无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法
【专利摘要】本发明公开了无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，属于开关磁阻电机控制的技术领域。本发明根据转子位置角、功率变换电路中开关管的导通区间以及转矩滞环信号，选取使得瞬时转矩跟随参考转矩的各相基本电压符号，在维持基本电压符合不变的前提下进行直接悬浮力控制，实现无轴承开关磁阻电机稳定旋转和悬浮，并抑制转矩脉动和悬浮力脉动，且将转矩和悬浮力直接作为被控量，在控制过程中对电机参数依赖少，省去了电流环，算法简单，动态响应快。
【专利说明】
无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法
技术领域
[0001] 本发明公开了无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，属于开 关磁阻电机控制的技术领域。
【背景技术】
[0002] 开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、低成本、耐高温、高容错性和高速适应性 等特点，在航空航天、军事、民用等领域得到了广泛地应用。集磁轴承和电机功能于一体的 无轴承开关磁阻电机(Bearinless Switched Reluctance Motor，以下简称BSRM)在实现悬 浮运行的同时，体积和重量大为减小，提高了功率密度。由于集旋转和悬浮的双重功能于一 身，BSRM的高速适应性得到进一步提高，在航空航天和军事领域具有更好的应用优势。
[0003] 对于传统的12/8极单绕组BSRM，在实际运用中会在电流换相时造成悬浮力缺失， 同时也会产生悬浮力波动和转矩脉动较大的问题。针对这一问题，直接转矩控制和直接悬 浮力控制理论的出现使得这一问题迎刃而解。
[0004] 专利《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》（申请号为2014100 23746.4 )，通过控制合成磁链相位旋转达到对电磁转矩的直接控制， 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励磁达到对径 向悬浮力的直接控制。该方法需要计算磁链，增加了计算量；另外，由于悬浮区间延伸到了 负转矩区，存在换相期间的转矩脉动问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的发明目的是针对上述【背景技术】的不足，提供了无轴承开关磁阻电机直接 瞬时转矩（DirectlnstantaneousTorque Control，以下简称DITC)与直接悬浮力 (DirectForce Control，以下简称DFC)控制方法，省去了磁链环，通过引入转子位置角，选 取合适的导通区间，简化了计算，提高了动态响应速率，优化了传统直接转矩控制和直接悬 浮力控制中存在的换相区间尖峰问题。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，
[0008] 以瞬时转矩为被控对象进行转矩控制：根据转子位置角、功率变换电路中开关管 的导通区间以及转矩滞环信号，选取使得瞬时转矩跟随参考转矩的各相基本电压符号；
[0009] 在维持基本电压符合不变的前提下进行直接悬浮力控制:根据悬浮力滞环信号选 取对悬浮力控制相各绕组构成不对称励磁的等效电压符号。
[0010] 进一步的，所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法中，功 率变换电路中开关管的导通区间按如下方法调节：固定功率变换器电路中开关管的关断角 为0,调节开关管的开通角以调节瞬时转矩，所述功率变换器用于向串接在其桥臂中的各个 绕组施加正极性电压或负极性电压。
[0011] 再进一步的，所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法中， 各相基本电压符号表示施加在各相绕组两端的电压极性，具体为在瞬时转矩跟随参考转矩 时各相绕组中各个绕组电压符号的和，各个绕组电压符号根据施加在各自两端的电压极性 记 D
[0012] 作为所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法的进一步优 化方案，以瞬时转矩为被控对象进行转矩控制的具体方法为：
[0013] 在转子位置角所属导通区间为某相电感上升区时，包括如下4个控制模式：
[0014] Α、当瞬时转矩减小以至转矩滞环信号大于内部滞环极限时，选取向该相绕组施加 正极性电压所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩增加，
[0015] Β、当控制模式Α结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号小于内部滞环极限的负值 时，选取向该相绕组施加电压为零所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩减小，
[0016] C、当控制模式B结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值 时，选取向该相绕组施加负极性压所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩进一步减小，
[0017] D、当控制模式C结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号大于内部滞环极限的负值 时，选取向该相绕组施加电压为零所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩不再减小；
[0018] 在转子位置角所属导通区间为某相电感下降区时，包括如下4个控制模式：
[0019] a、当瞬时转矩减小以至转矩滞环信号大于内部滞环极限时，选取向该相绕组施加 负极性电压所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩增加，
[0020] b、当控制模式a结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号小于内部滞环极限的负值 时，选取向该相绕组施加电压为零所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩减小，
[0021] c、当控制模式b结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值 时，选取向该相绕组施加正极性压所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩进一步减小， [0022] d、当控制模式c结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号大于内部滞环极限的负值 时，选取向该相绕组施加电压为零所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩不再减小；
[0023] 其中，所述转矩滞环信号为参考转矩和瞬时转矩的差值。
[0024] 再进一步的，所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法中， 根据悬浮力滞环信号选取对悬浮力控制相各绕组构成不对称励磁的等效电压符号，具体方 法为:通过转子位置角判断悬浮力控制相，在维持基本电压符合不变的前提下，根据悬浮原 理与绕组分布结构选取对悬浮力控制相各个绕组构成不对称励磁的等效电压符号。
[0025] 更进一步的，所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，适 用于12/8极单绕组无轴承开关磁阻电机以及其它定转子极数搭配的无轴承开关磁阻电机。
[0026] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0027] (1)通过开通、关断角的设置以及滞环信号选取基本电压符号，再由基本电压符号 控制功率变换电路中开关管的工作状态，将瞬时转矩控制在给定的转矩滞环范围内，从而 减小了转矩脉动，通过两相绕组导通补偿转矩，优化了换相期间转矩脉动问题；以悬浮力为 直接控制对象，在维持基本电压符合不变的前提下，根据悬浮原理与绕组分布结构进行直 接悬浮力控制，避免换相悬浮力缺失现象的发生，实现无轴承开关磁阻电机稳定旋转和悬 浮，并抑制转矩脉动和悬浮力脉动，且将转矩和悬浮力直接作为被控量，在控制过程中对电 机参数依赖少，省去了电流环，算法简单，动态响应快。
[0028] (2)通过固定功率变换器中开关管的关断角为0,调节开关管导通角以选取合适的 导通区间，快速调整瞬时转矩，有利于提高动态响应速率。
【附图说明】
[0029] 图1为12/8极BSRM结构图。
[0030]图2为单绕组BSRM位置角示意图。
[0031 ]图3(a)、图3(b)、图3(c)为开关状态不意图。
[0032]图4为转子位置角处于[-22.5°，0]区间的转矩滞环。
[0033]图5为转子位置角处于[0,22.5° ]区间的转矩滞环。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
[0035]本发明针对12/8极BSRM(如图1所示)进行说明，同时根据国内外文献所采用的定 义方式，将转子位置角的零度定义在定子和转子齿极轴线重合处，此时绕组电感值最大(如 图2所示）。
[0036]图3为绕组功率电路的三种工作状态。图3(a)中，两个功率开关管同时开通，绕组 两端施加正电压，开关状态记为"+"状态；图3(b)中，只有一个开关管导通，绕组电流进入恒 值续流状态，绕组上没有施加电压，此时记为"〇"状态；图3(c)中，两个功率开关管同时关 断，绕组两端施加负电压，开关状态记为状态。
[0037]图4为转子位置角在[-22.5°，0]区间内的转矩滞环，以A相绕组为例，此时该区间 为电感上升区，提供正转矩。当瞬时转矩减小，使转矩偏差值大于内部滞环的极限ATmin 时，开关状态S工作在状态1，为A相绕组提供正电压，而使转矩值增加；当瞬时转矩增大，使 转矩偏差值小于内部滞环的极限-ATmin时，开关状态S工作在状态0，A相绕组上所加电压 为零，从而使转矩值减小;若瞬时转矩仍大，使转矩偏差值小于外部滞环的极限-ATmax时， 开关状态S工作在状态-1，A相绕组上所加电压为负，从而使转矩值迅速减小;此后，若转矩 减小得过多，即转矩偏差值大于内部滞环的极限-ATmin时，开关状态S又回到状态0,停止 转矩的减小。这样，通过DITC的开关动作，单相导通区域的瞬时转矩被控制跟随参考转矩。 图5为转子位置角在[0,22.5° ]区间内的转矩滞环，由于处在电感下降区，故开关逻辑与[-22.5°，0]区间内相反。内部滞环极限、外部滞环极限均根据不同电机情况，不同电压等级， 不同负载需求在线调节。
[0038] 12/8极单绕组BSRM每相四个绕组均是独立控制，为满足直接悬浮力控制的需要， 各相内部四个绕组的电压状态并不一致，从而控制相内磁链的不对称。为保证DITC效果不 受DFC干扰，定义DITC选择的开关状态为基本电压符号，进行直接悬浮力控制时应保持各相 的基本电压符号不变。
[0039] 12/8极单绕组BSRM中，各相的基本电压符号为相内四个绕组的电压符号之和，记： "+"与"+"之和为"+" ； 与之和为；"0"与"0"之和为"0" ； "+"与之和为"0" ； "+"与 "0"之和为"+" ； 与"0"之和为。如A相基本电压符号为"+"，实际A相四个绕组开关状态 为( +，+，0,0)，则A相基本电压符号合成后仍为"+"。那么，将这种一相内四个绕组电压符号 不一致，但是四个绕组电压符号合成之后仍与DITC基本电压符号一致的称为等效电压符 号。根据等效电压符号的定义可知，等效电压符号允许相内绕组电压符号不一致，使得相内 电流存在不对称的现象，而悬浮力恰好是通过电流的不对称性产生的，故等效电压符号可 用于直接悬浮力控制。
[0040] 单绕组BSRM在定、转子齿极重叠面积较大时，悬浮力系数较大。因此在直接悬浮力 控制中将定、转子齿极重叠面积较大的相作为悬浮力控制相，即转子位置角在区间[-7.5°， 7.5° ]内的相。结合悬浮原理与绕组分布结构可知，若需Fa>0，此时A1绕组电流应该比A3绕 组电流大，可选择(+ 4,〇4)、（〇4，-4)或者(+ 4，_4)三种组合中的一种实现，反之则八1、 A3绕组的电压符号互换;A2、A4绕组电压符号的选择同理。
[0041] 实现直接悬浮力控制的同时，必须保证相内电压符号之和为DITC所要求的基本电 压符号。据此将DITC&DFC同时工作时的等效电压符号选取分为以下三个步骤：
[0042] (1)固定关断角为0,调节开通角；
[0043] (2)根据相应位置角的转矩滞环信号与开通区间，选择基本电压符号；
[0044] (3)通过转子位置角判断悬浮力控制相，根据悬浮力滞环信号选择该相各绕组的 电压符号，并且保证该相基本电压符号满足第二步的选择结果。
[0045] 如表1所不是本发明的A相绕组不平衡电压符号表，其中Θα代表A相位置角，Facc、Fap 分别代表A相α方向和β方所需要的悬浮力滞环信号，41^2^3^4分别为六相的四个绕组。不 提供悬浮力的两相各绕组电压符号与其相基本电压符号一致。
[0046]
[0047] 表 1
【主权项】
1. 无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，其特征在于， 以瞬时转矩为被控对象进行转矩控制：根据转子位置角、功率变换电路中开关管的导 通区间以及转矩滞环信号，选取使得瞬时转矩跟随参考转矩的各相基本电压符号； 在维持基本电压符合不变的前提下进行直接悬浮力控制:根据悬浮力滞环信号选取对 悬浮力控制相各绕组构成不对称励磁的等效电压符号。2. 根据权利要求1所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，其 特征在于，功率变换电路中开关管的导通区间按如下方法调节：固定功率变换器电路中开 关管的关断角为〇，调节开关管的开通角。3. 根据权利要求2所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，其 特征在于，所述各相基本电压符号表示施加在各相绕组两端的电压极性，具体为在瞬时转 矩跟随参考转矩时各相绕组中各个绕组电压符号的和，各个绕组电压符号根据施加在各自 两端的电压极性标记。4. 根据权利要求3所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，其 特征在于，以瞬时转矩为被控对象进行转矩控制的具体方法为： 在转子位置角所属导通区间为某相电感上升区时，包括如下4个控制模式： A、 当瞬时转矩减小以至转矩滞环信号大于内部滞环极限时，选取向该相绕组施加正极 性电压所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩增加， B、 当控制模式A结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号小于内部滞环极限的负值时，选 取向该相绕组施加电压为零所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩减小， C、 当控制模式B结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值时，选 取向该相绕组施加负极性压所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩进一步减小， D、 当控制模式C结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号大于内部滞环极限的负值时，选 取向该相绕组施加电压为零所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩不再减小； 在转子位置角所属导通区间为某相电感下降区时，包括如下4个控制模式： a、 当瞬时转矩减小以至转矩滞环信号大于内部滞环极限时，选取向该相绕组施加负极 性电压所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩增加， b、 当控制模式a结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号小于内部滞环极限的负值时，选 取向该相绕组施加电压为零所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩减小， c、 当控制模式b结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值时，选 取向该相绕组施加正极性压所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩进一步减小， d、 当控制模式c结束后的瞬时转矩使得转矩滞环信号大于内部滞环极限的负值时，选 取向该相绕组施加电压为零所对应的基本电压符号，以使瞬时转矩不再减小； 其中，所述转矩滞环信号为参考转矩和瞬时转矩的差值。5. 根据权利要求1所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮力控制方法，其 特征在于，根据悬浮力滞环信号选取对悬浮力控制相各绕组构成不对称励磁的等效电压符 号，具体方法为:通过转子位置角判断悬浮力控制相，在维持基本电压符合不变的前提下， 根据悬浮原理与绕组分布结构选取对悬浮力控制相各个绕组构成不对称励磁的等效电压 符号。6. 根据权利要求1至5中任意一项所述无轴承开关磁阻电机直接瞬时转矩与直接悬浮
【文档编号】H02P21/14GK106026814SQ201610499182
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】曹鑫, 周京星, 邓智泉
【申请人】南京航空航天大学