悬浮力绕组锯齿波电流型的BSRM期望电流计算方法与流程

本发明涉及无轴承开关磁阻电机(bearinglessswitchedreluctancemotor,bsrm)技术领域，尤其涉及一种悬浮力绕组锯齿波电流型的bsrm期望电流计算方法。

背景技术：

无轴承开关磁阻电机(bearinglessswitchedreluctancemotor,bsrm)是发展迅速的磁悬浮技术与开关磁阻电机(switchedreluctancemotor,srm)的结合，兼有结构简单坚固、成本低、调速范围宽、运行可靠性高和允许转速高、摩擦功耗小、无需润滑和寿命长等优点，在高速、超高速运行场合具有突出优势，是高速电机研究领域的热点之一。

随着bsrm的转速不断升高，可采用平均转矩平均悬浮力控制策略。由于bsrm是一个复杂的非线性、强耦合系统，其转矩和悬浮力与主绕组电流、悬浮力绕组电流、转角和电机参数均有关联。因此，bsrm控制方法研究的关键在于根据期望平均转矩和平均悬浮力，确定主绕组电流、悬浮力绕组电流及其导通区间。

主绕组和悬浮力绕组开通角固定，有利于重负载运行调速控制及稳定的悬浮控制；当期望平均转矩tav^*较小，而期望平均悬浮力f1av^*或f2av^*较大时，即空载悬浮控制时，若存在转矩和悬浮力的不匹配问题，则需要将主绕组电流延迟关断，以解决转矩和悬浮力的不匹配问题，使bsrm适用于不同工况控制要求。此外，由于采用平均悬浮力作为控制目标，若悬浮力绕组采用方波电流型控制方式，将使得bsrm悬浮力具有较强的脉动性，需要对悬浮力绕组电流波形进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种悬浮力绕组锯齿波电流型的bsrm期望电流计算方法，解决现有技术中转矩和悬浮力不匹配的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：悬浮力绕组锯齿波电流型的bsrm期望电流计算方法，包括如下步骤：

(1)根据期望平均转矩，选择主绕组和悬浮力绕组的电流波形控制方式及其电流导通区间；

(2)根据主绕组和悬浮力绕组的电流波形控制方式及其电流导通区间，确定平均悬浮力系数gf1、平均悬浮力耦合系数gf2；

(3)根据主绕组和悬浮力绕组的电流波形控制方式及其电流导通区间，确定主绕组转矩系数gtm、悬浮力绕组转矩系数gts、主绕组延迟关断转矩系数gtmd(θoffm)，其中：θoffm为主绕组关断角；

(4)根据期望平均转矩和水平及垂直方向上的期望平均悬浮力结合步骤(2)和(3)确定的参数，计算主绕组关断角θoffm和主绕组方波期望电流im；

(5)根据期望平均转矩、水平及垂直方向上的期望平均悬浮力、转子齿极偏离定子齿极角度θ、主绕组方波期望电流im结合步骤(2)确定的参数，计算水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)、is2(θ)。

优选的，悬浮力绕组电流采用锯齿波电流控制方式，水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)、is2(θ)分别为：

is1(θ)＝is1c(1+cs|θ|)

is2(θ)＝is2c(1+cs|θ|)

式中，θ为转子齿极偏离定子齿极角度，is1c为水平方向上的悬浮力绕组基准电流值，is2c为垂直方向上的悬浮力绕组基准电流值，cs＝36/π为锯齿波比例系数。

优选的，电流导通区间的选择方法如下：

当期望平均转矩tav^*>0时，悬浮力绕组开通角θons＝-15°，悬浮力绕组关断角θoffs＝0°；主绕组的开通角θonm＝-15°，主绕组关断角θoffm∈[0°,15°]；

当期望平均转矩tav^*≤0时，悬浮力绕组开通角θons＝15°，悬浮力绕组关断角θoffs＝0°；主绕组开通角θonm＝15°，主绕组关断角θoffm∈[-15°,0°]。

优选的，计算主绕组关断角θoffm和主绕组方波期望电流im的方法如下：

根据期望平均转矩tav^*和水平、垂直方向上的期望平均悬浮力f1av^*、f2av^*，在绕组电流导通区间内，推导水平、垂直方向上的平均悬浮力f1av、f2av和平均转矩tav的计算公式，具体包括：

根据期望平均转矩tav^*，积分推导悬浮力绕组电流导通区间内产生的水平、垂直方向上的平均悬浮力f1av、f2av，分别为：

其中：θ为转子齿极偏离定子齿极角度，k1(θ)为悬浮力系数，k2(θ)为悬浮力耦合系数：

经积分推导可得平均悬浮力系数gf1、平均悬浮力耦合系数gf2的计算公式，分别为：

式中，nm为主绕组匝数，ns为悬浮力绕组匝数，μ0为真空磁导率，h为转子叠片长度，η为气隙边缘系数，r为转子半径，l0为定、转子间气隙长度，τr＝π/12为转子齿极弧度；

主绕组和悬浮力绕组电流导通区间内产生的平均转矩tav为：

式中，tpmav为主绕组电流产生的平均正转矩，tpsav为悬浮力绕组电流产生的平均正转矩，tnmdav表示当主绕组关断角θoffm>0°时，主绕组延迟关断电流产生的平均负转矩，若主绕组关断角θoffm＝0°，则tnmdav＝0；tnmav为主绕组电流产生的平均负转矩，tnsav为悬浮力绕组电流产生的平均负转矩，tpmdav表示当主绕组关断角θoffm<0°时，主绕组延迟关断电流产生的平均正转矩，若主绕组关断角θoffm＝0°，则tpmdav＝0；

根据主绕组和悬浮力绕组电流导通区间积分推导可得：

确定转矩系数kt(θ)、主绕组转矩系数gtm、悬浮力绕组转矩系数gts、主绕组延迟关断转矩系数gtmd(θoffm)，计算公式分别如下：

式中，kt(θ)为转矩系数，gtm为主绕组转矩系数，gts为悬浮力绕组转矩系数，θoffm为主绕组关断角，gtmd(θoffm)为主绕组延迟关断转矩系数；

计算判定函数jt：

若jt<0，令用数值计算方法迭代求解主绕组关断角θoffm；否则θoffm＝0°；

主绕组方波期望电流im计算公式为：

优选的，在计算得到主绕组方波期望电流im后，需对主绕组方波期望电流im进行限幅处理，具体如下：

设定主绕组电流限值为im(max)，若im>im(max)，则令im＝im(max)。

优选的，计算水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波电流is1(θ)和is2(θ)的具体方法如下：

根据水平及垂直方向上的期望平均悬浮力f1av^*、f2av^*、平均悬浮力系数gf1、平均悬浮力耦合系数gf2和限幅处理后的主绕组方波期望电流im，推导可得：

水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)、is2(θ)计算公式分别为：

优选的，在计算得到水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)和is2(θ)后，需对水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)和is2(θ)分别进行限幅处理，具体如下：

设定悬浮力绕组电流限值为is(max)，当|is1(θ)|>is(max)时，则令is1(θ)＝sgn(is1(θ))·is(max)；当|is2(θ)|>is(max)时，则令is2(θ)＝sgn(is2(θ))·is(max)。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：计算生成的期望电流可实现bsrm平均转矩平均悬浮力控制目标，可解决转矩和悬浮力的不匹配问题，并具有平抑悬浮力脉动的作用，不仅有利于重载调速运行及悬浮控制，而且适用于空载运行及悬浮控制要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的流程图；

图2是tav^*>0时主绕组方波电流和悬浮力绕组锯齿波电流导通区间示意图；

图3是tav^*≤0时主绕组方波电流和悬浮力绕组锯齿波电流导通区间示意图；

图4是计算主绕组关断角、主绕组方波电流和悬浮力绕组锯齿波电流的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种悬浮力绕组锯齿波电流型的bsrm期望电流计算方法，包括：根据所期望平均转矩和期望平均悬浮力，选择主绕组和悬浮力绕组电流波形控制方式及其电流导通区间，推导水平、垂直方向上的平均悬浮力和平均转矩计算公式，计算主绕组关断角和所需的主绕组方波期望电流、悬浮力绕组锯齿波期望电流。本发明生成的期望电流可实现bsrm平均转矩平均悬浮力控制目标，并具有平抑悬浮力脉动的作用，不仅有利于重载调速运行及悬浮控制，而且适用于空载运行及悬浮控制要求，解决了转矩和悬浮力的不匹配问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例具体包括步骤：

s101、根据bsrm期望平均转矩tav^*，选择主绕组和悬浮力绕组电流波形控制方式及其电流导通区间。

具体的，步骤s101包括步骤：

s1011、选择主绕组和悬浮力绕组电流波形控制方式。

其中，主绕组电流采用方波电流控制方式，主绕组方波期望电流为im；悬浮力绕组电流采用锯齿波电流控制方式，水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)、is2(θ)分别为：

is1(θ)＝is1c(1+cs|θ|)

is2(θ)＝is2c(1+cs|θ|)

式中，θ为转子齿极偏离定子齿极角度，is1c为水平方向上的悬浮力绕组基准电流值，is2c为垂直方向上的悬浮力绕组基准电流值，cs＝36/π为锯齿波比例系数。

s1012、期望平均转矩tav^*>0时，选择主绕组和悬浮力绕组电流导通区间。

其中，悬浮力绕组开通角θons＝-15°，悬浮力绕组关断角θoffs＝0°；主绕组的开通角θonm＝-15°，主绕组关断角θoffm∈[0°,15°]，具体导通区间如图2所示。图2所示为tav^*>0时主绕组方波电流和悬浮力绕组锯齿波电流导通区间示意图。

s1013、期望平均转矩tav^*≤0时，选择主绕组和悬浮力绕组电流导通区间。

其中，悬浮力绕组开通角θons＝15°，悬浮力绕组关断角θoffs＝0°；主绕组开通角θonm＝15°，主绕组关断角θoffm∈[-15°,0°]，具体导通区间如图3所示。图3所示为tav^*≤0时主绕组方波电流和悬浮力绕组锯齿波电流导通区间示意图。

s102、根据所述bsrm主绕组和悬浮力绕组电流波形控制方式及其电流导通区间，确定平均悬浮力系数gf1、平均悬浮力耦合系数gf2、主绕组转矩系数gtm、悬浮力绕组转矩系数gts和主绕组延迟关断转矩系数gtmd(θoffm)的计算公式。

具体的，步骤s102包括步骤：

s1021、根据bsrm期望平均转矩tav^*，水平、垂直方向上的平均悬浮力f1av、f2av的计算公式。

悬浮力绕组电流导通区间内产生的水平、垂直方向上的平均悬浮力f1av、f2av分别为：

式中，k1(θ)为悬浮力系数，k2(θ)为悬浮力耦合系数，nm为主绕组匝数，ns为悬浮力绕组匝数，μ0为真空磁导率，h为转子叠片长度，η为气隙边缘系数，r为转子半径，l0为定、转子间气隙长度，τr＝π/12为转子齿极弧度，gf1为平均悬浮力系数，gf2为平均悬浮力耦合系数。

s1022、根据水平及垂直方向上的期望平均悬浮力f1av^*、f2av^*，在选择主绕组和悬浮力绕组电流导通区间内，推导平均转矩tav的计算公式。

根据水平及垂直方向上的期望平均悬浮力f1av^*、f2av^*，推导可得：

主绕组和悬浮力绕组电流导通区间内产生的平均转矩tav为：

式中，tpmav为主绕组电流产生的平均正转矩，tpsav为悬浮力绕组电流产生的平均正转矩，tnmdav表示当主绕组关断角θoffm>0°时，主绕组延迟关断电流产生的平均负转矩，若主绕组关断角θoffm＝0°，则tnmdav＝0；tnmav为主绕组电流产生的平均负转矩，tnsav为悬浮力绕组电流产生的平均负转矩，tpmdav表示当主绕组关断角θoffm<0°时，主绕组延迟关断电流产生的平均正转矩，若主绕组关断角θoffm＝0°，则tpmdav＝0。

根据主绕组和悬浮力绕组电流导通区间，积分推导可得：

式中，kt(θ)为转矩系数，gtm为主绕组转矩系数，gts为悬浮力绕组转矩系数，θoffm为主绕组关断角，gtmd(θoffm)为主绕组延迟关断转矩系数。

s103、根据所述bsrm期望平均转矩tav^*、水平及垂直方向上的期望平均悬浮力f1av^*、f2av^*、平均悬浮力系数gf1、平均悬浮力耦合系数gf2、主绕组转矩系数gtm、悬浮力绕组转矩系数gts和主绕组延迟关断转矩系数gtmd(θoffm)，计算主绕组关断角θoffm和主绕组方波期望电流im。

具体的，步骤s103包括步骤：

s1031、计算判定函数jt。

s1032、计算主绕组关断角θoffm。

若jt<0，令用数值计算方法迭代求解主绕组关断角θoffm；否则θoffm＝0°。

s1033、计算主绕组方波期望电流im。

s1034、对主绕组方波期望电流im进行限幅处理。

其中，主绕组电流限值为im(max)，若im>im(max)，则令im＝im(max)。

s104、根据所述bsrm水平及垂直方向上的期望平均悬浮力f1av^*、f2av^*、平均悬浮力系数gf1、平均悬浮力耦合系数gf2、转子齿极偏离定子齿极角度θ和主绕组方波期望电流im，计算水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)和is2(θ)。

具体的，步骤s104包括步骤：

s1041、计算水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)、is2(θ)。

s1042、对水平及垂直方向上的悬浮力绕组锯齿波期望电流is1(θ)和is2(θ)分别进行限幅处理。

其中，悬浮力组电流限值为is(max)，当|is1(θ)|>is(max)时，则令is1(θ)＝sgn(is1(θ))·is(max)；当|is2(θ)|>is(max)时，则令is2(θ)＝sgn(is2(θ))·is(max)。

如图4所示，本发明计算主绕组关断角、主绕组方波期望电流和悬浮力绕组锯齿波期望电流的流程示意图。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。