CN114915231A - 一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法 - Google Patents

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CN114915231A CN202210842374.2A CN202210842374A CN114915231A CN 114915231 A CN114915231 A CN 114915231A CN 202210842374 A CN202210842374 A CN 202210842374A CN 114915231 A CN114915231 A CN 114915231A
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孟凡斌
袁野
南钰
樊薇
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Jiangsu University
State Grid Henan Electric Power Co Ltd
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Jiangsu University
State Grid Henan Electric Power Co Ltd
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Abstract

一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，利用两自由度悬浮系统的参考位移分别与位移传感器测量值作差，再经过控制器处理得到两自由度的参考悬浮力；根据悬浮力分配准则将参考悬浮力分别作为宽支承系统悬浮力给定值和单绕组系统悬浮力给定值；宽支承系统悬浮力控制采用直接悬浮力控制策略，宽支承系统悬浮电流实际测量值与转子位置角度经由悬浮力双约束模型转换为对应悬浮力，与给定悬浮力比较产生宽支承系统控制信号，实现宽支承系统稳定悬浮。实现电机宽支承系统独立抗扰以及与单绕组系统协调宽支承系统共同抗扰；通过协调宽支承系统进行悬浮力补偿，有效拓宽悬浮力输出范围，且悬浮力值几乎不受转矩电流影响，实现宽支承系统稳定悬浮。

Description

一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法
技术领域
本发明属于电气传动控制技术领域，适用于磁悬浮开关磁阻电机高性能控制，尤其涉及一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法。
背景技术
磁悬浮开关磁阻电机具有高度集成，无摩擦损耗，可高速/超高速运行等优点，在高速机床、离心机、压缩机、飞轮电池等众多领域具有广泛的应用前景。然而传统的磁悬浮开关磁阻电机存在高集成与宽调幅相矛盾的弊端。单绕组开关磁阻电机具备了在不增加系统体积和功率的前提下，依据悬浮-转矩功率转换机理提供动态悬浮力，是一种集成度优势极为明显的磁悬浮支承系统。但其悬浮功率收到转矩功率约束难以提供与复杂多源扰动相匹配的悬浮力输出范围，即宽调浮性能不足。而混合单绕组磁悬浮开关磁阻电机是一种新型磁悬浮支承系统形式的电机，满足车载飞轮电池对其支承系统高集成与宽调浮性能的一致性需求。
发明内容
本发明为了克服现有的技术不足，提出一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，包括如下步骤：
步骤1：给定
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 304199DEST_PATH_IMAGE002
两自由度悬浮系统的参考位移分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 878400DEST_PATH_IMAGE004
，将其分别与位移传感器测量值作差，再经过控制器处理得到
Figure 500005DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 323605DEST_PATH_IMAGE002
自由度的参考悬浮力分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 790489DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤2：参考悬浮力
Figure 15934DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 805511DEST_PATH_IMAGE006
根据悬浮力分配准则分别作为宽支承系统悬浮力给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 585248DEST_PATH_IMAGE008
和单绕组系统悬浮力给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 918141DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤3：宽支承系统悬浮力控制采用直接悬浮力控制策略，将宽支承系统悬浮电流实际测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 139038DEST_PATH_IMAGE012
，与转子位置角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013
经由悬浮力双约束模型转换为对应悬浮力，与给定悬浮力比较产生宽支承系统控制信号，实现宽支承系统稳定悬浮。
优选的是，本发明的控制方法，当外界扰动没有超出宽支承系统能够提供的最大悬浮力时，对宽支承系统进行悬浮力控制，对单绕组系统进行转矩控制；此时单绕组系统悬浮力给定值
Figure 836866DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 369479DEST_PATH_IMAGE010
为零。
优选的是，本发明的控制方法，当外界扰动超出宽支承系统能够提供的最大悬浮力时，
Figure 506062DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 581465DEST_PATH_IMAGE010
数值不再为零，将其作为单绕组系统给定悬浮力，形成单绕组系统悬浮力控制系统，输出补偿悬浮力拓宽混合单绕组磁悬浮开关磁阻电机悬浮力输出范围。
优选的是，本发明的控制方法，当单绕组系统同时提供转矩和补偿悬浮力时，其转矩控制采用恒电流-恒导通宽度控制，将参考转速与实际测量转速对比产生的转速误差通过控制器获得恒定转矩电流分量，建立如下数值关系：
Figure 371567DEST_PATH_IMAGE014
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为单绕组系统的超前角，
Figure 529491DEST_PATH_IMAGE016
为单绕组系统的开通角，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为单绕组系统的关断角。
优选的是，本发明的控制方法，当单绕组系统同时提供转矩和补偿悬浮力时，单绕组转矩电流分量与单绕组系统悬浮电流分量叠加，通过与4-U单绕组检测电流对比得到单绕组系统开关信号。
本发明提供了一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，此控制方法协调转矩系统和两个自由度悬浮系统，使电机稳定运行。每个悬浮系统进一步包括了单绕组系统悬浮力和宽支承系统悬浮力。宽支承系统采用直接悬浮力控制，实现稳定悬浮。当单绕组系统提供悬浮力时，单绕组系统转矩采用磁悬浮开关磁阻电机经典的恒电流-恒导通宽度控制，完成单绕组系统转矩/悬浮控制。该控制方法使电机具备宽支承系统独立抗扰以及单绕组系统协调宽支承系统完成共同抗扰的灵活支承方式，可以在实际运行时依据系统的综合性能需求，动态实时调整支承方式。当外界扰动超出宽支承系统悬浮力输出范围时，单绕组系统运行于转矩/悬浮模式，提供悬浮力以协调宽支承系统，进行悬浮力补偿，使悬浮系统稳定运行，有效拓宽了悬浮力输出范围，提高了电机转子悬浮精度。
本发明的控制方法，可实现电机宽支承系统独立抗扰以及与单绕组系统协调宽支承系统共同抗扰。当外界扰动超出宽支承系统悬浮力输出范围时，单绕组系统转矩-悬浮功率转换，通过协调宽支承系统进行悬浮力补偿，有效拓宽悬浮力输出范围，且悬浮力值几乎不受转矩电流影响，实现宽支承系统稳定悬浮。
附图说明
图1是一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种混合单绕组磁悬浮开关磁阻电机悬浮力的协调控制方法进行说明。
一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，包括如下步骤：
步骤1：给定
Figure 141869DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 196413DEST_PATH_IMAGE002
两自由度悬浮系统的参考位移分别为
Figure 501624DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 274407DEST_PATH_IMAGE004
，将其分别与位移传感器测量值测量得到的实时位移
Figure 18373DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure DEST_PATH_IMAGE019
分别作差，再经过控制器处理得到
Figure 333947DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 341218DEST_PATH_IMAGE002
自由度的参考悬浮力分别为
Figure 335718DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 86637DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤2：参考悬浮力
Figure 115773DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 25435DEST_PATH_IMAGE006
根据悬浮力分配准则分别作为宽支承系统悬浮力给定值
Figure 772811DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 61841DEST_PATH_IMAGE008
和单绕组系统悬浮力给定值
Figure 148746DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 28978DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤3：宽支承系统悬浮力控制采用直接悬浮力控制策略，将宽支承系统悬浮电流实际测量值
Figure 201333DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 90791DEST_PATH_IMAGE012
，与转子位置角度
Figure 828940DEST_PATH_IMAGE013
经由悬浮力双约束模型转换为对应悬浮力，与给定悬浮力比较产生宽支承系统控制信号，实现宽支承系统稳定悬浮。
设定宽支承系统在
Figure 348915DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 805304DEST_PATH_IMAGE002
自由度的最大悬浮力分别为
Figure 436136DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，当外界扰动力没有超过宽支承最大悬浮力时，由宽支承系统独立提供二自由度悬浮力。此时悬浮力分配模块只输出
Figure 700895DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 516405DEST_PATH_IMAGE008
，且
Figure 69877DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，单绕组系统悬浮力给定值
Figure 56067DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，此时单绕组系统将工作于转矩模式。
当外界扰动超出宽支承最大悬浮力时，悬浮力分配模块同时输出
Figure 175332DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 161743DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 468091DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 565360DEST_PATH_IMAGE010
。此时
Figure 7973DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 165285DEST_PATH_IMAGE008
输出值等于宽支承系统的最大悬浮力，即
Figure 693350DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
。扰动力与宽支承系统的最大悬浮力之间的差值将作为
Figure 328730DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 688168DEST_PATH_IMAGE010
的值输出，即
Figure 219643DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，此时单绕组系统将工作于转矩/悬浮模式。单绕组系统提供的悬浮力拓宽了电机的悬浮力输出范围，共同产生两自由度悬浮力。
当单绕组系统同时提供转矩和补偿悬浮力时，其转矩控制采用恒电流-恒导通宽度控制，将参考转速与实际测量转速对比产生的转速误差通过控制器获得恒定转矩电流分量，建立如下数值关系：
Figure 438266DEST_PATH_IMAGE014
其中：
Figure 80600DEST_PATH_IMAGE015
为单绕组系统的超前角，
Figure 622440DEST_PATH_IMAGE016
为单绕组系统的开通角，
Figure 790728DEST_PATH_IMAGE017
为单绕组系统的关断角。
当单绕组系统同时提供转矩和补偿悬浮力时，单绕组转矩电流分量与单绕组系统悬浮电流分量叠加，通过与4-U单绕组检测电流对比得到单绕组系统开关信号。
图1为一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法的系统框图，其中包括了单绕组系统和宽支承系统。其中宽支承系统可产生二自由度悬浮力，单绕组系统在产生转矩的同时还可拓宽配合宽支承系统的二自由度悬浮力。
给给定
Figure 293385DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 536147DEST_PATH_IMAGE002
两自由度悬浮系统的参考位移分别为
Figure 73439DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 743455DEST_PATH_IMAGE004
，将其分别与
Figure 467828DEST_PATH_IMAGE001
自由度和
Figure 514282DEST_PATH_IMAGE002
自由度位移传感器测量得到的实时位移值作差，将差值分别作为
Figure 906080DEST_PATH_IMAGE001
自由度和
Figure 746997DEST_PATH_IMAGE002
自由度控制器（一般采用PID控制器或滑模控制器）的输入，经由控制器处理可得到控制器输出分别为
Figure 958667DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 543232DEST_PATH_IMAGE002
自由度的参考悬浮力
Figure 789536DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 801355DEST_PATH_IMAGE006
，同时作为悬浮力分配模块的输入。当扰动未超过宽支撑的最大悬浮力时，悬浮力分配为
Figure 765900DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 888577DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 252037DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 434757DEST_PATH_IMAGE025
；当扰动超过宽支撑最大悬浮力时，悬浮力分配为
Figure 621019DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 547386DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 768283DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 121904DEST_PATH_IMAGE029
。
宽支承系统悬浮力控制采用直接悬浮力控制策略，
Figure 795462DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 525521DEST_PATH_IMAGE012
为宽支承系统悬浮电流实际测量值，与转子位置角度
Figure 600924DEST_PATH_IMAGE013
和实时位移
Figure 125446DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 286300DEST_PATH_IMAGE019
作为双约束模型的输入，悬浮力双约束模型将其分别转换为
Figure 820050DEST_PATH_IMAGE001
自由度和
Figure 749960DEST_PATH_IMAGE002
自由度的实时悬浮力
Figure 445383DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，与给定悬浮力
Figure 624692DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 568990DEST_PATH_IMAGE008
作差。采用滞环控制的方式建立滞环模块，
Figure 478040DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 485310DEST_PATH_IMAGE008
的差值通过滞环模块的输入，输出为PWM控制信号，进而控制宽支撑系统的电力变换器进而控制宽支撑系统的悬浮电流，实现宽支承系统稳定悬浮。
悬浮力双约束模型的具体形式如下：
Figure 479811DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 761888DEST_PATH_IMAGE034
分别为宽支承系统
Figure 400811DEST_PATH_IMAGE001
自由度和
Figure 703616DEST_PATH_IMAGE002
自由度的电流刚度系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 591938DEST_PATH_IMAGE036
分别为宽支承系统
Figure 880968DEST_PATH_IMAGE001
自由度和
Figure 764610DEST_PATH_IMAGE002
自由度的位移刚度系数。 依据此公式可得到
Figure 113683DEST_PATH_IMAGE001
自由度和
Figure 82776DEST_PATH_IMAGE002
自由度的实时悬浮力。
当单绕组系统协调宽支承系统提供悬浮力时，单绕组系统转矩采用磁悬浮开关磁阻电机经典的恒电流-恒导通宽度控制，将参考转速
Figure DEST_PATH_IMAGE037
与实际测量转速
Figure 706655DEST_PATH_IMAGE038
作差，差值作为控制器输入，经由控制器输出的等效转矩电流
Figure DEST_PATH_IMAGE039
作为单绕组系统的输入。实现恒电流-恒导通时需建立以下关系式：
混合单绕组磁悬浮开关磁阻电机转子具有14个凸极，因此每相等效转矩电流导通宽度为
Figure 848399DEST_PATH_IMAGE040
。超前角
Figure 368373DEST_PATH_IMAGE015
为电流导通区间中点与定转子对齐位置的角度差，转子对齐位置定义为0°。通过调整
Figure 824762DEST_PATH_IMAGE015
即可调整
Figure 455595DEST_PATH_IMAGE016
值和
Figure 313830DEST_PATH_IMAGE017
值(但两者差值始终恒定)，进而实现转矩控制。
Figure 739126DEST_PATH_IMAGE015
值由给定转速与实时转速的误差经控制器调节获得，其与开通角和关断角数值关系如下：
Figure 682811DEST_PATH_IMAGE014
（1）
其中：
Figure 117335DEST_PATH_IMAGE015
为单绕组系统的超前角，
Figure 830076DEST_PATH_IMAGE016
为单绕组系统的开通角，
Figure 691852DEST_PATH_IMAGE017
为单绕组系统的关断角。
基于传统单绕组磁悬浮开关磁阻电机悬浮力建模方法，建立单绕组系统的悬浮力数学模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
（2）
其中，
Figure 263779DEST_PATH_IMAGE042
为
Figure 361048DEST_PATH_IMAGE001
自由度的悬浮力，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为
Figure 600400DEST_PATH_IMAGE002
自由度的悬浮力，
Figure 630148DEST_PATH_IMAGE013
为转子位置角度，
Figure 282846DEST_PATH_IMAGE039
为等效转矩电流，
Figure 59172DEST_PATH_IMAGE044
为
Figure 746506DEST_PATH_IMAGE001
自由度等效差磁电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为
Figure 684506DEST_PATH_IMAGE002
自由度等效差磁电流，
Figure 496604DEST_PATH_IMAGE046
为单绕组系统
Figure 138938DEST_PATH_IMAGE001
自由度悬浮力刚度系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为单绕组系统
Figure 87302DEST_PATH_IMAGE002
自由度悬浮力刚度系数。
等效转矩电流和等效差磁电流与4-U型单绕组实际控制电流之间的关系如下：
Figure 586417DEST_PATH_IMAGE048
（3）
由式（2）和式（3）可获得单绕组系统控制电流值
Figure DEST_PATH_IMAGE049
。其中，
Figure 620232DEST_PATH_IMAGE050
为单绕组系统
Figure 738361DEST_PATH_IMAGE001
自由度两端电流值，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为单绕组系统
Figure 541232DEST_PATH_IMAGE002
自由度两端电流值。
Figure 211247DEST_PATH_IMAGE049
通过与4-U单绕组检测电流对比得到开关信号，完成单绕组系统转矩/悬浮控制。

Claims (5)

1.一种混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：给定
Figure 325004DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 413046DEST_PATH_IMAGE004
两自由度悬浮系统的参考位移分别为
Figure 211237DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 692029DEST_PATH_IMAGE008
，将其分别与位移传感器测量值作差，再经过控制器处理得到
Figure 892066DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 416588DEST_PATH_IMAGE004
自由度的参考悬浮力分别为
Figure 249546DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 517716DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤2：参考悬浮力
Figure 572260DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 533263DEST_PATH_IMAGE012
根据悬浮力分配准则分别作为宽支承系统悬浮力给定值
Figure 53849DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 860131DEST_PATH_IMAGE016
和单绕组系统悬浮力给定值
Figure 769181DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 635506DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤3：宽支承系统悬浮力控制采用直接悬浮力控制策略，将宽支承系统悬浮电流实际测量值
Figure 646319DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 521871DEST_PATH_IMAGE024
，与转子位置角度
Figure 285428DEST_PATH_IMAGE026
经由悬浮力双约束模型转换为对应悬浮力，与给定悬浮力比较产生宽支承系统控制信号，实现宽支承系统稳定悬浮。
2.根据权利要求1所述的混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，其特征在于，当外界扰动没有超出宽支承系统能够提供的最大悬浮力时，对宽支承系统进行悬浮力控制，对单绕组系统进行转矩控制；此时单绕组系统悬浮力给定值
Figure 588233DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 820762DEST_PATH_IMAGE020
为零。
3.根据权利要求1所述的混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，其特征在于，当外界扰动超出宽支承系统能够提供的最大悬浮力时，
Figure 234426DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 118068DEST_PATH_IMAGE020
数值不再为零，将其作为单绕组系统给定悬浮力，形成单绕组系统悬浮力控制系统，输出补偿悬浮力拓宽混合单绕组磁悬浮开关磁阻电机悬浮力输出范围。
4.根据权利要求1所述的混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，其特征在于，当单绕组系统同时提供转矩和补偿悬浮力时，其转矩控制采用恒电流-恒导通宽度控制，将参考转速与实际测量转速对比产生的转速误差通过控制器获得恒定转矩电流分量，建立如下数值关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为单绕组系统的超前角，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为单绕组系统的开通角，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为单绕组系统的关断角。
5.根据权利要求1所述的混合单绕组磁悬浮电机的悬浮力控制方法，其特征在于，当单绕组系统同时提供转矩和补偿悬浮力时，单绕组转矩电流分量与单绕组系统悬浮电流分量叠加，通过与4-U单绕组检测电流对比得到单绕组系统开关信号。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106655955A (zh) * 2016-11-25 2017-05-10 南京邮电大学 一种复合转子单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法
CN108494198A (zh) * 2018-03-29 2018-09-04 南京邮电大学 一种单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法
CN112953045A (zh) * 2021-02-07 2021-06-11 南京工程学院 一种径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机

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Title
YUNHONG ZHOU等: ""Principles and Implementation of a Novel Radial-Anti-Disturbance Bearingless Switched Reluctance Motor"", 《IEEE ACCESS》 *
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