本发明涉及一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法，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，通常由一个开关磁阻电机和两个磁悬浮轴承构成；不仅继承了磁悬浮轴承的无摩擦、无润滑等优点，还可充分发挥开关磁阻电机的高速和环境适应性等特点，在航空航天、飞轮储能、高速离心机、高速鼓风机、高速主轴电机等军事民用场合具有独特优势。
传统磁悬浮开关磁阻电机中的永磁偏置式磁轴承一般需要较大的止推盘，不仅加工装配难道大，而且还导致较大的涡流损耗及严重的温升问题；另外，传统电励磁还存在控制对象较多的缺点，不利于系统的简化和可靠性；再者，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，功率系统庞大，成本高。
为此，磁轴承驱动系统与开关磁阻电机驱动系统间的有效集成，是一个亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法。所述锥形磁悬浮开关磁阻电机是一种集成度较高、功率系统成本较低以及控制对象较少的新型磁悬浮电机，两个锥形磁轴承的偏置绕组，分别与开关磁阻电机a相水平方向两绕组以及竖直方向两绕组串联，进而构成两通道a相复合励磁绕组；每个通道绕组采用一个不对称半桥变换器，利用恒导通控制策略，在磁轴承内产生偏置磁通和轴向力，在开关磁阻电机内产生转矩；所述控制方法通过控制a相两通道复合励磁绕组电流和四个径向悬浮电流，进而同时实现五自由度悬浮和旋转运行，悬浮和旋转控制简单，控制变量较少，还使a相双通道输出的平均转矩与b、c两相相等，从而确保较好的输出转矩特性。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机，包括锥形磁轴承ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承ⅱ；所述开关磁阻电机布置在锥形磁轴承ⅰ和锥形磁轴承ⅱ之间；
锥形磁轴承ⅰ由锥形定子ⅰ、锥形转子ⅰ、偏置线圈ⅰ和径向悬浮线圈ⅰ构成；
锥形磁轴承ⅱ由锥形定子ⅱ、锥形转子ⅱ、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，锥形转子ⅱ布置在锥形定子ⅱ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；所述锥形转子ⅰ、磁阻电机转子和锥形转子ⅱ套在转轴上；
所述锥形定子ⅰ和锥形定子ⅱ均为锥形凸极结构，二者的齿数均为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，磁阻电机定子的齿数为12，磁阻电机转子的齿数为8；所述开关磁阻电机的相数为3；所述磁阻电机定子的每个定子齿上绕有1个磁阻电机线圈，共12个；
所述锥形定子ⅰ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈ⅰ和1个径向悬浮线圈ⅰ，共4个偏置线圈ⅰ和4个径向悬浮线圈ⅰ；
所述锥形定子ⅱ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈ⅱ和1个径向悬浮线圈ⅱ，共4个偏置线圈ⅱ和4个径向悬浮线圈ⅱ；
所述五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机的绕组连接方式，其特征在于，每相电枢绕组均由4个相隔90°的磁阻电机线圈组成，共形成3相电枢绕组，分别为a相电枢绕组，b相电枢绕组和c相电枢绕组；b相电枢绕组、c相电枢绕组在空间上分别与a相电枢绕组分别相隔30°和-30°；
所述3相电枢绕组的连接方式为：a相电枢绕组中两个相隔180°的磁阻电机线圈串联，构成a相通道ⅰ电枢绕组，剩余两个相隔180°的磁阻电机线圈串联，构成a相通道ⅱ电枢绕组；b相电枢绕组的4个相隔90°的磁阻电机线圈串联在一起；c相电枢绕组的4个相隔90°的磁阻电机线圈串联在一起；
所述锥形定子ⅰ的径向悬浮线圈ⅰ连接方式为：在水平方向相隔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；
所述锥形定子ⅱ的径向悬浮线圈ⅱ连接方式为：在水平方向相隔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；
所述锥形定子ⅰ的4个偏置线圈ⅰ串联，构成1个偏置线圈串ⅰ，所述锥形定子ⅱ的4个偏置线圈ⅱ串联，构成1个偏置线圈串ⅱ；
所述a相通道ⅰ电枢绕组和所述1个偏置线圈串ⅰ串联，构成a相通道ⅰ复合绕组；所述a相通道ⅱ电枢绕组和所述1个偏置线圈串ⅱ串联，构成a相通道ⅱ复合绕组；
所述五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，所述五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机包括1个开关磁阻电机和2个锥形磁轴承，开关磁阻电机的b、c相电枢绕组采用轮流导通控制策略，产生转矩；a相两通道复合绕组采用恒导通控制策略，其中a相电枢绕组在开关磁阻电机内产生转矩，两个偏置绕组将在两个锥形磁轴承内产生偏置磁通，并且通过独立控制a相每个通道复合绕组的电流大小，在产生轴向悬浮力的同时，还使得a相产生的平均转矩与b、c两相相等，进而保证三相输出的平均转矩相等；再通过与两个锥形磁轴承中的四个径向悬浮绕组电流的协调控制，进而产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；包括如下步骤：
步骤a，采集转子实时位置角θ，并判别各相励磁状态，具体步骤如下：
步骤a-1，定义转子位置角θ＝0时a相电枢绕组电感最小，超前a相对齐位置22.5°；当θ＝0时，开通a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组功率电路的功率开关，a相励磁导通；
步骤a-2，当θ＝θonb时，开通b相电枢绕组功率电路的功率开关，b相开始励磁导通，当θ＝θoffb时，关断b相功率开关，b相结束励磁，其中θonb的取值范围为[7.5°，15°]，θoffb的取值范围为[30°，37.5°]，并定义开通角θon＝θonb，关断角θoff＝θoffb；
步骤a-3，当θ＝θonc时，开通c相电枢绕组功率电路的功率开关，c相开始励磁导通，当θ＝θoffc时，关断c相功率开关，c相结束励磁，其中θonc＝θon+15°，θoffc＝θoff+15°；
步骤b，获取b、c相电枢绕组电流的参考值；具体步骤如下：
步骤b-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；
步骤b-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b-3，所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得b、c相电枢绕组电流的参考值im*；
步骤c，获取a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组电流参考值与电流im*的约束关系式；具体步骤如下：
步骤c-1，当θ∈[0°，22.5°]时，a相通道ⅰ复合绕组电流的参考值
步骤c-2，当θ∈[22.5°，45°]时，a相通道ⅰ复合绕组电流的参考值
步骤d，获取锥形磁轴承ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤d-1，获取锥形转子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d-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，得到锥形磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮力
步骤e，获取锥形磁轴承ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤e-1，获取锥形转子ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α2和β2；
步骤e-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，得到锥形磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮力
步骤f，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤f-1，获取转子z轴方向的实时位移信号z，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；
步骤f-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z*相减，得到z轴方向的实时位移信号差δz，将所述实时位移信号差δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力
步骤g，获取a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组电流的参考值，具体步骤如下：
步骤g-1，获取θ∈[0°，22.5°]时a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组电流的参考值；
根据所述悬浮力
步骤g-2，获取θ∈[22.5°，45°]时a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组电流的参考值；
根据所述悬浮力
步骤h，调节径向悬浮力，具体步骤如下：
步骤h-1，根据所述悬浮力
步骤h-2，根据所述悬浮力
步骤h-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值
用锥形磁轴承ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流ix2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值
步骤i，调节转矩和轴向悬浮力；
用b相电枢绕组的实际电流ib和c相电枢绕组的实际电流ic分别跟踪电流参考值
本发明的有益效果：本发明提出了一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机的绕组连接方式及控制方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：
(1)无需止推盘，磁轴承涡流损耗小，效率较高；
(2)采用开关磁阻电机a相两通道电枢绕组与两个锥形磁轴承的偏置绕组分别串联，采用恒导通不对称励磁的方式，可同时控制偏置磁通、轴向力和输出转矩，机电能量转换效率高；
(3)相对于传统电励磁磁悬浮开关磁阻电机，控制变量少，悬浮控制简单，且功率系统成本较低。
附图说明
图1是本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图。
图2是本发明a相两通道电枢绕组的磁通分布示意图。
图3是锥形磁轴承ⅰ的磁通分布图。
图4是本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机各绕组的电感和电流示意图。
图5是本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法的系统框图。
图6是本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法中a相两通道绕组电流计算方法框图。
图7是本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法中各径向悬浮绕组电流计算方法框图。
附图标记说明：图1至图7中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁阻电机绕组，4是锥形定子ⅰ，5是锥形转子ⅰ，6是偏置绕组ⅰ，7是径向悬浮绕组ⅰ，8是锥形定子ⅱ，9是锥形转子ⅱ，10是偏置绕组ⅱ，11是径向悬浮绕组ⅱ，12是转轴，13是开关磁阻电机，14是锥形磁轴承ⅰ，15是锥形磁轴承ⅱ，16、17、18分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，19是开关磁阻电机a相双通道绕组产生的磁通，20是气隙1，21是气隙2，22是气隙3，23是气隙4，24为a相通道ⅰ复合绕组在锥形磁轴承ⅰ内产生的偏置磁通，25是锥形磁轴承ⅰ的y轴方向径向绕组产生的磁通，26是锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向绕组产生的磁通，27为a相复合绕组，28为b相电枢绕组，29为c相电枢绕组，30为径向悬浮绕组的电感波形，31为a相复合绕组，32为b相电枢绕组，33为c相电枢绕组，34为径向悬浮绕组的电流波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机实施例1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是锥形定子ⅰ，5是锥形转子ⅰ，6是偏置线圈ⅰ，7是径向悬浮线圈ⅰ，8是锥形定子ⅱ，9是锥形转子ⅱ，10是偏置线圈ⅱ，11是径向悬浮线圈ⅱ，12是转轴，13是开关磁阻电机，14是锥形磁轴承ⅰ，15是锥形磁轴承ⅱ，16、17、18分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。
所述五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机，包括锥形磁轴承ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承ⅱ；所述开关磁阻电机布置在锥形磁轴承ⅰ和锥形磁轴承ⅱ之间；
锥形磁轴承ⅰ由锥形定子ⅰ、锥形转子ⅰ、偏置线圈ⅰ和径向悬浮线圈ⅰ构成；
锥形磁轴承ⅱ由锥形定子ⅱ、锥形转子ⅱ、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，锥形转子ⅱ布置在锥形定子ⅱ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；所述锥形转子ⅰ、磁阻电机转子和锥形转子ⅱ套在转轴上；
所述锥形定子ⅰ和锥形定子ⅱ均为锥形凸极结构，二者的齿数均为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，磁阻电机定子的齿数为12，磁阻电机转子的齿数为8；所述开关磁阻电机的相数为3；所述磁阻电机定子的每个定子齿上绕有1个磁阻电机线圈，共12个；
所述锥形定子ⅰ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈ⅰ和1个径向悬浮线圈ⅰ，共4个偏置线圈ⅰ和4个径向悬浮线圈ⅰ；
所述锥形定子ⅱ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈ⅱ和1个径向悬浮线圈ⅱ，共4个偏置线圈ⅱ和4个径向悬浮线圈ⅱ；
所述五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机，每相电枢绕组均由4个相隔90°的磁阻电机线圈组成，共形成3相电枢绕组，分别为a相电枢绕组，b相电枢绕组和c相电枢绕组；b相电枢绕组、c相电枢绕组在空间上分别与a相电枢绕组分别相隔30°和-30°；
所述3相电枢绕组的连接方式为：a相电枢绕组中两个相隔180°的磁阻电机线圈串联，构成a相通道ⅰ电枢绕组，剩余两个相隔180°的磁阻电机线圈串联，构成a相通道ⅱ电枢绕组；b相电枢绕组的4个相隔90°的磁阻电机线圈串联在一起；c相电枢绕组的4个相隔90°的磁阻电机线圈串联在一起；
所述锥形定子ⅰ的径向悬浮线圈ⅰ连接方式为：在水平方向相隔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；
所述锥形定子ⅱ的径向悬浮线圈ⅱ连接方式为：在水平方向相隔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；
所述锥形定子ⅰ的4个偏置线圈ⅰ串联，构成1个偏置线圈串ⅰ，所述锥形定子ⅱ的4个偏置线圈ⅱ串联，构成1个偏置线圈串ⅱ；
所述a相通道ⅰ电枢绕组和所述1个偏置线圈串ⅰ串联，构成a相通道ⅰ复合绕组；所述a相通道ⅱ电枢绕组和所述1个偏置线圈串ⅱ串联，构成a相通道ⅱ复合绕组。
如图2所示，为本发明a相两通道电枢绕组的磁通分布示意图，线标号为19的实线所示。每相电枢绕组均由4个相隔90°的磁阻电机线圈组成，共形成3相电枢绕组，分别为a相电枢绕组，b相电枢绕组和c相电枢绕组；b相电枢绕组、c相电枢绕组在空间上分别与a相电枢绕组分别相隔30°和-30°；
a相电枢绕组中两个相隔180°的磁阻电机线圈串联，构成a相通道ⅰ电枢绕组，剩余两个相隔180°的磁阻电机线圈串联，构成a相通道ⅱ电枢绕组；b相电枢绕组的4个相隔90°的磁阻电机线圈串联在一起；c相电枢绕组的4个相隔90°的磁阻电机线圈串联在一起；图中，iaⅰ+、iaⅰ-分别为a相通道ⅰ电枢绕组的流入和流出电流，iaⅱ+、iaⅱ-分别为a相通道ⅱ电枢绕组的流入和流出电流，两通道产生的磁通极性呈nsns分布。b、c相电枢绕组产生的磁通极性与a相电枢绕组相同。
如图3所示，为锥形磁轴承ⅰ的磁通分布图。a相通道ⅰ复合绕组产生的磁通如图3中实线所示(线标号为24)，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通如图中长虚线所示(线标号为25)，y轴方向径向悬浮绕组产生的磁通如图中点虚线所示(线标号为26)。a相通道ⅰ复合绕组产生的四极磁通在4个定子齿上呈nsns分布，x轴方向径向悬浮绕组产生的二极磁通呈ns分布，y轴方向径向悬浮绕组产生的二极磁通也呈ns分布。
线标号20是气隙1，线标号21是气隙2，线标号22是气隙3，线标号23是气隙4。在气隙1处x轴方向径向悬浮绕组和a相通道ⅰ复合绕组产生的磁通方向一样，磁通增加；而在气隙3处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个x轴正方向的悬浮力。在气隙2处y轴方向径向悬浮绕组和a相通道ⅰ复合绕组产生的磁通方向一样，磁通增加，而在气隙4处，磁通减弱，进而产生一个y轴正方向的悬浮力。同理，当径向悬浮绕组电流反向时，将产生反方向的悬浮力。因此，合理控制a相通道ⅰ复合绕组电流的大小，及锥形磁轴承ⅰ两个径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可实现锥形磁轴承ⅰ的径向悬浮运行。
同理，合理控制a相通道ⅱ复合绕组电流的大小，及锥形磁轴承ⅱ两个径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可实现锥形磁轴承ⅱ的径向悬浮运行。
另外，进一步协调控制a相两个通道复合绕组电流的大小，即可实现轴向悬浮，以及对a相输出平均转矩的实时调节。
如图4所示，为本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机各绕组的电感和电流示意图。其中，标号27、28、29、30分别为a相复合绕组、b相电枢绕组、c相电枢绕组和径向悬浮绕组的电感波形，标号31、32、33、34分别为a相复合绕组、b相电枢绕组、c相电枢绕组和径向悬浮绕组的电流波形。三相绕组电感在空间上相差15°，b、c相电流控制为方波形式，b相开通角超前c相15°；a相两通道复合绕组采用恒导通策略，且正半周期时电感上升区间的电流幅值大于负半周期时电感下降区间的电流值，进而保证a相产生一个正方向的平均转矩。
如图5所示，为本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法的系统框图。控制思路为：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b、c相电枢绕组电流的参考值
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，用锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值
用锥形磁轴承ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流ix2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值
用b相电枢绕组的实际电流ib和c相电枢绕组的实际电流ic分别跟踪电流参考值
如图6所示，是本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法中a相两通道绕组电流计算方法框图。图中，kf1为径向悬浮力系数，kf2为轴向悬浮力系数，其表达式为：
式中，μ0为真空磁导率，l为磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，αs为锥形磁轴承定子的极弧角，δ为锥形磁轴承的单边气隙长度，ε为锥形角。
锥形磁轴承ⅰ的x和y轴方向悬浮力fα1和fβ1的表达式为：
fα1＝kf1nbiaⅰnsix1(3)
fβ1＝kf1nbiaⅰnsiy1(4)
式中，iaⅰ为通道ⅰ的a相转矩绕组电流，ix1、iy1分别为锥形磁轴承ⅰ的x、y轴方向悬浮绕组电流，nb、ns分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数。
锥形磁轴承ⅱ的x和y轴方向悬浮力fα2和fβ2的表达式为：
fα2＝kf1nbiaⅱnsix2(5)
fβ2＝kf1nbiaⅱnsiy2(6)
式中，iaⅱ为通道ⅱ的a相转矩绕组电流，ix2、iy2分别为锥形磁轴承ⅱ的x、y轴方向悬浮绕组电流。
z轴方向悬浮力fz的表达式为：
控制中，四个径向位移和一个轴向位移经pid调节后，可获得四个径向悬浮力和一个轴向悬浮力的参考值。其中，锥形磁轴承ⅰ的x和y轴方向悬浮力fα1和fβ1的参考值分别为
式中，
公式(8)～(12)显示，五个已知悬浮力的参考值，需求解六个未知电流变量，需要引入一个电流约束条件，才能得到唯一电流解。
另外，控制中，速度与给定速度经pi调节后，可得到12/8极开关磁阻电机三相绕组电流的参考值
式中，θon、θoff分别为开通角和关断角，与b相开通角θonb和关断角θoffb，及c相开通角θonc和关断角θoffc的关系分别为：θonb＝θon，θoffb＝θoff，θonc＝θon+15°，θoffc＝θoff+15°；kl为开关磁阻电机相绕组的最大电感与最小电感之比。
为使12/8极开关磁阻电机三相输出的平均转矩相等，令
1)a相正半周期，即电感上升区间
2)a相负半周期，即电感下降区间
则a相产生的平均转矩ta为
式(13)和式(16)表明，三相产生的平均转矩相等。
由悬浮力表达式(8)～(12)，及约束方程(14)和(15)可知，当五个方向悬浮力的给定值和开关磁阻电机三相绕组电流的参考值
定义：转子位置角θ＝0时，a相绕组电感最小，即a相定子齿与转子齿相互错开22.5°，该位置也称为不对齐位置。
1)a相正半周期，即0≤θ≤22.5°，结合公式(14)和(8)～(12)，a相两通道复合绕组电流的参考值计算公式为：
2)a相负半周期，即22.5°＜θ≤45°，a相两通道复合绕组电流的参考值计算公式为：
如图7所示，是本发明五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法中各径向悬浮绕组电流计算方法框图。
根据公式(17)和(18)计算得到的a相两通道的电流参考值，再由公式(8)～(11)，可计算出两个锥形磁轴承的四个径向悬浮绕组电流的参考值，计算公式分别为：
所述五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，所述五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机包括1个开关磁阻电机和2个锥形磁轴承，开关磁阻电机的b、c相电枢绕组采用轮流导通控制策略，产生转矩；a相两通道复合绕组采用恒导通控制策略，其中a相电枢绕组在开关磁阻电机内产生转矩，两个偏置绕组将在两个锥形磁轴承内产生偏置磁通，并且通过独立控制a相每个通道复合绕组的电流大小，在产生轴向悬浮力的同时，还可使得a相产生的平均转矩与b、c两相相等，进而保证三相输出的平均转矩相等；再通过与两个锥形磁轴承中的四个径向悬浮绕组电流的协调控制，进而产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；包括如下步骤：
步骤a，采集转子实时位置角θ，并判别各相励磁状态，具体步骤如下：
步骤a-1，定义转子位置角θ＝0时a相电枢绕组电感最小，超前a相对齐位置22.5°；当θ＝0时，开通a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组功率电路的功率开关，a相励磁导通；
步骤a-2，当θ＝θonb时，开通b相电枢绕组功率电路的功率开关，b相开始励磁导通，当θ＝θoffb时，关断b相功率开关，b相结束励磁，其中θonb的取值范围为[7.5°，15°]，θoffb的取值范围为[30°，37.5°]，并定义开通角θon＝θonb，关断角θoff＝θoffb；
步骤a-3，当θ＝θonc时，开通c相电枢绕组功率电路的功率开关，c相开始励磁导通，当θ＝θoffc时，关断c相功率开关，c相结束励磁，其中θonc＝θon+15°，θoffc＝θoff+15°；
步骤b，获取b、c相电枢绕组电流的参考值；具体步骤如下：
步骤b-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；
步骤b-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b-3，所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得b、c相电枢绕组电流的参考值im*；
步骤c，获取a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组电流参考值与电流im*的约束关系式；具体步骤如下：
步骤c-1，当θ∈[0°，22.5°]时，a相通道ⅰ复合绕组电流的参考值
步骤c-2，当θ∈[22.5°，45°]时，a相通道ⅰ复合绕组电流的参考值
步骤d，获取锥形磁轴承ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤d-1，获取锥形转子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d-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，得到锥形磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮力
步骤e，获取锥形磁轴承ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤e-1，获取锥形转子ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α2和β2；
步骤e-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，得到锥形磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮力
步骤f，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤f-1，获取转子z轴方向的实时位移信号z，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；
步骤f-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z*相减，得到z轴方向的实时位移信号差δz，将所述实时位移信号差δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力
步骤g，获取a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组电流的参考值，具体步骤如下：
步骤g-1，获取θ∈[0°，22.5°]时a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组电流的参考值；
根据所述悬浮力
步骤g-2，获取θ∈[22.5°，45°]时a相通道ⅰ和通道ⅱ复合绕组电流的参考值；
根据所述悬浮力
步骤h，调节径向悬浮力，具体步骤如下：
步骤h-1，根据所述悬浮力
步骤h-2，根据所述悬浮力
步骤h-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值
用锥形磁轴承ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流ix2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值
步骤i，调节转矩和轴向悬浮力；
用b相电枢绕组的实际电流ib和c相电枢绕组的实际电流ic分别跟踪电流参考值
综上所述，本发明每个锥形磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机的a相一个通道绕组串联在一起，构成两个a相复合绕组；每个锥形磁轴承的两个径向悬浮绕组控制两个自由度的悬浮，共四个径向自由度；通过开关磁阻电机a相两个通道绕组的电流大小，进而控制转矩和轴向悬浮力，无需单独轴向悬浮绕组，即可实现五自由度悬浮；另外，虽然a相采用恒导通控制策略，b、c相仍然采用轮流导通励磁方式，但通过三相电流之间的约束关系式，依然可使三相输出的平均转矩相等，保证了较好的输出转矩特性。本发明电机及控制方法，控制变量少，控制简单，功率系统成本低，且机电能量转换效率高。
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。