一种12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机的直接转矩与直接悬浮力控制方法

摘要

本发明单绕组无轴承开关磁阻电机的直接转矩与直接悬浮力控制方法将电机的合成磁链幅值控制为定值，通过控制合成磁链相位旋转达到对电磁转矩直接控制；通过控制转子位置角位于区间[-7.5°，7.5°]内的一相四个绕组磁链不平衡达到对径向悬浮力直接控制。首先根据磁链相位所在区域、磁链幅值滞环信号及转矩滞环信号，从基本电压符号组合表中选择出合适基本电压符号组合，然后选取转子位置角在区间[-7.5°，7.5°]内的一相，依据所选基本电压符号组合中该相所对应的电压符号，对四个绕组进行不平衡励磁。其余两相各自四个绕组电压符号直接给定为所选基本电压符号组合中该两相所对应的电压符号。最后根据12个绕组所给定的电压符号施加各绕组主电路功率开关管的开关信号。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机的直接转矩与直接悬浮力控制 方法，属于无轴承开关磁阻电机的控制方法领域。

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。双绕组无轴承开关磁 阻电机是在原来普通开关磁阻电机的定子上额外的增加一套悬浮绕组，通过合理的控制 这两套绕组的电流，使其电机具有自悬浮的功能，以便实现高速运行；而单绕组无轴承 开关磁阻电机在结构上与普通开关磁阻电机类似，区别在于每个定子齿上的绕组均相互 独立，通过合理地独立控制每个绕组的电流，实现电机的自悬浮功能和高速旋转。

无论双绕组无轴承开关磁阻电机还是单绕组无轴承开关磁阻电机，转矩与悬浮力之 间都存在着强耦合的关系，通过建立数学模型和设计相应的控制策略，来实现其旋转和 悬浮。对于具体的转矩和悬浮力控制方法，目前均采用电流跟踪斩波控制。控制策略过 多地依赖于精确数学模型和复杂的电机参数，使得控制系统过于复杂，且动态响应速度 较慢，转矩和悬浮力脉动较大，限制了无轴承电机的高速运行性能。

发明内容：

本发明提供一种12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机的直接转矩与直接悬浮力控制 方法，通过对转矩和悬浮力的直接控制，以期降低转矩脉动和悬浮力脉动，从而提高系 统的控制精度和响应速度。

本发明采用如下技术方案：一种12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机的直接转矩与直 接悬浮力控制方法，所述12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机为3相12/8极单绕组无轴 承开关磁阻电机，其由12个齿极的定子和8个齿极的转子组成，包括由A1-A4四个绕 组组成的A相，由B1-B4四个绕组组成的B相，由C1-C4四个绕组组成的C相，每相 的四个绕组独立控制，所述控制方法包括

1）A相磁链由A相的四个绕组匝得的磁链合成：

ψ_A=ψ_A1+ψ_A2+ψ_A3+ψ_A4      （1）

同理可得B相和C相的磁链；

2）在空间坐标系中，将角度互差120°的三相磁链合成变换到αβ坐标系上，在αβ 坐标系下，求得合成磁链的幅值和相位：

ψ_α＝ψ_A-ψ_Bcos60°-ψ_Ccos60°      （2）

ψ_β＝ψ_Bsin60°-ψ_Csin60°      （3）

${\psi }_s=\sqrt{{\psi }_{\alpha }^2+{\psi }_{\beta }^2}---\left(4\right)$

$\delta =\arctan 2\left(\frac{{\psi }_{\beta }}{{\psi }_{\alpha }}\right)---\left(5\right)$

3）将合成磁链的幅值控制为定值，控制合成磁链相位的旋转达到对转矩的直接控 制；对悬浮力系数较大的一相的四个绕组不平衡励磁达到对悬浮力的直接控制，即根据 悬浮力滞环信号和转子位置角，选取转子位置角在区间[-7.5°，7.5°]内的一相，给这一 相的四个绕组施加不平衡电压，使得四个绕组匝得的磁链不平衡，进而达到对悬浮力直 接控制。

所述3）中首先根据磁链相位所在区域、磁链幅值滞环信号及转矩滞环信号，从基 本电压符号组合表中选出合适的基本电压符号组合，然后选取转子位置角在区间[-7.5°， 7.5°]内的一相，依据所选取的基本电压符号组合中该相所对应的电压符号，对四个绕组 进行不平衡励磁，其余两相的各自四个绕组电压符号直接给定为所选取基本电压符号组 合中该两相所对应的电压符号。

本发明提出的单绕组无轴承开关磁阻电机的直接转矩与直接悬浮力控制方法的主 要优点在于：

（1）实现了转矩和悬浮力的直接控制，减小了转矩和悬浮力脉动，提高了控制精 度，电机悬浮性能好；

（2）控制方法简单，实现了转矩和悬浮力的解耦控制，且不过多的依赖于精确的 数学模型。

附图说明：

图1是本发明的控制对象，三相12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机的结构示意图， 其中A相由A1-A4四个绕组组成，B相由B1-B4四个绕组组成，C相由C1-C4四个绕 组组成，各个绕组独立控制。

图2是磁链矢量图，将A相磁链轴线与α轴线对齐。

图3是基本电压符号组合示意图，k代表磁链的6个区域，S₁-S₆为基本电压符号 组合，其括号内第一项为A相的基本电压符号，第二项为B相的基本电压符号，第三项 为C相的基本电压符号。

具体实施方式：

请参照图1所示，本发明12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机为传统的3相12/8极 单绕组无轴承开关磁阻电机，其由12个齿极的定子和8个齿极的转子组成，每相的四 个绕组独立控制。其中A相由A1-A4四个绕组组成，B相由B1-B4四个绕组组成，C 相由C1-C4四个绕组组成，各个绕组独立控制。

A相磁链由其四个绕组匝得的磁链合成：

ψ_A=ψ_A1+ψ_A2+ψ_A3+ψ_A4      （1）

同理可得知B相和C相的磁链。

请参照图2和图3所示，在空间坐标系中，将角度互差120°的三相磁链合成变换到 αβ坐标系上，在αβ坐标系下，求得合成磁链的幅值和相位：

ψ_α＝ψ_A-ψ_Bcos60°-ψ_Ccos60°      （2）

ψ_β＝ψ_Bsin60°-ψ_Csin60°      （3）

${\psi }_s=\sqrt{{\psi }_{\alpha }^2+{\psi }_{\beta }^2}---\left(4\right)$

$\delta =\arctan 2\left(\frac{{\psi }_{\beta }}{{\psi }_{\alpha }}\right)---\left(5\right)$

将合成磁链的幅值控制为定值，控制合成磁链相位的旋转达到对转矩直接控制的目 的。即选择相位超前于当前磁链相位的电压符号组合可以使得转矩增大，选择相位滞后 于当前磁链相位的电压符号组合可以使得转矩减小。首先根据下表判断磁链相位所在区 域k：

δ 0°＜δ≤60° 60°＜δ≤120° 120°＜δ≤180° -180°＜δ≤-120° -120°＜δ≤-60° -60°＜δ≤0° k 1 2 3 4 5 6

根据相位所在区域k，综合考虑转矩滞环信号和磁链幅值滞环信号，选择合适的基本电 压符号组合，将磁链幅值控制在滞环内，同时满足转矩的要求。若磁链相位所在区域用 k表示，则基本电压符号组合的选择表可表示为：

注：以第一列为例，当需要转矩和磁链幅值同时增大时若当前磁链相位所在 区域为k，则选择第k+1个电压符号组合。

根据悬浮力滞环信号和转子位置角，选取悬浮力系数较大的一相，即转子位置角在 区间[-7.5°，7.5°]内的一相，依据所选取的基本电压符号组合中该相所对应的电压符号， 对该相的四个绕组进行不平衡励磁。进而产生满足要求的悬浮力。其余两相的各自四个 绕组电压符号直接给定为所选取基本电压符号组合中该两相所对应的电压符号。例如， 若A相转子位置角处于区间[-7.5°，7.5°]内，其不平衡励磁方式为：控制A1绕组电压 大于A3绕组电压即可产生Aα方向悬浮力，控制A2绕组电压大于A4绕组电压即可产 生Aβ方向的悬浮力，A相不平衡电压符号表为：

注：*代表任意滞环信号。

同样地，B相和C相的不平衡电压符号表可以类似得到。

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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。