一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法与流程
本发明涉及一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机及其控制技术领域。
背景技术：
磁悬浮开关磁阻电机，不仅具有磁轴承无摩擦、无润滑等优点，还继承了开关磁阻电机的高速适应性和满足苛刻工作环境等特点，在航空航天、飞轮储能和军事等场合具有独特优势。
磁悬浮开关磁阻电机通常由五自由度磁轴承和开关磁阻电机构成，传统永磁偏置式磁轴承需要较大的止推盘，其将导致较大涡流损耗和温升问题；而传统锥形电励磁磁轴承则有较多的控制对象，且轴向悬浮力与控制绕组电流的平方相关，不利于系统的简化和可靠性。悬浮力之间存在强耦合，也增加了悬浮系统的控制难度，同时悬浮控制的精度也随之降低。
另外，传统磁悬浮开关磁阻电机系统中的电机与磁轴承控制系统之间独立，集成度不高。因此，磁轴承系统与开关磁阻电机系统间的有效集成，不仅可提高磁悬浮系统的集成度，还有助于提升机电能量转换效率。
为此，发展集成度高、控制简单、功率变换器成本低、且悬浮力间相互解耦、以及转矩与悬浮力间可解耦控制的五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统，是目前该领域的研究热点之一。
技术实现要素：
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法。所述悬浮转子系统是一种悬浮力相互解耦、悬浮力和转矩可解耦控制、及悬浮控制对象较少的新型五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统；所述控制方法可独立控制电枢绕组电流和悬浮绕组电流，旋转和悬浮系统间相互解耦，彼此影响弱；由于磁轴承偏置绕组仅通过四个二极管串联在三相电枢绕组不对称半桥功率变换器中的直流母线中，无需单独控制，不需要额外的开关管，功率变换器集成度高，且成本较低；另外由于四个二极管对偏置绕组的稳压作用，使得偏置电流基本为恒值，便于悬浮电流的跟踪与控制；还有，五自由度悬浮控制类似磁悬浮轴承，采用恒导通控制策略，并且仅需控制五个方向悬浮绕组电流，即可产生所需的五个方向悬浮力，控制变量少，悬浮力与悬浮绕组电流呈正比关系，悬浮控制简单。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统，包括锥形磁轴承ⅰ、径向磁轴承ⅰ、开关磁阻电机、径向磁轴承ⅱ和锥形磁轴承ⅱ；所述锥形磁轴承ⅰ和径向磁轴承ⅰ布置在开关磁阻电机一侧，而径向磁轴承ⅱ和锥形磁轴承ⅱ布置开关磁阻电机另一侧；
所述锥形磁轴承ⅰ由锥形定子ⅰ、锥形转子ⅰ、轴向偏置线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅰ构成；
所述锥形磁轴承ⅱ由锥形定子ⅱ、锥形转子ⅱ、轴向偏置线圈ⅱ和轴向悬浮线圈ⅱ构成；
所述径向磁轴承ⅰ由径向定子ⅰ、径向转子ⅰ、径向偏置线圈ⅰ和径向悬浮线圈ⅰ构成；
所述径向磁轴承ⅱ由径向定子ⅱ、径向转子ⅱ、径向偏置线圈ⅱ和径向悬浮线圈ⅱ构成；
所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈构成；
所述锥形转子ⅰ布置在锥形定子ⅰ内，径向转子ⅰ布置在径向定子ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，径向转子ⅱ布置在径向定子ⅱ内，锥形转子ⅱ布置在锥形定子ⅱ内；所述锥形转子ⅰ、径向转子ⅰ、磁阻电机转子、径向转子ⅱ和锥形转子ⅱ套在转轴上；所述锥形定子ⅰ、径向定子ⅰ、磁阻电机定子、径向定子ⅱ和锥形定子ⅱ串联布置，且之间均存在间隙；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数有12/8、6/4、8/6三种组合形式；其中磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为12/8和6/4时，开关磁阻电机的相数m为3，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机的相数m为4；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用12/8组合，即所述磁阻电机定子齿数为12、磁阻电机转子齿数为8、电机相数m为3时，每4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列、或串并结合的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子齿数为6、磁阻电机转子齿数为4、电机相数m为3时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子齿数为8、磁阻电机转子齿数为6、电机相数m为4时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成4个电枢绕组；
所述锥形定子ⅰ和锥形定子ⅱ均为锥形凸极结构，二者的定子齿数为4，所述锥形转子ⅰ和锥形转子ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子ⅰ、锥形定子ⅱ、锥形转子ⅰ和锥形转子ⅱ的锥形角相等；锥形定子ⅰ和锥形转子ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子ⅱ和锥形转子ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子ⅰ和锥形转子ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子ⅱ和锥形转子ⅱ的锥形角开口方向相反；
所述径向定子ⅰ和径向定子ⅱ均为凸极结构，二者的定子齿数为4，所述径向定子ⅰ的4个定子齿和径向定子ⅱ的4个定子齿对齐；所述径向转子ⅰ和径向转子ⅱ均为圆柱结构；
所述锥形定子ⅰ的每个定子齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ和1个轴向偏置线圈ⅰ，共4个轴向悬浮线圈ⅰ和4个轴向偏置线圈ⅰ；
所述锥形定子ⅱ的每个定子齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ和1个轴向偏置线圈ⅱ，共4个轴向悬浮线圈ⅱ和4个轴向偏置线圈ⅱ；
所述径向定子ⅰ的每个定子齿上绕有1个径向悬浮线圈ⅰ和1个径向偏置线圈ⅰ，共4个径向悬浮线圈ⅰ和4个径向偏置线圈ⅰ；
所述径向定子ⅱ的每个定子齿上绕有1个径向悬浮线圈ⅱ和1个径向偏置线圈ⅱ，共4个径向悬浮线圈ⅱ和4个径向偏置线圈ⅱ；
所述径向定子ⅰ的径向悬浮线圈ⅰ连接方式为：在水平方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组ⅰ；在竖直方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组ⅰ；
所述径向定子ⅱ的径向悬浮线圈ⅱ连接方式为：在水平方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组ⅱ；在竖直方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组ⅱ；
所述4个轴向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个轴向悬浮线圈串ⅰ；所述4个轴向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个轴向悬浮线圈串ⅱ；所述1个轴向悬浮线圈串ⅰ和1个轴向悬浮线圈串ⅱ串联，构成1个轴向悬浮绕组；
所述4个轴向偏置线圈ⅰ串联，构成1个轴向偏置线圈串ⅰ，所述4个轴向偏置线圈ⅱ串联，构成1个轴向偏置线圈串ⅱ；所述4个径向偏置线圈ⅰ串联，构成1个径向偏置线圈串ⅰ，所述4个径向偏置线圈ⅱ串联，构成1个径向偏置线圈串ⅱ；
所述1个轴向偏置线圈串ⅰ、1个径向偏置线圈串ⅰ、1个轴向偏置线圈串ⅱ和1个径向偏置线圈串ⅱ串联，构成1个偏置绕组。
所述五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统包括一个开关磁阻磁阻电机、两个径向磁轴承和两个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个径向磁轴承产生4个径向悬浮力，两个锥形磁轴承产生轴向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述磁悬浮系统的绕组由m相电枢绕组、1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和1个轴向悬浮绕组构成，所述1个偏置绕组串联到m相电枢绕组的不对称半桥功率变换器的直流母线中，并经四个二极管使所述偏置绕组的电流方向始终与m相电枢绕组电流方向相同；独立控制m相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立控制5个悬浮绕组电流，实现五自由度悬浮调节；包括如下步骤：
步骤a，获取给定电枢绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：
步骤a-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；
步骤a-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω*相减，得到转速差δω；
步骤a-3，当ω≤ω0时，ω0为临界速度设定值，其由电机实际工况确定；所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得电枢绕组电流参考值im*；开通角θon和关断角θoff固定不变，θon和θoff取值由电机结构形式决定；
步骤a-4，当ω＞ω0时，所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得开通角θon和关断角θoff，电枢绕组电流不控制；
步骤b，获取径向磁轴承ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤b-1，获取径向转子ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α1和β1，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；
步骤b-2，将实时位移信号α1和β1分别与给定的参考位移信号α1*和β1*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差δα1和δβ1，将所述实时位移信号差δα1和δβ1经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮力
步骤c，获取径向磁轴承ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤c-1，获取径向转子ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α2和β2；
步骤c-2，将实时位移信号α2和β2分别与给定的参考位移信号α2*和β2*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差δα2和δβ2，将所述实时位移信号差δα2和δβ2经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮力
步骤d，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤d-1，获取转子z轴方向的实时位移信号zz，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；
步骤d-2，将实时位移信号zz与给定的参考位移信号zz*相减，得到z轴方向的实时位移信号差δzz，将所述实时位移信号差δzz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力
步骤e，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤e-1，采集实时的偏置绕组电流ibias，根据所述悬浮力
步骤e-2，根据所述悬浮力
步骤e-3，根据所述悬浮力
步骤e-4，利用电流斩波控制方法，用径向磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向悬绕组电流参考值
用径向磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流ix2跟踪该方向悬绕组电流参考值
用z轴方向悬浮绕组实际电流iz跟踪该方向悬绕组电流参考值
步骤f，调节转矩；具体步骤如下：
步骤f-1，当ω≤ω0时，利用电流斩波控制方法，以电枢绕组的实际电流im跟踪电枢绕组电流参考值im*，进而实时调节电枢绕组电流im，进而达到调节转矩的目的；
步骤f-2，当ω＞ω0时，利用角度位置控制方法，调节开通角θon和关断角θoff的取值，从而实时调节转矩。
本发明的有益效果：本发明提出了一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：
(1)可实现五自由度悬浮运行，悬浮力间相互解耦，悬浮力和转矩解耦，高速悬浮性能好；
(2)偏置绕组通过仅利用四个二极管，实现其电流恒为正值，且电流值基本恒定，功率变换器集成度高，成本低；
(3)只需控制五个悬浮绕组电流，不需要为悬浮运行而单独控制电枢绕组或偏置绕组电流，便可产生五个方向所需悬浮力，控制简单；
(4)轴向和径向悬浮磁路隔离，磁轴承磁路与磁阻电机磁路也隔离，磁路耦合性弱，容错性能好。
附图说明
图1是本发明五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统实施例的三维结构示意图。
图2是本发明实施例的功率变换器示意图。
图3是本发明实施例的三相电枢电流和偏置电流的仿真图。
图4是本发明五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统实施例的控制方法的系统框图。
图5是本发明五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统实施例的控制方法中悬浮绕组电流计算方法框图。
附图标记说明：图1至图5中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁阻电机线圈，4是径向定子，5是径向转子，6是径向偏置线圈，7是径向悬浮线圈，8是锥形定子，9是锥形转子，10是轴向偏置线圈，11是轴向悬浮线圈，12是转轴，13是开关磁阻电机，14是径向磁轴承ⅰ，15是锥形磁轴承ⅰ，16是径向磁轴承ⅱ，17是锥形磁轴承ⅱ，18、19、20分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，21、22、23分别是开关磁阻电机a、b、c相电枢绕组电流的仿真波形，24是偏置绕组电流的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是本发明五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统实施例的三维结构示意图，其中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁阻电机线圈，4是径向定子，5是径向转子，6是径向偏置线圈，7是径向悬浮线圈，8是锥形定子，9是锥形转子，10是轴向偏置绕组，11是轴向悬浮线圈，12是转轴，13是开关磁阻电机，14是径向磁轴承ⅰ，15是锥形磁轴承ⅰ，16是径向磁轴承ⅱ，17是锥形磁轴承ⅱ，18、19、20分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。
一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统，包括锥形磁轴承ⅰ、径向磁轴承ⅰ、开关磁阻电机、径向磁轴承ⅱ和锥形磁轴承ⅱ；所述锥形磁轴承ⅰ和径向磁轴承ⅰ布置在开关磁阻电机一侧，而径向磁轴承ⅱ和锥形磁轴承ⅱ布置开关磁阻电机另一侧；
所述锥形磁轴承ⅰ由锥形定子ⅰ、锥形转子ⅰ、轴向偏置线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅰ构成；
所述锥形磁轴承ⅱ由锥形定子ⅱ、锥形转子ⅱ、轴向偏置线圈ⅱ和轴向悬浮线圈ⅱ构成；
所述径向磁轴承ⅰ由径向定子ⅰ、径向转子ⅰ、径向偏置线圈ⅰ和径向悬浮线圈ⅰ构成；
所述径向磁轴承ⅱ由径向定子ⅱ、径向转子ⅱ、径向偏置线圈ⅱ和径向悬浮线圈ⅱ构成；
所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈构成；
所述锥形转子ⅰ布置在锥形定子ⅰ内，径向转子ⅰ布置在径向定子ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，径向转子ⅱ布置在径向定子ⅱ内，锥形转子ⅱ布置在锥形定子ⅱ内；所述锥形转子ⅰ、径向转子ⅰ、磁阻电机转子、径向转子ⅱ和锥形转子ⅱ套在转轴上；所述锥形定子ⅰ、径向定子ⅰ、磁阻电机定子、径向定子ⅱ和锥形定子ⅱ串联布置，且之间均存在间隙；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数有12/8、6/4、8/6三种组合形式；其中磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为12/8和6/4时，开关磁阻电机的相数m为3，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机的相数m为4；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用12/8组合，即所述磁阻电机定子齿数为12、磁阻电机转子齿数为8、电机相数m为3时，每4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列、或串并结合的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子齿数为6、磁阻电机转子齿数为4、电机相数m为3时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子齿数为8、磁阻电机转子齿数为6、电机相数m为4时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成4个电枢绕组；
所述锥形定子ⅰ和锥形定子ⅱ均为锥形凸极结构，二者的定子齿数为4，所述锥形转子ⅰ和锥形转子ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子ⅰ、锥形定子ⅱ、锥形转子ⅰ和锥形转子ⅱ的锥形角相等；锥形定子ⅰ和锥形转子ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子ⅱ和锥形转子ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子ⅰ和锥形转子ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子ⅱ和锥形转子ⅱ的锥形角开口方向相反；
所述径向定子ⅰ和径向定子ⅱ均为凸极结构，二者的定子齿数为4，所述径向定子ⅰ的4个定子齿和径向定子ⅱ的4个定子齿对齐；所述径向转子ⅰ和径向转子ⅱ均为圆柱结构；
所述锥形定子ⅰ的每个定子齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ和1个轴向偏置线圈ⅰ，共4个轴向悬浮线圈ⅰ和4个轴向偏置线圈ⅰ；
所述锥形定子ⅱ的每个定子齿上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ和1个轴向偏置线圈ⅱ，共4个轴向悬浮线圈ⅱ和4个轴向偏置线圈ⅱ；
所述径向定子ⅰ的每个定子齿上绕有1个径向悬浮线圈ⅰ和1个径向偏置线圈ⅰ，共4个径向悬浮线圈ⅰ和4个径向偏置线圈ⅰ；
所述径向定子ⅱ的每个定子齿上绕有1个径向悬浮线圈ⅱ和1个径向偏置线圈ⅱ，共4个径向悬浮线圈ⅱ和4个径向偏置线圈ⅱ；
所述径向定子ⅰ的径向悬浮线圈ⅰ连接方式为：在水平方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组ⅰ；在竖直方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组ⅰ；
所述径向定子ⅱ的径向悬浮线圈ⅱ连接方式为：在水平方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组ⅱ；在竖直方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组ⅱ；
所述4个轴向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个轴向悬浮线圈串ⅰ；所述4个轴向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个轴向悬浮线圈串ⅱ；所述1个轴向悬浮线圈串ⅰ和1个轴向悬浮线圈串ⅱ串联，构成1个轴向悬浮绕组；
所述4个轴向偏置线圈ⅰ串联，构成1个轴向偏置线圈串ⅰ，所述4个轴向偏置线圈ⅱ串联，构成1个轴向偏置线圈串ⅱ；所述4个径向偏置线圈ⅰ串联，构成1个径向偏置线圈串ⅰ，所述4个径向偏置线圈ⅱ串联，构成1个径向偏置线圈串ⅱ；
所述1个轴向偏置线圈串ⅰ、1个径向偏置线圈串ⅰ、1个轴向偏置线圈串ⅱ和1个径向偏置线圈串ⅱ串联，构成1个偏置绕组。
每相电枢绕组由4个彼此在空间上相隔90°的磁阻电机线圈，采用串联、或并联、或两并两串的方式连接而成；每相电枢绕组电流产生的四极对称磁通，呈nsns分布。当一相电枢绕组导通时，在磁阻电机内产生的磁场，用于产生转矩；a、b、c三相电枢绕组在磁轴承内产生的合成磁场用于悬浮控制的偏置磁场。b、c相的电枢绕组与a相电枢绕组结构相同，仅在位置上与a相相差30°和-30°。
对每个径向磁轴承而言，在水平正方向的气隙处悬浮绕组和偏置绕组产生磁通方向一样，磁通增加；而水平负方向的气隙处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个x正方向的悬浮力。在竖直正方向的气隙处悬浮绕组和电枢绕组产生磁通方向一样，磁通增加，而在竖直负方向的气隙处，磁通减弱，进而产生一个y正方向的悬浮力。同理，当悬浮绕组电流反向时，将产生反方向的悬浮力。
对两个锥形磁轴承而言，一个锥形磁轴承的轴向悬浮绕组电流方向与偏置绕组电流方向相同，气隙磁通增强；此时另一个锥形磁轴承的轴向悬浮绕组电流方向与偏置绕组电流方向相反，气隙磁通减弱，进而可产生一个轴向悬浮力。
因此，当电机运行工况一定时，三相电枢绕组电流一定，这时处于其直流母线中的偏置绕组的电流也为定值，为此合理控制x、y、z轴悬浮绕组电流的大小和方向，即可产生大小和方向均可控的悬浮力。
三相电枢绕组电流可采用pwm控制、脉冲控制和角位置控制等，与传统开关磁阻电机的控制方法相同，而悬浮电流采用斩波控制。偏置绕组电流可由电流传感器实时检测得到，转子径向位移由电涡流传感器实时检测获得，经pi调节得到两个方向悬浮力的给定值。由于悬浮力与偏置绕组电流和五个方向悬浮绕组电流有关，进而可解算得到五个方向的悬浮电流，作为功率变换器中电流控制的给定值，最终实现电机的五自由度悬浮运行。
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子齿数为6、磁阻电机转子齿数为4、电机相数m为3时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；此时可构成本发明磁悬浮电机系统的实施例2。
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子齿数为8、磁阻电机转子齿数为6、电机相数m为4时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成4个电枢绕组；此时可构成本发明磁悬浮电机系统的实施例3。
图2是本发明实施例的功率变换器示意图。三相电枢绕组分别接到3个不对称半桥支路中，而偏置绕组通过4个二极管串联到其直流母线中。其中，二极管d7和d8为三相电枢绕组导通励磁时，提供正方向的电流支路；而二极管d9和d10则为三相电枢绕组电流提供续流回路，并使偏置绕组电流的方向始终为正。另外偏置绕组可与二极管d7和d9形成一个回路，和二极管d8和d10形成另一个回路，将使得偏置绕组无论在励磁或续流阶段的端电压保持为恒值，最终促使偏置电流也为恒值，这将有利于悬浮控制，并减小偏置绕组电流导致的铁心损耗，进而提高系统效率。
由于四个二极管d7、d8、d9和d10对偏置绕组两端的稳压作用，使得三相电枢绕组在励磁和续流阶段均存在径偏置绕组闭合的电流回路。令三相电枢绕组导通相序为a-b-c，当a相励磁时，c相续流导通，当b相励磁导通时，a相续流，当c相励磁导通时，b相续流。
以a相励磁导通为例，此时a相励磁，c相续流导通。a相电枢绕组的励磁电流一部分经过压源us、二极管d7、偏置绕组bias、二极管d8、开关管s1、a相电枢绕组、开关管s2闭合；而另一部分经a相电枢绕组、开关管s2、二极管d6、c相电枢绕组、二极管d5、开关管s1闭合；进而使得经偏置绕组的电流始终为恒值。b、c相励磁时也具有相同的效果。当相数m>3时，只需在图2所示的功率电路增加相应的支路，而偏置绕组部分的电路无需变化。
如图3所示，为本发明实施例的三相电枢电流和偏置电流的仿真图。仿真结果显示，基于图2所示的功率变换电路，三相电枢电流的波形与传统开关磁阻电机的电流波形相同，说明图2所示的功率电路具有传统不对称半桥电路的功能。另外，偏置绕组电流基本为恒值，说明四个二极管对偏置绕组有稳流作用。
如图4所示，为本发明五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统实施例的控制方法的系统框图。转矩控制可采用pwm控制、脉冲控制和角位置控制等传统开关磁阻电机的控制方法，而悬浮控制则采用电流斩波控制的方式。
转矩控制为：检测电机转子位置信息，经计算分别得到实际转速ω和每相的开通角θon和关断角θoff，将转速误差信号进行pi调节，获得电枢绕组电流参考值
悬浮控制为：将位移误差信号进行pid调节获得给定悬浮力
利用电流斩波控制方法，用径向磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向悬绕组电流参考值
用径向磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流ix2跟踪该方向悬绕组电流参考值
用z轴方向悬浮绕组实际电流iz跟踪该方向悬绕组电流参考值
如图5所示，为本发明五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统实施例的控制方法中悬浮绕组电流计算方法框图。图中，kf1、kf2为悬浮力系数，其表达式为：
式中，μ0为真空磁导率，l1为径向磁轴承的轴向长度，r1为径向磁轴承转子的半径，αs1为径向定子齿的极弧角，δ1为径向磁轴承的单边气隙长度，l2为锥形磁轴承的轴向长度，r2为锥形磁轴承转子的平均半径，δ2为锥形磁轴承的单边气隙长度，αs2为锥形定子齿的极弧角，ε为锥形角。
径向磁轴承ⅰ的x和y轴方向悬浮力
式中，ibias为偏置绕组的电流，由开关磁阻电机运行工况确定，经电流传感器检查得到，
径向磁轴承ⅱ的x和y轴方向悬浮力
式中，
两锥形磁轴承产生的z轴方向悬浮力
式中，nz为轴向悬浮绕组的匝数，
由表达式(3)～(7)可知，本发明磁悬浮开关磁阻电机系统的径向、轴向悬浮力与转子位置角θ无关，仅与电机结构参数、一个偏置绕组电流和五个悬浮绕组电流有关。其中，四个径向悬浮力仅与该方向径向悬浮电流和偏置绕组电流有关，轴向悬浮力同样仅与轴向悬浮电流和偏置绕组电流有关，并且偏置绕组电流可由检查得到，与悬浮控制无关，因此五个悬浮力间相互解耦，转矩和悬浮力间也可解耦控制。
需要指出的是，由于悬浮力正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此五个悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器。
所述五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统包括一个开关磁阻磁阻电机、两个径向磁轴承和两个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个径向磁轴承产生4个径向悬浮力，两个锥形磁轴承产生轴向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述磁悬浮系统的绕组由m相电枢绕组、1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和1个轴向悬浮绕组构成，所述1个偏置绕组串联到m相电枢绕组的不对称半桥功率变换器的直流母线中，并经四个二极管使所述偏置绕组的电流方向始终与m相电枢绕组电流方向相同；独立控制m相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立控制5个悬浮绕组电流，实现五自由度悬浮调节；包括如下步骤：
步骤a，获取给定电枢绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：
步骤a-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；
步骤a-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω*相减，得到转速差δω；
步骤a-3，当ω≤ω0时，ω0为临界速度设定值，其由电机实际工况确定；所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得电枢绕组电流参考值im*；开通角θon和关断角θoff固定不变，θon和θoff取值由电机结构形式决定；
步骤a-4，当ω＞ω0时，所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得开通角θon和关断角θoff，电枢绕组电流不控制；
步骤b，获取径向磁轴承ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤b-1，获取径向转子ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α1和β1，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；
步骤b-2，将实时位移信号α1和β1分别与给定的参考位移信号α1*和β1*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差δα1和δβ1，将所述实时位移信号差δα1和δβ1经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮力
步骤c，获取径向磁轴承ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤c-1，获取径向转子ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α2和β2；
步骤c-2，将实时位移信号α2和β2分别与给定的参考位移信号α2*和β2*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差δα2和δβ2，将所述实时位移信号差δα2和δβ2经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮力
步骤d，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤d-1，获取转子z轴方向的实时位移信号zz，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；
步骤d-2，将实时位移信号zz与给定的参考位移信号zz*相减，得到z轴方向的实时位移信号差δzz，将所述实时位移信号差δzz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力
步骤e，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤e-1，采集实时的偏置绕组电流ibias，根据所述悬浮力
步骤e-2，根据所述悬浮力
步骤e-3，根据所述悬浮力
步骤e-4，利用电流斩波控制方法，用径向磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向悬绕组电流参考值
用径向磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流ix2跟踪该方向悬绕组电流参考值
用z轴方向悬浮绕组实际电流iz跟踪该方向悬绕组电流参考值
步骤f，调节转矩；具体步骤如下：
步骤f-1，当ω≤ω0时，利用电流斩波控制方法，以电枢绕组的实际电流im跟踪电枢绕组电流参考值im*，进而实时调节电枢绕组电流im，进而达到调节转矩的目的；
步骤f-2，当ω＞ω0时，利用角度位置控制方法，调节开通角θon和关断角θoff的取值，从而实时调节转矩。
需要指出的是，本发明结构拓展性好，对开关磁阻电机结构无限制，只要两相工作制及以上的开关磁阻电机均适用。
综上所述，本发明可实现五自由度悬浮运行，悬浮力间相互解耦，悬浮力和转矩解耦，高速悬浮性能好；偏置绕组通过仅利用四个二极管，实现其电流恒为恒定正值，功率变换器集成度高，成本低；只需控制五个悬浮绕组电流，不需要为悬浮运行而单独控制电枢绕组或偏置绕组电流，便可产生五个方向所需悬浮力，控制简单；轴向和径向悬浮磁路隔离，磁轴承磁路与磁阻电机磁路也隔离，磁路耦合性弱，容错性能好。
对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！