专利名称：无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法
技术领域：
发明涉及一种无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制策略的方法，属于开关
磁阻发电机控制的技术领域。
背景技术：
无轴承开关磁阻全周期发电机将应用于高速驱动领域的无轴承技术和开关磁阻 电机的发电技术相结合。悬浮绕组既提供悬浮力，又提供励磁，主绕组能在整个周期内均向 外输出电能，有望提高发电机的输出功率。 目前采用的控制策略是轮流导通控制。在12/8结构实验样机中，每相各导通15 度。 ①无轴承开关磁阻全周期发电机的研究刚刚起步，尚处于探索阶段，国际国内只 有本实验室在进行相关的研究。 ②传统轮流导通控制策略励磁宽度受到限制，不能充分励磁，影响输出功率。
③轮流导通控制策略存在相与相交接处悬浮力不足的问题，对发电机稳定运行有 影响。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种无轴承开关磁阻全周期发电机 加宽导通控制方法。 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案 本发明无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法，其特征在于包括如下步 骤 a)采用a轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向实时 位移信号a，采用P轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的纵向实 时位移信号P，将所述横向实时位移信号a和给定的无轴承开关磁阻全周期发电机转子 的横向参考位移信号^经过a方向位置环得到横向位移差A a ，将所述纵向实时位移信 号P和给定的无轴承电机转子的纵向参考位移信号！3*经过13方向位置环得到纵向位移 差A |3 ，将所述横向位移差A a经过PID调节器得到给定的a轴悬浮力Fa *，将所述纵向 位移差A |3经过PID调节器得到给定的13轴悬浮力F/;通过电压传感器采集到发电电 压U。，发电电压U。和给定的参考发电电压U^经过电压环得到电压偏差AU，电压偏差AU 经过PI调节器得到给定的励磁电流is* ;将电流传感器采集到发电电流im，通过位移传感器 采集到转子位置9 ，通过a轴悬浮力F/、 13轴悬浮力F/、给定的励磁电流i/、发电电流 im和转子位置9经过悬浮绕组控制器得到各套绕组励磁电流；用电流斩波控制方法让悬 浮绕组实际电流跟踪一相四极悬浮绕组电流的给定值isl*、is2*、is3*、is4*，以产生适当的悬浮 力，实现电机悬浮的同时实现对发电电压的实时控制；
b)所述加宽导通控制方法如下
i)初始化励磁导通区间[e 。n， e 。ff]，所述励磁导通区间[e 。n， e 。ff]包括悬浮区 间[^， 92]和加宽区间，其中e。n为励磁导通区开通位置，e。ff为励磁导通区关断位置， e工为悬浮区开通位置，92为悬浮区关断位置，下同； 2)当步骤l所述的励磁导通区间[e 。n， e 。ff]大于或等于轮流导通的宽度15° ，
则进入步骤3，否则返回步骤i，重新初始化励磁导通区间[e 。n， e 。ff]; 3)在励磁导通区间[e 。n， e 。ff]内选择合适的悬浮区间[e p e 2]，在悬浮区间内，
通过电流斩波控制的方法，将对应导通相的励磁电流跟踪给定励磁电流产生悬浮力；悬浮
区间按照不同的要求有以下两种选取方法。
①提供相等的悬浮力时悬浮电流较小当9加>15° ，则e 1= e。n， e2= e。n+i5° ;当9。 <30° ，则e工=e 。ff-i5° ，
e2 = e。ff ;否则，e! = 15° ， e2 = 30° ; ②悬浮力较稳定e2 = eoffi e工=eoff-i5° ;4)当当前导通相的角度e 3在励磁导通区间，则进入步骤5，否则返回步骤4 ; 5)输出所需励磁电流a)当e 3 g [ e p e 2]时，根据所需的悬浮力通过dsp计算出各个励磁绕组所需
的电流，并通过悬浮绕组逆变器输出给励磁绕组； 当e3 g [e。n， e》u (e2， e 。ff]时，导通相各个励磁绕组电流均等于励磁 绕组电流给定值，通过悬浮绕组逆变器输出给励磁绕组。 本发明方法具有以下特点①本优化方法通过仿真和实验验证，通过加宽励磁导 通区间，能解决励磁不足的问题，有效提高输出功率；②本优化方法改善了悬浮力，为解决 相与相之间悬浮力不足的问题提供了一个新的途径； 总的来说，无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制策略的方法是一种通过仿 真和实验验证，过程简单的优化方法。
图l为本发明中12/8结构样机角度定义示意图；定义转子极轴线与定子槽轴线对 齐位置为0。，则相电感最大值对应22.5。。 图2为本发明典型电流波形；励磁电流导通区间[9 。n， 9 。ff]分为两部分悬浮区 间[^， 92]和加宽区间。在悬浮区间内，励磁绕组既要励磁，又要提供悬浮力；在加宽区 间内，励磁绕组只需励磁，无需提供悬浮力。 图3为本发明的系统框图；图中悬浮绕组即为励磁绕组，每套励磁绕组单独控制。 主绕组每相串联整流。将位移误差信号进行PID调节获得给定悬浮力Fa *， F/，将发电电压 误差信号进行PI调节获得给定悬浮电流i/，再结合实测主绕组电流im和位置信号参数e ， 即可通过悬浮绕组电流控制器计算出一相四极悬浮绕组电流的给定值i/、 is2*、 is3*、 is4*。 用电流斩波控制让实际电流跟踪isl*、 is2*、 is3*、 is4*，以产生适当的悬浮力，实现电机悬浮的 同时实现对发电电压的实时控制；
图4为本发明的主流程图；
图5为本发明主流程图中计算1的流程4
图6为本发明主流程图中计算2的流程图。
具体实施例方式
图l为本发明中12/8结构样机角度定义示意图；定义转子极轴线与定子槽轴线对 齐位置为0。，则相电感最大值对应22.5。。 图2为本发明典型电流波形；励磁电流导通区间[9 。n， 9 。ff]分为两部分悬浮区 间[^， 92]和加宽区间。在悬浮区间内，励磁绕组既要励磁，又要提供悬浮力；在加宽区 间内，励磁绕组只需励磁，无需提供悬浮力。 如图3，图4所示，本发明所述方法分为以下步骤1.初始化导通区间。2.判断导 通区间是否合理，合理进入下一步骤，否则回到步骤l，重新初始化。3.根据不同的要求，选 择悬浮区间，剩余导通区间即为加宽区间。4.针对不同的导通区间，计算出不同的励磁电 流，通过逆变器输出给励磁绕组。 本发明无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法，其特征在于包括如下步 骤采用a轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向实时位移信 号a，采用P轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的纵向实时位移 信号P，将所述横向实时位移信号a和给定的永无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横 向参考位移信号^经过a方向位置环得到横向位移差A a ，将所述纵向实时位移信号 P和给定的永磁型无轴承电机转子的纵向参考位移信号！3*经过P方向位置环得到纵向 位移差A |3 ，将所述横向位移差A a经过PID调节器得到给定的a轴悬浮力F/，将所述 纵向位移差A |3经过PID调节器得到给定的13轴悬浮力F/。通过电压传感器采集到发 电电压U。，发电电压U。和给定的参考发电电压U。*经过电压环得到电压偏差A U，电压偏差 AU经过PI调节器得到给定的励磁电流i/。通过电流传感器采集到发电电流im。通过位 移传感器采集到转子位置9 。通过a轴悬浮力F/， 13轴悬浮力F/，给定的励磁电流i/， 发电电流im和转子位置e可在悬浮绕组控制器中算出各套绕组励磁电流。用电流斩波控 制让实际电流跟踪isl*、 is2*、 is3*、 is4*，以产生适当的悬浮力，实现电机悬浮的同时实现对发 电电压的实时控制；励磁绕组控制方法即所述加宽导通控制方法如下i)初始化所述无轴承开关磁阻全周期发电机的导通区间[e 。n， e 。ff];2)合理的导通区间[e 。n， e 。ff]应满足大于或等于轮流导通的宽度15° 。若不满
足，则返回步骤l，重新选择导通区间；若满足导通宽度合理，进入步骤3。 3)在导通区间[e 。n， e 。ff]内选择合适的悬浮区间[e p e 2]。在悬浮区间内，通 过调节对应导通相的励磁电流产生悬浮力。导通区间中除去悬浮区间剩余的部分就是加宽 区间，它只励磁，不产生悬浮力。悬浮区间按照不同的要求可以有以下两种选取方法。 ①提供相等的悬浮力时悬浮电流最小的原则 如果e 。n > 15° ，则e工=e 。n， e 2 = e 。n+i5° ;如果e 。ff < 30° ，则e工=
e。ff-i5° ， e2= e。ff;否则，e1 = is° ， e2 = 30° 。 这种选取方法令[e p e 2]所处区间的电感值最大，相同电流产生的麦克斯韦力 最大。 ②悬浮力最稳定的原则 e2 = eoffi e工=eoff-i5° 。
这种选取方法令[^，^]尽量远离励磁绕组刚开通的位置e 1Q通过避开悬浮电 流不可控的区域，悬浮力更稳定。 4)通过传感器测得转子位置e ，当e g [ e 。n， e 。ff]时，当前相导通，进入步骤5 ; 否则，继续在步骤4中等待。
5)判断当前导通相的角度e所在区间，当e g e2]时，进入步骤6，否则，
进入步骤7。 6)当前导通相在悬浮区间，进入计算1 (见附图5)。将位移误差信号进行PID调 节获得给定悬浮力Fa*， F/，将发电电压误差信号进行PI调节获得给定悬浮电流i/，再结 合实测主绕组电流im和位置信号参数9 ，得到给定悬浮力的电流方程
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Kf ( e )是悬浮力系数，Nm是主绕组匝数，Nb是悬浮绕组匝数。再结合关系式
<formula>formula see original document page 6</formula>) 即可计算出导通相各套悬浮绕组电流给定值isl*、 is2*、 is3*、 is4*。
然后转到步骤8。 7)当前导通相在加宽区间，进入计算2(见附图6)。将发电电压误差信号进行PI 调节获得给定悬浮电流is*。由于在该区间不需要提供悬浮力，<formula>formula see original document page 6</formula> 8)对导通相各套悬浮绕组通励磁电流。励磁电流通过斩波控制使大小满足以下关 系<formula>formula see original document page 6</formula>
权利要求
一种无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法，其特征在于包括如下步骤a)采用α轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向实时位移信号α，采用β轴位移传感器采集得到无轴承开关磁阻全周期发电机转子的纵向实时位移信号β，将所述横向实时位移信号α和给定的无轴承开关磁阻全周期发电机转子的横向参考位移信号α*经过α方向位置环得到横向位移差Δα，将所述纵向实时位移信号β和给定的无轴承电机转子的纵向参考位移信号β*经过β方向位置环得到纵向位移差Δβ，将所述横向位移差Δα经过PID调节器得到给定的α轴悬浮力Fα*，将所述纵向位移差Δβ经过PID调节器得到给定的β轴悬浮力Fβ*；通过电压传感器采集到发电电压Uo，发电电压Uo和给定的参考发电电压Uo*经过电压环得到电压偏差ΔU，电压偏差ΔU经过PI调节器得到给定的励磁电流is*；将电流传感器采集到发电电流im，通过位移传感器采集到转子位置θ，通过α轴悬浮力Fα*、β轴悬浮力Fβ*、给定的励磁电流is*、发电电流im和转子位置θ经过悬浮绕组控制器得到各套绕组励磁电流；用电流斩波控制方法让悬浮绕组实际电流跟踪一相四极悬浮绕组电流的给定值is1*、is2*、is3*、is4*，以产生适当的悬浮力，实现电机悬浮的同时实现对发电电压的实时控制；b)所述加宽导通控制方法如下1)初始化励磁导通区间[θon，θoff]，所述励磁导通区间[θon，θoff]包括悬浮区间[θ1，θ2]和加宽区间，其中θon为励磁导通区开通位置，θoff为励磁导通区关断位置，θ1为悬浮区开通位置，θ2为悬浮区关断位置，下同；2)当步骤1所述的励磁导通区间[θon，θoff]大于或等于轮流导通的宽度15°，则进入步骤3，否则返回步骤1，重新初始化励磁导通区间[θon，θoff]；3)在励磁导通区间[θon，θoff]内选择合适的悬浮区间[θ1，θ2]，在悬浮区间内，通过电流斩波控制的方法，将对应导通相的励磁电流跟踪给定励磁电流产生悬浮力；悬浮区间按照不同的要求有以下两种选取方法①提供相等的悬浮力时悬浮电流较小当θon＞15°，则θ1＝θon，θ2＝θon+15°；当θoff＜30°，则θ1＝θoff-15°，θ2＝θoff；否则，θ1＝15°，θ2＝30°；②悬浮力较稳定θ2＝θoff且θ1＝θoff-15°；4)当当前导通相的角度θ3在励磁导通区间，则进入步骤5，否则返回步骤4；5)输出所需励磁电流α)当θ3∈[θ1，θ2]时，根据所需的悬浮力通过DSP计算出各个励磁绕组所需的电流，并通过悬浮绕组逆变器输出给励磁绕组；β)当θ3∈[θon，θ1)∪(θ2，θoff]时，导通相各个励磁绕组电流均等于励磁绕组电流给定值，通过悬浮绕组逆变器输出给励磁绕组。
全文摘要
本发明公布了一种无轴承开关磁阻全周期发电机加宽导通控制方法，属于开关磁阻发电机控制的技术领域。本发明1.首先给出加宽过的励磁导通区间，根据两种不同的要求在导通区间中选取一个特定的区间提供悬浮力。2.然后针对不同的区间给出不同的励磁电流。本发明基于仿真和实验，简单易行。
文档编号H02P9/14GK101697472SQ20091018494
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者周芹, 姚瑱, 庄铮, 曹鑫, 邓智泉 申请人:南京航空航天大学;