩余的部分就是加宽区间，它只励磁，不产生悬浮力。悬浮区间按照不同的要求可以有以下两种选取方法。

①提供相等的悬浮力时悬浮电流最小的原则：

如果θ_on＞15°，则θ₁＝θ_on，θ₂＝θ_on+15°；如果θ_off＜30°，则θ₁＝θ_off-15°，θ₂＝θ_off；否则，θ₁＝15°，θ₂＝30°。

这种选取方法令[θ₁，θ₂]所处区间的电感值最大，相同电流产生的麦克斯韦力最大。

②悬浮力最稳定的原则：

θ₂＝θ_off且θ₁＝θ_off-15°。

这种选取方法令[θ₁，θ₂]尽量远离励磁绕组刚开通的位置θ₁。通过避开悬浮电流不可控的区域，悬浮力更稳定。

4)通过传感器测得转子位置θ，当θ∈[θ_on，θ_off]时，当前相导通，进入步骤5；否则，继续在步骤4中等待。

5)判断当前导通相的角度θ所在区间，当θ∈[θ₁，θ₂]时，进入步骤6，否则，进入步骤7。

6)当前导通相在悬浮区间，进入计算1(见附图5)。将位移误差信号进行PID调节获得给定悬浮力F_α*，F_β*，将发电电压误差信号进行PI调节获得给定悬浮电流i_s*，再结合实测主绕组电流i_m和位置信号参数θ，得到给定悬浮力的电流方程：

F_α ^*＝4K_f(θ)[N_bi_s ^*-N_mi_m]Δi_s1 ^*        (1)

F_β ^*＝4K_f(θ)[N_bi_s ^*-N_mi_m]Δi_s2 ^*        (2)

其中K_f(θ)是悬浮力系数，N_m是主绕组匝数，N_b是悬浮绕组匝数。再结合关系式

Δi_s1 ^*＝|i_s1 ^*-i_s3 ^*|/2                  (3)

Δi_s2 ^*＝|i_s2 ^*-i_s4 ^*|/2                  (4)

i_s ^*＝(i_s1 ^*+i_s3 ^*)/2＝(i_s2 ^*+i_s4 ^*)/2      (5)

即可计算出导通相各套悬浮绕组电流给定值i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*。

然后转到步骤8。

7)当前导通相在加宽区间，进入计算2(见附图6)。将发电电压误差信号进行PI调节获得给定悬浮电流i_s*。由于在该区间不需要提供悬浮力，i_s1 ^*＝i_s2 ^*＝i_s3 ^*＝i_s4 ^*＝i_s ^*。

8)对导通相各套悬浮绕组通励磁电流。励磁电流通过斩波控制使大小满足以下关系：

i_s1＝i_s1 ^*，i_s2＝i_s2 ^*，i_s3＝i_s3 ^*，i_s4＝i_s4 ^*    (6)

Claims (1)

1.一种无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法，其特征在于包括如下步骤：

a)采用α轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向实时位移信号α，采用β轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的纵向实时位移信号β，将所述横向实时位移信号α和给定的无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向参考位移信号α^*经过α方向位置环得到横向位移差Δα，将所述纵向实时位移信号β和给定的无轴承电机转子的纵向参考位移信号β^*经过β方向位置环得到纵向位移差Δβ，将所述横向位移差Δα经过PID调节器得到给定的α轴悬浮力F_α ^*，将所述纵向位移差Δβ经过PID调节器得到给定的β轴悬浮力F_β ^*；通过电压传感器采集到发电电压U_o，发电电压U_o和给定的参考发电电压U_o ^*经过电压环得到电压偏差ΔU，电压偏差ΔU经过PI调节器得到给定的励磁电流i_s ^*；将电流传感器采集到发电电流i_m，通过位移传感器采集到转子位置θ，通过α轴悬浮力F_α ^*、β轴悬浮力F_β ^*、给定的励磁电流i_s ^*、发电电流i_m和转子位置θ经过悬浮绕组控制器得到各套绕组励磁电流；用电流斩波控制方法让悬浮绕组实际电流跟踪一相四极悬浮绕组电流的给定值i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*，以产生适当的悬浮力，实现电机悬浮的同时实现对发电电压的实时控制；

b)所述加宽导通控制方法如下：

1)初始化励磁导通区间[θ_on，θ_off]，所述励磁导通区间[θ_on，θ_off]包括悬浮区间[θ₁，θ₂]和加宽区间，其中θ_on为励磁导通区开通位置，θ_off为励磁导通区关断位置，θ₁为悬浮区开通位置，θ₂为悬浮区关断位置，下同； 

2)当步骤1所述的励磁导通区间[θ_on，θ_off]大于或等于轮流导通的宽度15°，则进入步骤3，否则返回步骤1，重新初始化励磁导通区间[θ_on，θ_off]；

3)在励磁导通区间[θ_on，θ_off]内选择合适的悬浮区间[θ₁，θ₂]，在悬浮区间[θ₁，θ₂)内，通过电流斩波控制的方法，将对应导通相的励磁电流跟踪给定励磁电流产生悬浮力；悬浮区间[θ₁，θ₂]按照不同的要求有以下两种选取方法：

①提供相等的悬浮力时悬浮电流较小：

当θ_on＞15°，则θ₁＝θ_on，θ₂＝θ_on+15°；当θ_off＜30°，则θ₁＝θ_off-15°，θ₂＝θ_off；否则，θ₁＝15°，θ₂＝30°；

②悬浮力较稳定：

θ₂＝θ_off且θ₁＝θ_off-15°；

4)当当前导通相的角度θ₃在励磁导通区间[θ_on，θ_off]，则进入步骤5，否则返回步骤4；

5)输出所需励磁电流：

③)当θ₃∈[θ₁，θ₂]时，根据所需的悬浮力通过DSP计算出各个励磁绕组所需的电流，并通过悬浮绕组逆变器输出给励磁绕组；

④)当θ₃∈[θ_on，θ₁)∪(θ₂，θ_off]时，导通相各个励磁绕组电流均等于励磁绕组电流给定值，通过悬浮绕组逆变器输出给励磁绕组。 

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