CN109802613A - 基于开通关断角控制的bsrmwr转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，在换出相选择合适的关断角，在换入相选择合适的开通角，以达到优化换相间电流上升和下降速率目的，从而抑制或消除换相转矩脉动。该方法简单实用，可以提高系统的动态性能。解决了传统无轴承开关磁阻电机的转矩与悬浮力之间的耦合问题；该方法选择合适的开通角与关断角改进了电机的转矩和悬浮力性能。本发明所述的方法简单实用，控制方便，可以加强电机系统的可靠性与稳定性。

Description

基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种12/8单绕组宽转子齿结构的无轴承开关磁阻电机(BearinglessSwitched Reluctance Motor with Wider Rotor Teeth，BSRMWR)抑制转矩脉动的控制方法，属于电机控制应用技术领域。

背景技术

BSRMWR具有结构简单，坚固，成本低，工作可靠，无润滑，寿命长等特点，在航空高速、超高速起动发电机，飞轮储能等领域具有重大应用。

BSRMWR与普通无轴承开关磁阻电机相比，其转子齿的机械角增加至30°，通过双相导通，可以实现转矩与悬浮力的解耦，由于其双凸结构，在换相时存在转矩脉动较大的问题。转矩脉动较大限制了其在高性能场合的应用，转矩脉动也是造成电机噪声和振动的重要原因。因此解决电机的转矩脉动问题就显得尤为重要。

针对抑制电机换相时的转矩脉动，国内外专家学者提出了许多行之有效的方法，主要有：(1)基于转矩分配函数的直接瞬时转矩控制；(2)设计新型的功率变换器的拓扑结构来抑制转矩脉动；(3)传统直接转矩控制来抑制转矩脉动；(4)通过有限元分析法，设计合适的电机结构来抑制转矩脉动；(5)换相区间内的电流优化算法等。换相区间内的转矩波动主要是由换入相和换出相电流的变化速度不一样导致的，因此许多抑制转矩脉动的方法都是从换相过程中换入相和换出相电流的入手，即优化换相区间的电流，保证非换相区间电流不变。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，即在换出相选择合适的关断角，在换入相选择合适的开通角，以达到优化换相间电流上升和下降速率目的，从而抑制或消除换相转矩脉动。该方法简单实用，可以提高系统的动态性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：利用电机内部的光电传感器获得转子位置角θ，通过微分计算得到电机转速ω，电机转速ω作为外环反馈，期望转速作为给定转速ω^*。

步骤2：电机实际转速ω与给定转速ω^*作差，得到转速偏差量Δω，转速偏差量Δω经过外环PI调节得到给定平均转矩T_avg ^*。

步骤3：通过转矩电流公式得到三相转矩区间内的给定电流i_T ^*。

步骤4：利用电机外部的位移传感器获得转子轴承在x、y两个方向上的位移量，两个位移量分别作为外环反馈，期望的x、y方向上的位移量作为给定位移x^*、y^*，x、y两个方向上的位移量与定位移x^*、y^*作差得到x、y方向上的位移量误差。

步骤5：x、y方向上的位移量误差分别经过PID调节得到x、y两个方向上的给定悬浮力F_x ^*、F_y ^*。

步骤6：x、y方向上的给定悬浮力F_x ^*、F_y ^*通过悬浮力电流公式得到三相在x、y方向上的差分电流Δi_s1、Δi_s2。

步骤7：通过三相分配计算得到在悬浮区间内A、B、C三相上四个绕组上的给定电流i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*。

步骤8：利用电流传感器得到BSRMWR的绕组电流，将采样得到的实际绕组电流i作为内环电流反馈量。

步骤9：设置开通角和关断角，通过换出相电流的下降公式与换入相电流的上升公式计算出转矩脉动最小的时间点，从而得到选取的开通角和关断角。

计算公式表达式为θ＝ωt，

其中，θ为关断提前角，ω为电机转速，t为关断提前时间，u_s为线圈两端母线电压，u_d为开关管压降，R为绕组电阻，L₀为绕组电感，定义A＝dL_A1/dθ，A为一个常数，L_A1为A1相绕组电感，i_a2(0)为A2相的初始给定电流值。

步骤10：外环输出的给定电流i_T ^*与内环电流反馈量相比作差通过滞环比较器，结合转子位置角以及选取的开通角和关断角在换相区间内控制相应功率管的导通，完成转矩脉动的抑制。

优选的：步骤3中通过转矩电流公式得到三相转矩区间内的给定电流i_T ^*的方法：利用麦克斯韦应力法推导出电机的转矩数学模型，通过转矩模型得到转矩关于电流的公式，转矩电流公式表达为其中，C为转矩系数，T_avg为平均转矩，从而得到转矩区间内的给定电流i_T ^*。

优选的：步骤6中利用等效磁路图以及麦克斯韦应立法推导出悬浮力数学模型，悬浮力电流公式表达为F_x＝20Di_sΔi_s1、F_y＝20Di_sΔi_s2，其中，D为悬浮力系数，F_x为x方向悬浮力，F_y为y方向悬浮力，i_s为悬浮区间平均电流，Δi_s1为x方向差分电流，Δi_s2为y方向差分电流。

优选的：步骤7中通过下式计算三相分配得到在悬浮区间内A、B、C三相上四个绕组上的给定电流i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*：

其中，i_s1、i_s2、i_s3、i_s4为一相悬浮区间内四组不对称电流值。

优选的：电机为双凸极结构。

优选的：电机通过两相导通实现转矩与悬浮力的解耦。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明电机是双凸极结构，跟普通开关磁阻电机相比，所述电机可以通过两相导通实现转矩与悬浮力的解耦，解决了传统无轴承开关磁阻电机的转矩与悬浮力之间的耦合问题；本发明提出的控制算法是一种基于开通角与关断角优化控制方法，通过该算法选择合适的开通角与关断角改进了电机的转矩和悬浮力性能。本发明所述的方法简单实用，控制方便，可以加强电机系统的可靠性与稳定性。

附图说明

图1为本发明基于开通角和关断角优化控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法的所述电机结构图。

图2为本发明基于开通角和关断角优化控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法的所述电机线圈电感示意图。

图3为本发明基于开通角和关断角优化控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法的所述电机三相工作区间示意图。

图4为本发明基于开通角和关断角优化控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法的换出相开关管关断示意图。

图5为本发明基于开通角和关断角优化控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法的换入相开关管开通示意图。

图6为没用本发明控制方法时电磁转矩波形图。

图7为本发明基于开通角和关断角优化控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法的电磁转矩波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

电机结构如图1所示，包括12个凸极定子齿，8个凸极转子齿，绕组，转轴；转子极弧的机械角为30°，定子极弧的机械角为15°，12个定子齿上均有一套绕组，共12个绕组，每个绕组的电压、电流可单独控制，每隔90°的两个绕组的绕线方向相反，流入电流方向相同，4个绕组形成的磁场呈NSNS分布，每隔90°的4个定子绕组形成电机的一相绕组，12个绕组最终形成依次在空间上相差30°的A、B、C三相绕组，每控制一相时，同时控制一相四个绕组对称或不对称励磁，为电机工作提供转矩和悬浮力。

所述电机线圈电感随转子位置变化如图2所示，定义定转子极对齐位置为转子角度θ＝0°。以A相为例，当转子位置位于[-22.5°，-7.5°]时，线圈电感几乎线性上升，若在A1，A2，A3，A4定子线圈中通入相同大小的电流即可产生正转矩；转子位置处于[-7.5°，7.5°]时，线圈电感几乎不变，若在A1，A2，A3，A4定子线圈通入不对成电流即可产生悬浮力，这时不产生输出转矩；当转子位置位于[7.5°，22.5°]时，线圈电感几乎线性下降，若在A1，A2，A3，A4四个线圈中通入相同电流即可产生负转矩，这就可以实现转矩和悬浮力的解耦。因此，如果要保证电机正常工作，需要两相同时导通。

所述电机的三相工作区间如图3所示，可以根据各相绕组电感变化趋势决定其工作区间，根据图3所示，当A相绕组提供悬浮力，C相提供输出转矩；当B相绕组提供悬浮力，A相绕组提供输出转矩；当C相绕组提供悬浮力，B相绕组提供输出转矩。

一种基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，其具体实施过程如下：

过程1：通过所述电机内部的光电传感器实时捕获高低电平信号，获得转子的位置角θ，通过微分计算得到电机转速ω。

过程2：利用电机外部的位移传感器获得转子轴承在x、y两个方向上的位移量x、y。

过程3：计算转矩区间给定电流大小，电机实际转速ω与给定转速ω^*作差，得到转速偏差量Δω，通过PI调节得到给定平均转矩T_avg，根据以下电流转矩公式：

其中C为转矩系数，计算出转矩区间内给定电流i_T ^*。

过程4：：利用等效磁路图以及麦克斯韦应立法推导出悬浮力数学模型，再通过电流在x、y方向上分配计算得到悬浮力与某一相上四个绕组上不对称电流的数学公式。计算悬浮区间内给定电流大小，实际位移量x、y分别与给定位移量x^*、y^*作差，再分别通过PID调节得到x、y方向上的给定悬浮力F_x ^*、F_y ^*；经过三相分配计算将给定悬浮力F_x ^*、F_y ^*归算到A、B、C三相上，所述电机A、B、C三相绕组空间上相差30°，根据此角度关系，计算出A、B、C三相在各自坐标系的x、y方向上所需的径向力F_Ax ^*、F_Ay ^*、F_Bx ^*、F_By ^*、F_Cx ^*、F_Cy ^*；根据以下悬浮力电流公式：

F_x＝20Di_sΔi_s1 (2)

F_y＝20Di_sΔi_s2 (3)

其中D为悬浮力系数，i_s为悬浮区间平均电流，Δi_s1为x方向差分电流，Δi_s2为y方向差分电流，具体表达式如下：

根据以上公式可以计算出在悬浮区间内A、B、C三相上四个绕组上的给定电流i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*。

过程5：电流传感器采集工作相的各个定子绕组的电流，经过调理电路流入控制器，经过计算，得到实际电流的大小i。

过程6：电流传感器检测出的实际绕组电流i与过程4和5相结合计算出的给定电流值i^*作比较，如果实际电流值大于给定电流值，则输出低电平信号，开关管关断，如图4所示，电流迅速下降；反之，则输出高电平信号，开关管开通，如图5所示，电流缓慢上升。通过电流滞环控制，是电流稳定在给定电流值附近，产生所需的转矩与悬浮力。

过程7：选择合适的开通角与关断角，调节转矩与悬浮力，如图4所示，以A相A1绕组为例，换出相开关管关断，电流迅速下降，对应的电压方程如下：

其中u_s为线圈两端母线电压，u_d为开关管压降，R为A相A1绕组电阻，ω为电机转速，L_A1为A1绕组电感，不考虑互感影响，绕组电感都看作为L₀。得到A1绕组中电流下降公式为：

其中A＝dL_A1/dθ,电感值随转子位置角的变化率基本不变，作为常数，i_a1(0)为A1相的初始给定电流值。同理得到A2、A3、A4下降电流公式。

如图5所示，换入相开关管开通，电流迅速上升，以B相B1绕组为例，对应的电压方程如下：

根据上述公式得到B1相电流上升公式，如下：

其中，B＝dL_B1/dθ,电感随转子位置角的变换率基本不变，所以B作为常数。同理得到B相绕组B2、B3和B4电流上升公式。

根据公式(9)和(10)计算为了达到抑制转矩脉动的目的所需关断时电流的下降时间，公式如下：

得到需要提前关断的角θ₁为：

θ₁＝ωt₁ (12)

选择出合适的开通角与关断角后，结合过程6控制相应开关管的开通与关断，完成对所述电机的控制。

图6为没有本发明控制时电磁转矩波形图，图中转矩出现了较大的波动，最小转矩为负值；图7为本发明方法控制时电磁转矩波形图，图中转矩波动相对较小，输出转矩平稳。

由上述说明可知，按照一种基于开通角和关断角优化控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法和具体的实施步骤，可以在避免增加硬件成本的情况下有效地抑制BSRMWR的转矩脉动。

本发明提出的抑制BSRMWR换相转矩脉动的控制方法是通过公式计算出合适的开通角与关断角来优化换相间的电流，是一种简单实用的控制方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用电机内部的光电传感器获得转子位置角θ，通过微分计算得到电机转速ω，电机转速ω作为外环反馈，期望转速作为给定转速ω^*；

步骤2：电机实际转速ω与给定转速ω^*作差，得到转速偏差量Δω，转速偏差量Δω经过外环PI调节得到给定平均转矩T_avg ^*；

步骤3：通过转矩电流公式得到三相转矩区间内的给定电流i_T ^*；

步骤4：利用电机外部的位移传感器获得转子轴承在x、y两个方向上的位移量，两个位移量分别作为外环反馈，期望的x、y方向上的位移量作为给定位移x^*、y^*，x、y两个方向上的位移量与定位移x^*、y^*作差得到x、y方向上的位移量误差；

步骤5：x、y方向上的位移量误差分别经过PID调节得到x、y两个方向上的给定悬浮力F_x ^*、F_y ^*；

步骤6：x、y方向上的给定悬浮力F_x ^*、F_y ^*通过悬浮力电流公式得到三相在x、y方向上的差分电流Δi_s1、Δi_s2；

步骤7：通过三相分配计算得到在悬浮区间内A、B、C三相上四个绕组上的给定电流i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*；

步骤8：利用电流传感器得到BSRMWR的绕组电流，将采样得到的实际绕组电流i作为内环电流反馈量；

步骤9：设置开通角和关断角，通过换出相电流的下降公式与换入相电流的上升公式计算出转矩脉动最小的时间点，从而得到选取的开通角和关断角；

计算公式表达为：θ＝ωt，

其中，θ为关断提前角，ω为电机转速，t为关断提前时间，u_s为线圈两端母线电压，u_d为开关管压降，R为绕组电阻，L₀为绕组电感，定义A＝dL_A1/dθ，A为一个常数，L_A1为A1相绕组电感，i_a2(0)为A2相的初始给定电流值；

步骤10：外环输出的给定电流i_T ^*与内环电流反馈量相比作差通过滞环比较器，结合转子位置角以及选取的开通角和关断角在换相区间内控制相应功率管的导通，完成转矩脉动的抑制。

2.根据权利要求1所述基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，其特征在于：步骤3中通过转矩电流公式得到三相转矩区间内的给定电流i_T ^*的方法：利用麦克斯韦应力法推导出电机的转矩数学模型，通过转矩模型得到转矩关于电流的公式，转矩电流公式表达为其中，C为转矩系数，T_avg为输出平均转矩，从而得到转矩区间内的给定电流i_T ^*。

3.根据权利要求2所述基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，其特征在于：步骤6中悬浮力电流公式表达为F_x＝20Di_sΔi_s1、F_y＝20Di_sΔi_s2，其中，D为悬浮力系数，F_x为x方向悬浮力，F_y为y方向悬浮力，i_s为悬浮区间平均电流，Δi_s1为x方向差分电流，Δi_s2为y方向差分电流。

4.根据权利要求3所述基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，其特征在于：步骤7中通过下式计算三相分配得到在悬浮区间内A、B、C三相上四个绕组上的给定电流i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*：

其中，i_s1、i_s2、i_s3、i_s4为一相悬浮区间内四组不对称电流值。

5.根据权利要求4所述基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，其特征在于：电机为双凸极结构。

6.根据权利要求5所述基于开通关断角控制的BSRMWR转矩脉动抑制方法，其特征在于：电机通过两相导通实现转矩与悬浮力的解耦。