CN109995296A - 一种无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，该方法在选择转矩和悬浮力矢量的同时引入模型预测控制，通过预测各个矢量所产生转矩和悬浮力的能力来判断该时刻应选用哪个矢量。为简化控制策略，在转矩部分省去了磁链控制环节，并将控制区间选在[‑15°,0°]，建立转矩预测模型，通过该模型来选择提供转矩能力最强的矢量；选择完三相转矩矢量后，依然是在该区间，在刚选出的矢量下继续建立悬浮力预测模型，通过该模型来选择提供悬浮能力最强的该相各齿极矢量，最后根据所有电压矢量符号来决定各个功率变换器开关管的开关状态。本发明在直接转矩和悬浮力控制中引入模型预测控制算法，使得矢量选择更具合理性，也使得转矩悬浮力响应更迅速。

Description

一种无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，属于无轴承开关磁阻电机技术领域。

背景技术

无轴承开关磁阻电机(BSRM)是将无轴承技术运用于传统开关磁阻电机上所形成的的一种新型电机，在旋转的同时具备自悬浮的功能。该电机根据定子上绕组数量的不同也分为单绕组电机和双绕组电机。单绕组电机即在各定子齿极上只有一套绕组，通过控制绕组上电流大小使电机在高速旋转的同时也能实现自悬浮。双绕组电机即在各定子齿极上有两套绕组，其中一套绕组正向串联以产生平衡的偏置磁场，用来产生转矩；另外一套绕组反向串联以打破原有磁场的平衡，用来产生悬浮力，通过调节这两套绕组中的电流大小，可以实现无轴承开关磁阻电机的稳定旋转与悬浮。

由于无轴承开关磁阻电机的结构特点，使得转矩与悬浮力之间存在着强耦合，对无轴承开关磁阻电机而言，传统控制方法是通过转矩和悬浮力的数学模型来解算出各齿极电流的大小，从而进行滞环控制。但该方法存在受模型精度影响大，转矩和悬浮力脉动大，控制复杂等缺点。基于该控制策略的这些缺点，后来又提出了无轴承开关磁阻电机的直接转矩和悬浮力控制方法。该方法直接对转矩和悬浮力进行控制，使转矩和悬浮力输出脉动更小，且避免了传统控制中电流解算的环节，受模型参数影响小，简化了控制策略。但是在矢量选择过程中由于要维持磁链幅值的恒定，有时未能选出最佳矢量来增大和减小转矩，因此该控制策略有时并不能最大化的提升转矩响应速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，该方法在直接控制的前提下引入模型预测控制，使得转矩和悬浮力的可控性更好。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，包括如下步骤：

步骤1，通过转矩计算确定各扇区的三相电压矢量，当转矩需要增加时，导通电感值处于上升区的相绕组开关管，关断电感值处于下降区的相绕组开关管，当转子处于电感不变前半区域时，第三相绕组电压矢量为“-1”模态，当转子处于电感不变后半区域时，第三相绕组电压矢量为“1”模态；当转矩需要减小时，关断电感值处于上升区的相绕组开关管，导通电感值处于下降区的相绕组开关管，第三相绕组电压矢量保持不变；

步骤2，根据任意扇区转矩变化时供选择的两个三相电压矢量，计算电流预测值，建立转矩预测模型，将电流预测值代入转矩预测模型计算转矩预测值，将转矩预测值代入转矩代价函数中进行计算，选择所得转矩代价函数值最小时对应的三相电压矢量；

步骤3，根据步骤2选择的三相电压矢量，将各相电压矢量分解为基本电压矢量划分到每相定子齿绕组上，同时建立悬浮力预测模型计算悬浮力预测值，将悬浮力预测值代入悬浮力代价函数进行比较，将悬浮力代价函数值最小时对应的基本电压矢量作为各定子齿绕组的最佳基本电压矢量，根据最佳基本电压矢量实现对无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力的控制。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述通过转矩计算确定三相电压矢量，具体如下：

在每个电感周期内，电机运行至I扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₃(-1,1,-1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₁(1,-1,-1)；电机运行至II扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₄(-1,1,1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₆(1,-1,1)；电机运行至III扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₅(-1,-1,1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₃(-1,1,-1)；电机运行至IV扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₆(1,-1,1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₂(1,1,-1)；电机运行至V扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₁(1,-1,-1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₅(-1,-1,1)；电机运行至VI扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₂(1,1,-1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₄(-1,1,1)。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述电流预测值，计算公式为：

其中，i_k+1表示k+1时刻预测的电流值，U_k,i_k,θ_k分别表示k时刻绕组端电压值,电流值,转子位置值，ΔT表示每周期时间，ψ表示相磁链，R表示相电阻，ω表示电机转速值。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述转矩预测模型，公式为：

其中，T_k+1表示k+1时刻转矩预测量，J_t(θ_k+1)代表k+1时刻转矩系数值，N表示每齿极绕组匝数，i_a(k+1),i_b(k+1),i_c(k+1)分别表示k+1时刻a,b,c相电流预测值。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述转矩代价函数，公式为：

J_T＝(T_k+1-T_ref)²

其中，J_T表示转矩代价函数值，T_k+1表示k+1时刻转矩预测量，T_ref表示转矩给定量。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述悬浮力预测模型，公式为：

其中，i_s1(k+1),i_s2(k+1),i_s3(k+1),i_s4(k+1)分别表示每相第1,2,3,4个齿极的电流，表示四齿极平均励磁电流，Δi_s1(k+1),Δi_s2(k+1)分别表示α,β方向上相对齿极的电流差值，F_α(k+1),F_β(k+1)分别表示k+1时刻α,β方向上悬浮力预测值，K_f(θ_k+1)表示k+1时刻悬浮系数值。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述悬浮力代价函数，公式为：

J_{α_F}＝(F_α(k+1)-F_{α_ref})²

J_{β_F}＝(F_β(k+1)-F_{β_ref})²

其中，J_{α_F},J_{β_F}分别表示α,β方向悬浮力代价函数值，F_α(k+1),F_β(k+1)分别表示k+1时刻α,β方向悬浮力预测值，F_{α_ref},F_{β_ref}分别表示α,β方向悬浮力给定量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明在直接转矩和悬浮力控制中引入模型预测控制算法，使得矢量选择更具合理性，也使得转矩悬浮力响应更迅速。

2、本发明对转矩和悬浮力先后建模，在代价函数中将两者独立开来，避免了两者间权重系数的调整，简化了计算过程。

3、本发明通过在转矩控制中舍弃磁链环，使得在选取三相矢量过程中无需考虑磁链因素，简化了控制策略。

附图说明

图1是本发明一种无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法的系统控制框图。

图2是本发明实施例12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机的结构示意图。

图3是本发明的三相电压矢量符号图。

图4是本发明的三相电感曲线图。

图5是本发明的基本电压矢量符号图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示为本发明的系统控制框图，该框图分别对转矩和悬浮力进行模型预测控制，具体如下：

对电机的转矩和悬浮力分别采用模型预测控制算法，可以通过该算法先对转矩进行建模，确定满足给定转矩要求的三相矢量，然后再通过该算法对悬浮力进行建模，将原有的三相转矩矢量细分到每齿极绕组上。

在直接转矩控制中加入模型预测控制，通过建立转矩模型来预测每个矢量所产生的转矩，并将其代入代价函数中进行计算，所得代价函数值最小的矢量为最合适的三相矢量。

在直接悬浮力控制中加入模型预测控制，由于悬浮力的产生是建立在有偏置电流，即产生转矩的前提下，因此悬浮力控制应在转矩控制稳定的前提下进行，即在选定最合适的三相矢量后，将三相矢量进行划分到每套定子齿绕组上，同时建立悬浮力模型来预测下一周期的实际悬浮力，最后代入代价函数中进行比较，选其值最小的矢量为最合适的各绕组矢量。

如图2所示，12/8极无轴承开关磁阻电机由12个定子齿和8个转子齿构成，分为3相，每相4个定子齿上各只有一套绕组，而转子齿上无任何绕组。由于开关磁阻电机结构以及控制方法的特殊性，直接转矩控制仅针对转矩进行滞环控制而无需控制磁链，从而可以舍弃磁链环。下面以12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机为实施例，具体步骤分为如下四步。

(1)首先通过转矩计算确定三相电压矢量。图3为本发明的三相电压符号图，为减小计算量，可以先通过分析排除一些矢量。图4位本发明的三相电感曲线图，电机运行的每个电感周期均可分为S1～S6共6个扇区，在每个扇区中，均有一相绕组电感值处于上升区，一相绕组电感值处于下降区，一相绕组电感值处于不变区。转矩的增减变化与电感斜率成正比，即当电感值处于上升区时，电机产生正转矩，转矩增加；当电感值处于下降区时，电机产生负转矩，转矩减小；当电感值处于不变区时，电机基本不产生转矩。因此当转矩需要增加时，应导通电感值处于上升区的相绕组开关管，则该相绕组电压矢量为“1”；而电感值处于下降区的相绕组由于导通后会产生负转矩，从而会减小总转矩，其开关管应关断，电压矢量为“-1”；第三相绕组电压矢量的状态与其电感所处位置有关，当转子处于电感不变前半区域时，其电压矢量保持“-1”模态，当转子处于电感不变后半区域时，由于马上就要过渡到电感上升区，其电压矢量应切换为“1”模态以建立电流。同理，当转矩需要减小时，电感值处于上升区的相绕组开关管应关闭，该相绕组电压矢量为“-1”，电感值处于上升区的相绕组开关管应导通，该相绕组电压矢量为“1”，第三相绕组电压矢量应保持不变。这样一来在任意扇区当转矩变化时，都有两个矢量可供选择。每个扇区三相电压矢量选择表可表示为：

扇区

1

2

3

4

5

6

增转矩

v<sub>3</sub>

v<sub>4</sub>

v<sub>5</sub>

v<sub>6</sub>

v<sub>1</sub>

v<sub>2</sub>

减转矩

v<sub>1</sub>

v<sub>6</sub>

v<sub>3</sub>

v<sub>2</sub>

v<sub>5</sub>

v<sub>4</sub>

如此时电机运行至6号扇区内，即“N＝6”，转矩需增加时，A相绕组对应的开关管应导通，则A相电压矢量为“1”；C相处在电感下降区，则C相绕组对应的开关管应关断，电压矢量为“-1”，B相处在电感平底区，这块区域内电机能提供很小的正转矩且马上就要过渡到电感上升区，B相应提早导通以建立电流，电压矢量为“1”，因此在6号扇区内三相电压矢量为(1,1,-1)。同理，当转矩需要减小时，A相绕组对应的开关管应关断，C相绕组对应的开关管应导通，B相由于要建立电流，电压矢量继续保持为“1”，因此三相电压矢量应取为(-1,1,1)。

(2)其次将这两个矢量作用下的电流预测值和转矩预测值代入代价函数中进行计算，电流预测方程可由电压方程得到，可表示为：

其中，U_k,i_k,θ_k分别代表k时刻绕组端电压电流值及转子位置值，i_k+1代表k+1时刻预测的电流值，ΔT代表每周期时间，ψ代表该相磁链，R代表相电阻，ω代表电机转速值。

转矩预测方程由无轴承开关磁阻电机数学模型离散化后得到，可表示为：

其中，i_a(k+1),i_b(k+1),i_c(k+1)分别代表k+1时刻三相预测电流值，N代表每齿极绕组匝数，J_t(θ_k+1)代表k+1时刻转矩系数值。

由于开关磁阻电机的运行机理与异步电机和永磁电机有一定差别，因此在转矩代价函数中只需包含转矩量，无需包含磁链量，这也减小了转矩计算量。转矩代价函数表达式如下：

J_T＝(T_pre-T_ref)²

其中，T_pre代表k+1时刻转矩预测量，T_ref代表转矩给定量。

(3)接着将该矢量继续分配到每相各齿极，得到各齿极基本矢量。图5为本发明的基本电压矢量符号图，基本矢量的合成符号必须和该相矢量符号相同，根据两个坐标轴上悬浮力大小的给定和反馈来选取，同时，为了不产生负转矩，悬浮力控制区间选为[-15°，0°]，任意时刻均只有一相提供。两个方向上的各齿极矢量选取规则一致，均可表示为：

三相电压矢量	1	-1	0
				增悬浮力	1,0	0,-1	1,-1
减悬浮力	0,1	-1,0	-1,1

如通过转矩预测得到的三相电压矢量为(1,1,-1)且在6号扇区内时，α，β方向悬浮力均需要增大，因此将A相电压矢量分解为(1,1,0,0)，其余相矢量符号均不变，得到基本矢量为((1,1,0,0),(1,1,1,1),(-1,-1,-1,-1))。其它相矢量分解同A相一样，悬浮力预测方程同转矩预测方程一样，需由数学模型离散化后实现，可表示为：

其中，i_s1(k+1),i_s2(k+1),i_s3(k+1),i_s4(k+1)分别代表每相四个齿极的电流，Δi_s1(k+1),Δi_s2(k+1)分别代表四齿极平均励磁电流和两个方向上相对齿极的电流差值，F_α(k+1),F_β(k+1)分别代表k+1时刻两个方向上所预测的悬浮力，K_f(θ_k+1)代表k+1时刻悬浮系数值。

(4)最后将分解得到的基本电压矢量代入悬浮力代价函数中。由于任何时刻悬浮力均只有一相绕组提供，其余相都是均匀励磁，因此在代价函数中只需包含该相即可。且两个方向上悬浮力代价函数应一致，其表达式如下：

J_{α_F}＝(F_{α_pre}-F_{α_ref})²

J_{β_F}＝(F_{β_pre}-F_{β_ref})²

其中，F_{α_pre},F_{β_pre}代表k+1时刻α,β方向悬浮力预测量，F_{α_ref},F_{β_ref}代表α,β方向悬浮力给定量。

通过转矩和悬浮力的代价函数，可以得到各齿极的最佳基本电压矢量，从而实现对无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力的精准控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过转矩计算确定各扇区的三相电压矢量，当转矩需要增加时，导通电感值处于上升区的相绕组开关管，关断电感值处于下降区的相绕组开关管，当转子处于电感不变前半区域时，第三相绕组电压矢量为“-1”模态，当转子处于电感不变后半区域时，第三相绕组电压矢量为“1”模态；当转矩需要减小时，关断电感值处于上升区的相绕组开关管，导通电感值处于下降区的相绕组开关管，第三相绕组电压矢量保持不变；

步骤2，根据任意扇区转矩变化时供选择的两个三相电压矢量，计算电流预测值，建立转矩预测模型，将电流预测值代入转矩预测模型计算转矩预测值，将转矩预测值代入转矩代价函数中进行计算，选择所得转矩代价函数值最小时对应的三相电压矢量；

步骤3，根据步骤2选择的三相电压矢量，将各相电压矢量分解为基本电压矢量划分到每相定子齿绕组上，同时建立悬浮力预测模型计算悬浮力预测值，将悬浮力预测值代入悬浮力代价函数进行比较，将悬浮力代价函数值最小时对应的基本电压矢量作为各定子齿绕组的最佳基本电压矢量，根据最佳基本电压矢量实现对无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力的控制。

2.根据权利要求1所述无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，其特征在于，步骤1所述通过转矩计算确定三相电压矢量，具体如下：

在每个电感周期内，电机运行至I扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₃(-1,1,-1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₁(1,-1,-1)；电机运行至II扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₄(-1,1,1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₆(1,-1,1)；电机运行至III扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₅(-1,-1,1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₃(-1,1,-1)；电机运行至IV扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₆(1,-1,1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₂(1,1,-1)；电机运行至V扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₁(1,-1,-1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₅(-1,-1,1)；电机运行至VI扇区，当转矩需要增加时，三相电压矢量为v₂(1,1,-1)，当转矩需要减小时，三相电压矢量为v₄(-1,1,1)。

3.根据权利要求1所述无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，其特征在于，步骤2所述电流预测值，计算公式为：

其中，i_k+1表示k+1时刻预测的电流值，U_k,i_k,θ_k分别表示k时刻绕组端电压值,电流值,转子位置值，ΔT表示每周期时间，ψ表示相磁链，R表示相电阻，ω表示电机转速值。

4.根据权利要求1所述无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，其特征在于，步骤2所述转矩预测模型，公式为：

其中，T_k+1表示k+1时刻转矩预测量，J_t(θ_k+1)代表k+1时刻转矩系数值，N表示每齿极绕组匝数，i_a(k+1),i_b(k+1),i_c(k+1)分别表示k+1时刻a,b,c相电流预测值。

5.根据权利要求1所述无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，其特征在于，步骤2所述转矩代价函数，公式为：

J_T＝(T_k+1-T_ref)²

其中，J_T表示转矩代价函数值，T_k+1表示k+1时刻转矩预测量，T_ref表示转矩给定量。

6.根据权利要求1所述无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，其特征在于，步骤3所述悬浮力预测模型，公式为：

其中，i_s1(k+1),i_s2(k+1),i_s3(k+1),i_s4(k+1)分别表示每相第1,2,3,4个齿极的电流，表示四齿极平均励磁电流，Δi_s1(k+1),Δi_s2(k+1)分别表示α,β方向上相对齿极的电流差值，F_α(k+1),F_β(k+1)分别表示k+1时刻α,β方向上悬浮力预测值，K_f(θ_k+1)表示k+1时刻悬浮系数值。

7.根据权利要求1所述无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力优化控制方法，其特征在于，步骤3所述悬浮力代价函数，公式为：

J_{α_F}＝(F_α(k+1)-F_{α_ref})²

J_{β_F}＝(F_β(k+1)-F_{β_ref})²

其中，J_{α_F},J_{β_F}分别表示α,β方向悬浮力代价函数值，F_α(k+1),F_β(k+1)分别表示k+1时刻α,β方向悬浮力预测值，F_{α_ref},F_{β_ref}分别表示α,β方向悬浮力给定量。