CN107104622B - 一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，属于磁悬浮电机的控制领域。该电机绕组包括2个悬浮绕组、1个偏置绕组和三相转矩绕组，且偏置绕组与A相转矩绕组串联后，并采用恒导通励磁，有角度位置控制、续流和斩波控制等三种励磁方式；A相不仅产生转矩，还为磁轴承提供偏置磁通，在角度位置控制和续流励磁方式中，将A相实时电流作为偏置电流，在斩波控制方式中，则基于磁利用率最高的目的，优化计算出偏置绕组电流的参考值，控制两个悬浮绕组电流的大小和方向，以实现悬浮运行；B和C相则采用角度位置控制方式，与A相共同调节转矩；本发明可实现转矩和悬浮力的解耦控制，尤其适合于开关磁阻电机的高速悬浮运行。

Description

一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，属于磁悬浮开关磁阻电机的控制技术领域。

背景技术

无轴承开关磁阻电机是20世纪90年代发展起来的一种新型磁悬浮电机。无轴承开关磁阻电机因集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。

随着研究的不断深入，人们逐渐认识到，能否解决转矩和悬浮力有效输出区域间的制约，悬浮与旋转两功能是否能解耦控制、以及高速时悬浮控制精度好坏，对BSRM高速性能是否能得到充分发挥起着至关重要的作用。

然而，传统双绕组无轴承开关磁阻电机需要对主绕组和悬浮绕组的电流进行斩波控制，以实时调节转矩和悬浮力，这种控制方式在中低速时可取得较好的控制效果，随着转速进一步升高，由于运动电动势的不断增大，使得斩波控制的精度和效果大打折扣，输出转矩和悬浮力均不到设计要求，进而限制了无轴承开关磁阻电机的应用前景。

为此，提出了一种提出了一种结构简单、功率变换器成本低、转矩与悬浮力可解耦控制的双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机，另外，由于磁轴承与开关磁阻电机相互隔离、二者仅存在电关系，磁路间无耦合，冗余性更强。磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机的一相绕组串联，构成一相转矩绕组，采用恒励磁导通方式，在磁轴承产生悬浮所需的偏置磁通外，还可通过有效控制使其在开关磁阻电机内产生一个有效输出转矩。

本发明基于上述双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机，提出了一种适用其高速悬浮运行、且转矩与悬浮力解耦控制的控制方法。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提出一种适用于双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机高速悬浮运行、且转矩与悬浮力可解耦控制的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机，包括1个开关磁阻电机和1个磁轴承，所述开关磁阻电机与磁轴承串联布置；

所述开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢绕组

所述磁轴承，包括磁轴承定子、磁轴承转子、偏置线圈和悬浮线圈；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子套在转轴上；

所述磁阻电机定子为凸极结构，磁阻电机定子齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；

所述磁轴承转子为凸极结构，磁轴承转子齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；

所述磁轴承定子为凸极结构，磁轴承定子齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；

每个磁阻电机定子齿上绕有1个电枢绕组，相隔90°的4个电枢绕组串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A相转矩绕组串、B相转矩绕组和C相转矩绕组，其中，B相转矩绕组、C相转矩绕组与A相转矩绕组串在空间上分别相差30°和-30°；

所述磁轴承定子齿上均绕有1个偏置线圈和1个悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个悬浮线圈；

位于水平方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个x轴方向悬浮绕组，位于竖直方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个y轴方向悬浮绕组，所述x轴方向悬浮绕组与y轴方向悬浮绕组在空间上相差90°；

所有偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；所述1个偏置绕组与A相转矩绕组串串联，构成A相转矩绕组；

A相转矩绕组采用恒导通励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，在开关磁阻电机内产生转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；A相转矩绕组依次经历三种励磁方式，分别为角度位置控制方式、续流励磁方式和电流斩波控制方式，A相转矩绕组三种励磁方式的导通区间分别定义为第Ⅰ导通区间，续流区间和第Ⅱ导通区间；在第Ⅰ导通区间和续流区间，直接采集A相转矩绕组的实时电流作为偏置绕组电流的参考值，在第Ⅱ导通区间，计算偏置绕组电流的参考值，使得磁轴承磁利用率最高；然后通过控制悬浮绕组中的电流大小和方向，以调节悬浮力；控制过程中，转矩控制与悬浮力控制相互独立，且转矩与悬浮力实现解耦控制；所述控制方法，包括如下步骤：

步骤A，获取开通角θ_on和关断角θ_off，具体步骤如下：

步骤A-1，采集磁阻电机转子实时转速，得到磁阻电机转子角速度ω；

步骤A-2，将磁阻电机转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θ_on和关断角θ_off；

步骤B，采集磁阻电机转子实时位置角θ，并判别各相励磁状态，具体步骤如下：

步骤B-1，当θ＝θ_ona时，开通A相转矩绕组功率电路的功率开关，A相转矩绕组开始励磁导通，A相进入第Ⅰ导通区间，当θ＝θ_offa时，关断A相转矩绕组功率开关，A相转矩绕组起始进入续流导通区间，其中θ_ona＝θ_on，θ_offa＝θ_off，第Ⅰ导通区间为[θ_ona，θ_offa]；

步骤B-2，当θ＝θ_onb时，开通B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相转矩绕组开始励磁导通，当θ＝θ_offb时，关断B相转矩绕组功率开关，B相转矩绕组结束励磁，其中θ_onb＝θ_ona+15°，θ_offb＝θ_offa+15°；

步骤B-3，当θ＝θ_onc时，开通C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相转矩绕组开始励磁导通，当θ＝θ_offc时，关断C相转矩绕组功率开关，C相转矩绕组结束励磁，其中θ_onc＝θ_ona+30°，θ_offc＝θ_offa+30°；

步骤C，获取A相转矩绕组第Ⅱ导通区间的起始角θ_s，判别A相转矩绕组续流导通期间和第Ⅱ导通区间对应的转子位置角，具体步骤如下：

步骤C-1，根据计算解算出第Ⅱ导通区间内偏置绕组电流的参考值I_m，其中，k_f为悬浮力系数，F_load为磁轴承最大径向负载，由磁轴承结构和电磁参数决定；式中，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承的轴向长度，r为磁轴承转子的半径，α_s为径向磁轴承定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，N_b为偏置绕组匝数；

步骤C-2，采集续流区间内A相转矩绕组的实时电流i，当i＝I_m时，立即开通A相转矩绕组功率电路的功率开关，A相转矩绕组进入第Ⅱ导通区间，此时对应的转子位置角即为第Ⅱ导通区间的起始角θ_s；当转子位置角θ＝θ_ona+45°时，第Ⅱ导通区间结束，A相转矩绕组进入下一个第Ⅰ导通区间；

续流区间对应的转子位置角为[θ_offa，θ_s]，第Ⅱ导通区对应的转子位置角为[θ_s，θ_ona+45°]；

步骤D，获取x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力具体步骤如下：

步骤D-1，获取转子在x轴和y轴方向的实时位移信号α和β，其中，x轴与所述水平方向磁轴承定子齿中心线重合，y轴与所述竖直方向磁轴承定子齿中心线重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤D-2，将实时位移信号α和β分别与给定的参考位移信号α^*和β^*相减，分别得到x方向和y方向的实时位移信号差Δα和Δβ，将所述实时位移信号差Δα和Δβ经过比例积分微分控制器，得到所述相x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤E-1，调节第Ⅰ导通区间和续流区间内的悬浮力，此时θ∈[θ_ona，θ_s]；

根据所述悬浮力和采集获得偏置绕组的实时电流参考值i_bias，以及电流计算公式和可解算得到第Ⅰ导通区间和续流区间内的x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值其中N_s为悬浮绕组匝数；

利用电流斩波控制方法，让两个悬浮绕组的实际电流i_x和i_y分别跟踪其参考值和从而实时调节该区间内的悬浮力；

步骤E-2，调节第Ⅱ导通区间的悬浮力，此时θ∈[θ_s，θ_ona+45°]；

根据所述悬浮力和步骤C-1中获得的偏置绕组电流参考值I_m，以及电流计算公式和可解算得到第Ⅱ导通区间内的x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值

利用电流斩波控制方法，让A相转矩绕组的实际电流i_a跟踪偏置绕组电流参考值I_m，让两个悬浮绕组的实际电流i_x和i_y分别跟踪其参考值和从而实时调节该区间内的悬浮力，进而实现每个转子周期的悬浮运行；

步骤F，调节转矩，通过调节开通角θ_on和关断角θ_off的取值，从而实时调节转矩；A相转矩绕组在第Ⅱ导通区间内仅让其实际电流跟踪参考值I_m，在该区间内产生的负转矩，仍由开通角θ_on和关断角θ_off的动态调节，进行补偿。

本发明的有益效果：本发明提出了一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)适用于开关磁阻电机的高速悬浮运行；

(2)转矩控制与悬浮力控制独立，且可实现转矩和悬浮力的解耦控制。

附图说明

图1是双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图。

图2是本发明中开关磁阻电机的A相转矩绕组示意图。

图3是本发明中磁轴承的偏置绕组和悬浮绕组示意图。

图4是悬浮绕组和转矩绕组的电感和电流波形示意图。

图5是双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的***框图。

图6是本发明控制方法中的第Ⅱ导通区偏置电流计算方法框图。

图7是本发明控制方法中的各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是电枢绕组，4是磁轴承定子，5是磁轴承转子，6是偏置线圈，7是悬浮线圈，8是转轴，9是12/8极开关磁阻电机，10是12极磁轴承，11、12、13分别x、y、z轴方向坐标轴的正方向，14为A相转矩绕组的流入电流i_a+，15为A相转矩绕组的流出电流i_a-，16为偏置绕组的流入电流i_bias+，17为偏置绕组的流出电流i_bias-，18为x轴方向悬浮绕组的流入电流i_x+，19为x轴方向悬浮绕组的出电流i_x-，20为y轴方向悬浮绕组的流入电流i_y+，21为y轴方向悬浮绕组的出电流i_y-，22、23、24、25分别为气隙1、气隙2、气隙3和气隙4，26、27、28、29分别为A相转矩绕组、B相转矩绕组、C相转矩绕组和悬浮绕组的电感曲线，30、31、32、33分别为A相转矩绕组、B相转矩绕组、C相转矩绕组和悬浮绕组的电流曲线，34、35、35分别为A相转矩绕组的第Ⅰ导通区间、续流区间和第Ⅱ导通区间，F_α，F_β为x、y轴方向的悬浮力，F_α*，F_β*为悬浮力的参考值，α、β分别为转子在x、y轴方向上的偏心位移，α*、β*分别为转子在x、y轴方向上偏心位移的参考值，θ为转子位置角，θ_on、θ_off分别为开通和关断角，θ_onb、θ_offb分别B相转矩绕组的为开通和关断角，θ_onc、θ_offc分别C相转矩绕组的为开通和关断角，i_b、i_c分别B相和C相转矩绕组电流。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图，其中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是电枢绕组，4是磁轴承定子，5是磁轴承转子，6是偏置绕组，7是悬浮绕组，8是转轴，9是12/8极开关磁阻电机，10是12极磁轴承。

一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机，包括1个开关磁阻电机和1个磁轴承，所述开关磁阻电机与磁轴承串联布置；

所述开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢绕组

所述磁轴承，包括磁轴承定子、磁轴承转子、偏置线圈和悬浮线圈；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子套在转轴上；

所述磁阻电机定子为凸极结构，磁阻电机定子齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；

所述磁轴承转子为凸极结构，磁轴承转子齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；

所述磁轴承定子为凸极结构，磁轴承定子齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；

每个磁阻电机定子齿上绕有1个电枢绕组，相隔90°的4个电枢绕组串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A相转矩绕组串、B相转矩绕组和C相转矩绕组，其中，B相转矩绕组、C相转矩绕组与A相转矩绕组串在空间上分别相差30°和-30°；

所述磁轴承定子齿上均绕有1个偏置线圈和1个悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个悬浮线圈；

位于水平方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个x轴方向悬浮绕组，位于竖直方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个y轴方向悬浮绕组，所述x轴方向悬浮绕组与y轴方向悬浮绕组在空间上相差90°；

如图2所示，是本发明中开关磁阻电机的A相转矩绕组示意图。

所有偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；所述1个偏置绕组与A相转矩绕组串串联，构成A相转矩绕组；

四个偏置绕组产生的磁场极性呈NSNS分布，两个悬浮绕组产生的磁场极性呈NSSN分布。

如图3所示，是本发明中磁轴承的偏置绕组和悬浮绕组示意图。

当x轴方向悬浮绕组电流i_x>0时，气隙1(标号22)处的磁密与偏置绕组产生的磁密方向相同，磁场增加，气隙3(标号24)处的磁密与偏置绕组产生的磁密方向相反，磁场减弱，进而产生一个x轴正方向的悬浮力；同理，i_x<0时，产生一个x轴负方向的悬浮力。

当y轴方向悬浮绕组电流i_y>0时，气隙2(标号23)处的磁密与偏置绕组产生的磁密方向相同，磁场增加，气隙4(标号25)处的磁密与偏置绕组产生的磁密方向相反，磁场减弱，进而产生一个y轴正方向的悬浮力；同理，i_y<0时，产生一个y轴负方向的悬浮力。

因此，合理控制两个悬浮绕组电流的大小和方向，即可产生所需的悬浮力，以实现转子的两自由度的悬浮。

如图4所示，是悬浮绕组和转矩绕组的电感和电流波形示意图。图中，标号26、27、28、29分别为A相转矩绕组、B相转矩绕组、C相转矩绕组和悬浮绕组的电感曲线，标号30、31、32、33分别为A相转矩绕组、B相转矩绕组、C相转矩绕组和悬浮绕组的电流曲线，34、35、35分别为A相转矩绕组的第Ⅰ导通区间、续流区间和第Ⅱ导通区间。定义θ＝0为A相转矩绕组的不对齐位置，此时绕组电感最小。一个转子周期角为45°，每个悬浮控制区间为[0，45°]，其中，[0，22.5°]为正转矩区间，[22.5°，45°]为负转矩区间。

A相转矩绕组采用恒导通励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，在开关磁阻电机内产生转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；A转矩绕组依次经历三种励磁方式，分别为角度位置控制方式、续流励磁方式和电流斩波控制方式，A转矩绕组三种励磁方式的导通区间分别定义为第Ⅰ导通区间，续流区间和第Ⅱ导通区间；在第Ⅰ导通区间和续流区间，直接采集A相绕组的实时电流作为偏置绕组电流的参考值，在第Ⅱ导通区间，则基于磁轴承磁利用率最高的原则，优化计算出偏置绕组电流的参考值，然后通过控制两个悬浮绕组中的电流大小和方向，以调节悬浮力。

由于第Ⅰ导通区间和续流区间内，产生正转矩，两区间内的电流波形与传统开关磁阻电机相同，且采用适用于高速运行的角度位置控制方式。为此，本发明所采用的控制方法，依然可发挥开关磁阻电机的高速适应性，再结合磁悬浮运行，进一步拓宽了开关磁阻电机的高速运行范围。

如图5所示，是双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的***框图。控制过程为：将位移误差信号进行PID调节，获得给定悬浮力F_α*，F_β*，之后经过悬浮电流控制器，获得两悬浮绕组电流的参考值，利用电流斩波控制方法，让两个悬浮绕组的实际电流分别跟踪各自的参考值，以产生所需的悬浮力。

检测电机转子位置信息，经计算得到实际转速ω，将转速误差信号进行PI调节，获得每相转矩绕组的开通角θ_on和关断角θ_off，进而动态调节转矩。

与B、C相轮流导通的励磁方式不同，A相转矩绕组采用恒导通励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，在开关磁阻电机内产生转矩；A转矩绕组依次经历三种励磁方式，分别为角度位置控制方式、续流励磁方式和电流斩波控制方式，A转矩绕组三种励磁方式的导通区间分别定义为第Ⅰ导通区间，续流区间和第Ⅱ导通区间；在第Ⅰ导通区间和续流区间，直接采集A相绕组的实时电流作为偏置绕组电流的参考值，在第Ⅱ导通区间，则基于磁轴承磁利用率最高的原则，优化计算出偏置绕组电流的参考值。

为此，在第Ⅰ导通区间和续流区间内，转矩与悬浮力控制相互独立，且二者可解耦控制；另外，由于A相在第Ⅱ导通区间内仅让其实际电流跟踪参考值，在该区间内产生的负转矩，仍由开通角θ_on和关断角θ_off的动态调节，进行补偿；因此，在第Ⅱ导通区间内，转矩与悬浮力控制仍然相互独立，且二者依然可解耦控制。

如图6所示，是本发明控制方法中的第Ⅱ导通区内偏置电流计算方法框图。图中，k_f为悬浮力系数，其表达式为：

式中，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承的轴向长度，r为磁轴承转子的半径，α_s为径向磁轴承定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度。

磁轴承的x和y轴方向悬浮力F_α和F_β的表达式为：

F_α＝k_fN_bN_si_biasi_x (2)

F_β＝k_fN_bN_si_biasi_y (3)

式中，i_bias为磁轴承偏置绕组电流，i_x、i_y分别为径向磁轴承的x、y轴方向悬浮绕组电流，N_b为偏置绕组的匝数，N_s为悬浮绕组的匝数。

整合式(2)和(3)后，得

F_sum＝k_fN_bN_si_biasi_s (4)

式中，F_sum为x和y轴方向两悬浮力的合成值，i_s为i_x和i_y的合成值，表达式为

对于设计和制造完成的磁轴承，其结构参数和电磁参数确定，磁轴承的径向最大负荷为F_load已知，并当满足N_bi_bias＝N_si_s时，磁轴承的磁利用率最高，故可得到：

为此，在第Ⅱ导通区内，令A相转矩绕组电流(与偏置绕组电流相等，二者串联关系)的参考值I_m满足式(5)，即可磁轴承在该区间运行时的磁利用率最高。即：

控制中，实时检测A相转矩绕组在续流阶段的电流值i(θ)，其中i(θ)表示转子位置角θ为时的电流值，当检测到i(θ_s)＝I_m时，开通A相转矩绕组的功率开关，A相进入第Ⅱ导通区，直至转子位置角为θ＝θ_on+45°时，A相转矩绕组进入下一个第Ⅰ导通区。

在第Ⅱ导通区[θ_s，θ_on+45°]内，只需利用电流斩波控制方式，让A相转矩绕组的实际电流i_a跟踪其参考值I_m，即可控制第Ⅱ导通区内绕组电流波形，从而为磁轴承提供所需的偏置磁通，另外此区间绝大部分位于开关磁阻电机的负转矩区域，将产生一个与B相和C相方向相反的转矩。

如图7所示，是本发明控制方法中的各悬浮绕组电流计算方法框图。

在第Ⅰ导通区间，转速经PI调节后，转矩绕组的开通角，而关断角可保持固定，也可随转速的变化动态调整，此时三相转矩绕组采用角度位置控制方式，电流不控，只需实时监测A相转矩绕组的电流，即可得到偏置绕组的实时电流i_bias。

在续流区间，A相转矩绕组的功率开关关断，由于电流不能立即变为零，因此A相转矩绕组电流将经续流二极管向电源回馈能量，并且逐渐减小，直至当电流减小到i(θ_s)＝I_m时结束，随即进入第Ⅱ导通区间。

控制中，两个径向位移经PID调节后，可得到两个方向悬浮力的参考值和在第Ⅰ导通区间和续流区间内，基于公式(2)和(3)，可以得到两个方向悬浮绕组电流的参考值和即

在第Ⅱ导通区间，两个方向悬浮绕组电流的参考值和的计算公式分别为：

上述分析显示，转矩控制与悬浮力控制相互独立，且转矩与悬浮力也相互解耦；另外，在第Ⅱ导通区间内，偏置绕组电流的参考值，是基于磁轴承磁利用率最高的原则计算得到，为此该区间内悬浮运行，有利于减小磁轴承的铁心损耗，进而提升悬浮效率。

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，因此四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。

所述一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，A相转矩绕组采用恒导通励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，在开关磁阻电机内产生转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；A相转矩绕组依次经历三种励磁方式，分别为角度位置控制方式、续流励磁方式和电流斩波控制方式，A相转矩绕组三种励磁方式的导通区间分别定义为第Ⅰ导通区间，续流区间和第Ⅱ导通区间；在第Ⅰ导通区间和续流区间，直接采集A相转矩绕组的实时电流作为偏置绕组电流的参考值，在第Ⅱ导通区间，计算偏置绕组电流的参考值，使得磁轴承磁利用率最高；然后通过控制悬浮绕组中的电流大小和方向，以调节悬浮力；控制过程中，转矩控制与悬浮力控制相互独立，且转矩与悬浮力实现解耦控制；所述控制方法，包括如下步骤：

步骤A，获取开通角θ_on和关断角θ_off，具体步骤如下：

步骤A-1，采集磁阻电机转子实时转速，得到磁阻电机转子角速度ω；

步骤A-2，将磁阻电机转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θ_on和关断角θ_off；

步骤B，采集磁阻电机转子实时位置角θ，并判别各相励磁状态，具体步骤如下：

步骤B-1，当θ＝θ_ona时，开通A相转矩绕组功率电路的功率开关，A相转矩绕组开始励磁导通，A相进入第Ⅰ导通区间，当θ＝θ_offa时，关断A相转矩绕组功率开关，A相转矩绕组起始进入续流导通区间，其中θ_ona＝θ_on，θ_offa＝θ_off，第Ⅰ导通区间为[θ_ona，θ_offa]；

步骤B-2，当θ＝θ_onb时，开通B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相转矩绕组开始励磁导通，当θ＝θ_offb时，关断B相转矩绕组功率开关，B相转矩绕组结束励磁，其中θ_onb＝θ_ona+15°，θ_offb＝θ_offa+15°；

步骤B-3，当θ＝θ_onc时，开通C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相转矩绕组开始励磁导通，当θ＝θ_offc时，关断C相转矩绕组功率开关，C相转矩绕组结束励磁，其中θ_onc＝θ_ona+30°，θ_offc＝θ_offa+30°；

步骤C，获取A相转矩绕组第Ⅱ导通区间的起始角θ_s，判别A相转矩绕组续流导通期间和第Ⅱ导通区间对应的转子位置角，具体步骤如下：

步骤C-1，根据计算解算出第Ⅱ导通区间内偏置绕组电流的参考值I_m，其中，k_f为悬浮力系数，F_load为磁轴承最大径向负载，由磁轴承结构和电磁参数决定；式中，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承的轴向长度，r为磁轴承转子的半径，α_s为径向磁轴承定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，N_b为偏置绕组匝数；

步骤C-2，采集续流区间内A相转矩绕组的实时电流i，当i＝I_m时，立即开通A相转矩绕组功率电路的功率开关，A相转矩绕组进入第Ⅱ导通区间，此时对应的转子位置角即为第Ⅱ导通区间的起始角θ_s；当转子位置角θ＝θ_ona+45°时，第Ⅱ导通区间结束，A相转矩绕组进入下一个第Ⅰ导通区间；

续流区间对应的转子位置角为[θ_offa，θ_s]，第Ⅱ导通区对应的转子位置角为[θ_s，θ_ona+45°]；

步骤D，获取x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力具体步骤如下：

步骤D-1，获取转子在x轴和y轴方向的实时位移信号α和β，其中，x轴与所述水平方向磁轴承定子齿中心线重合，y轴与所述竖直方向磁轴承定子齿中心线重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤D-2，将实时位移信号α和β分别与给定的参考位移信号α^*和β^*相减，分别得到x方向和y方向的实时位移信号差Δα和Δβ，将所述实时位移信号差Δα和Δβ经过比例积分微分控制器，得到所述相x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤E-1，调节第Ⅰ导通区间和续流区间内的悬浮力，此时θ∈[θ_ona，θ_s]；

根据所述悬浮力和采集获得偏置绕组的实时电流参考值i_bias，以及电流计算公式和可解算得到第Ⅰ导通区间和续流区间内的x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值其中N_s为悬浮绕组匝数；

利用电流斩波控制方法，让两个悬浮绕组的实际电流i_x和i_y分别跟踪其参考值和从而实时调节该区间内的悬浮力；

步骤E-2，调节第Ⅱ导通区间的悬浮力，此时θ∈[θ_s，θ_ona+45°]；

根据所述悬浮力和步骤C-1中获得的偏置绕组电流参考值I_m，以及电流计算公式和可解算得到第Ⅱ导通区间内的x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值

利用电流斩波控制方法，让A相转矩绕组的实际电流i_a跟踪偏置绕组电流参考值I_m，让两个悬浮绕组的实际电流i_x和i_y分别跟踪其参考值和从而实时调节该区间内的悬浮力，进而实现每个转子周期的悬浮运行；

步骤F，调节转矩，通过调节开通角θ_on和关断角θ_off的取值，从而实时调节转矩；A相转矩绕组在第Ⅱ导通区间内仅让其实际电流跟踪参考值I_m，在该区间内产生的负转矩，仍由开通角θ_on和关断角θ_off的动态调节，进行补偿。

综上所述，本发明适用于所述双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机高速悬浮运行、转矩控制与悬浮力控制相互独立，且可实现转矩与悬浮力的解耦控制；另外，控制变量少，悬浮控制实施方便。

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。

Claims (1)

1.一种双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，所述双绕组复合结构磁悬浮开关磁阻电机包括1个开关磁阻电机和1个磁轴承，所述开关磁阻电机与磁轴承串联布置；

所述开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢绕组

所述磁轴承，包括磁轴承定子、磁轴承转子、偏置线圈和悬浮线圈；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子套在转轴上；

所述磁阻电机定子为凸极结构，磁阻电机定子齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；

所述磁轴承转子为凸极结构，磁轴承转子齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；

所述磁轴承定子为凸极结构，磁轴承定子齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；

每个磁阻电机定子齿上绕有1个电枢绕组，相隔90°的4个电枢绕组串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A相转矩绕组串、B相转矩绕组和C相转矩绕组，其中，B相转矩绕组、C相转矩绕组与A相转矩绕组串在空间上分别相差30°和-30°；

所述磁轴承定子齿上均绕有1个偏置线圈和1个悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个悬浮线圈；

位于水平方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个x轴方向悬浮绕组，位于竖直方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个y轴方向悬浮绕组，所述x轴方向悬浮绕组与y轴方向悬浮绕组在空间上相差90°；

所有偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；所述1个偏置绕组与A相转矩绕组串串联，构成A相转矩绕组；

其特征在于，A相转矩绕组采用恒导通励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，在开关磁阻电机内产生转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；A相转矩绕组依次经历三种励磁方式，分别为角度位置控制方式、续流励磁方式和电流斩波控制方式，A相转矩绕组三种励磁方式的导通区间分别定义为第Ⅰ导通区间，续流区间和第Ⅱ导通区间；在第Ⅰ导通区间和续流区间，直接采集A相转矩绕组的实时电流作为偏置绕组电流的参考值，在第Ⅱ导通区间，计算偏置绕组电流的参考值，使得磁轴承磁利用率最高；然后通过控制悬浮绕组中的电流大小和方向，以调节悬浮力；控制过程中，转矩控制与悬浮力控制相互独立，且转矩与悬浮力实现解耦控制；所述控制方法，包括如下步骤：

步骤A，获取开通角θ_on和关断角θ_off，具体步骤如下：

步骤A-1，采集磁阻电机转子实时转速，得到磁阻电机转子角速度ω；

步骤A-2，将磁阻电机转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θ_on和关断角θ_off；

步骤B，采集磁阻电机转子实时位置角θ，并判别各相励磁状态，具体步骤如下：

步骤B-1，当θ＝θ_ona时，开通A相转矩绕组功率电路的功率开关，A相转矩绕组开始励磁导通，A相进入第Ⅰ导通区间，当θ＝θ_offa时，关断A相转矩绕组功率开关，A相转矩绕组起始进入续流导通区间，其中θ_ona＝θ_on，θ_offa＝θ_off，第Ⅰ导通区间为[θ_ona，θ_offa]；

步骤B-2，当θ＝θ_onb时，开通B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相转矩绕组开始励磁导通，当θ＝θ_offb时，关断B相转矩绕组功率开关，B相转矩绕组结束励磁，其中θ_onb＝θ_ona+15°，θ_offb＝θ_offa+15°；

步骤B-3，当θ＝θ_onc时，开通C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相转矩绕组开始励磁导通，当θ＝θ_offc时，关断C相转矩绕组功率开关，C相转矩绕组结束励磁，其中θ_onc＝θ_ona+30°，θ_offc＝θ_offa+30°；

步骤C，获取A相转矩绕组第Ⅱ导通区间的起始角θ_s，判别A相转矩绕组续流导通期间和第Ⅱ导通区间对应的转子位置角，具体步骤如下：

步骤C-1，根据计算解算出第Ⅱ导通区间内偏置绕组电流的参考值I_m，其中，k_f为悬浮力系数，F_load为磁轴承最大径向负载，由磁轴承结构和电磁参数决定；式中，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承的轴向长度，r为磁轴承转子的半径，α_s为径向磁轴承定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，N_b为偏置绕组匝数；

步骤C-2，采集续流区间内A相转矩绕组的实时电流i，当i＝I_m时，立即开通A相转矩绕组功率电路的功率开关，A相转矩绕组进入第Ⅱ导通区间，此时对应的转子位置角即为第Ⅱ导通区间的起始角θ_s；当转子位置角θ＝θ_ona+45°时，第Ⅱ导通区间结束，A相转矩绕组进入下一个第Ⅰ导通区间；

续流区间对应的转子位置角为[θ_offa，θ_s]，第Ⅱ导通区对应的转子位置角为[θ_s，θ_ona+45°]；

步骤D，获取x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力具体步骤如下：

步骤D-1，获取转子在x轴和y轴方向的实时位移信号α和β，其中，x轴与所述水平方向磁轴承定子齿中心线重合，y轴与所述竖直方向磁轴承定子齿中心线重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤D-2，将实时位移信号α和β分别与给定的参考位移信号α^*和β^*相减，分别得到x方向和y方向的实时位移信号差Δα和Δβ，将所述实时位移信号差Δα和Δβ经过比例积分微分控制器，得到所述x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤E-1，调节第Ⅰ导通区间和续流区间内的悬浮力，此时θ∈[θ_ona，θ_s]；

根据所述悬浮力和采集获得偏置绕组的实时电流参考值i_bias，以及电流计算公式和可解算得到第Ⅰ导通区间和续流区间内的x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值其中N_s为悬浮绕组匝数；

利用电流斩波控制方法，让两个悬浮绕组的实际电流i_x和i_y分别跟踪其参考值和从而实时调节该区间内的悬浮力；

步骤E-2，调节第Ⅱ导通区间的悬浮力，此时θ∈[θ_s，θ_ona+45°]；

根据所述悬浮力和步骤C-1中获得的偏置绕组电流参考值I_m，以及电流计算公式和可解算得到第Ⅱ导通区间内的x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值

利用电流斩波控制方法，让A相转矩绕组的实际电流i_a跟踪偏置绕组电流参考值I_m，让两个悬浮绕组的实际电流i_x和i_y分别跟踪其参考值和从而实时调节该区间内的悬浮力，进而实现每个转子周期的悬浮运行；

步骤F，调节转矩，通过调节开通角θ_on和关断角θ_off的取值，从而实时调节转矩；A相转矩绕组在第Ⅱ导通区间内仅让其实际电流跟踪参考值I_m，在该区间内产生的负转矩，仍由开通角θ_on和关断角θ_off的动态调节，进行补偿。