專利名稱：無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)加寬導(dǎo)通控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)加寬導(dǎo)通控制策略的方法，屬于開關(guān)
磁阻發(fā)電機(jī)控制的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)將應(yīng)用于高速驅(qū)動領(lǐng)域的無軸承技術(shù)和開關(guān)磁阻 電機(jī)的發(fā)電技術(shù)相結(jié)合。懸浮繞組既提供懸浮力，又提供勵磁，主繞組能在整個周期內(nèi)均向 外輸出電能，有望提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。 目前采用的控制策略是輪流導(dǎo)通控制。在12/8結(jié)構(gòu)實(shí)驗樣機(jī)中，每相各導(dǎo)通15 度。 ①無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)的研究剛剛起步，尚處于探索階段，國際國內(nèi)只 有本實(shí)驗室在進(jìn)行相關(guān)的研究。 ②傳統(tǒng)輪流導(dǎo)通控制策略勵磁寬度受到限制，不能充分勵磁，影響輸出功率。
③輪流導(dǎo)通控制策略存在相與相交接處懸浮力不足的問題，對發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行有 影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī) 加寬導(dǎo)通控制方法。 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)加寬導(dǎo)通控制方法，其特征在于包括如下步 驟 a)采用a軸位移傳感器采集得到無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫向?qū)崟r 位移信號a，采用P軸位移傳感器采集得到無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向?qū)?時位移信號P，將所述橫向?qū)崟r位移信號a和給定的無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 的橫向參考位移信號^經(jīng)過a方向位置環(huán)得到橫向位移差A(yù) a ，將所述縱向?qū)崟r位移信 號P和給定的無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向參考位移信號！3*經(jīng)過13方向位置環(huán)得到縱向位移 差A(yù) |3 ，將所述橫向位移差A(yù) a經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器得到給定的a軸懸浮力Fa *，將所述縱向 位移差A(yù) |3經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器得到給定的13軸懸浮力F/;通過電壓傳感器采集到發(fā)電電 壓U。，發(fā)電電壓U。和給定的參考發(fā)電電壓U^經(jīng)過電壓環(huán)得到電壓偏差A(yù)U，電壓偏差A(yù)U 經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到給定的勵磁電流is* ;將電流傳感器采集到發(fā)電電流im，通過位移傳感器 采集到轉(zhuǎn)子位置9 ，通過a軸懸浮力F/、 13軸懸浮力F/、給定的勵磁電流i/、發(fā)電電流 im和轉(zhuǎn)子位置9經(jīng)過懸浮繞組控制器得到各套繞組勵磁電流；用電流斬波控制方法讓懸 浮繞組實(shí)際電流跟蹤一相四極懸浮繞組電流的給定值isl*、is2*、is3*、is4*，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膽腋?力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)懸浮的同時實(shí)現(xiàn)對發(fā)電電壓的實(shí)時控制；
b)所述加寬導(dǎo)通控制方法如下
i)初始化勵磁導(dǎo)通區(qū)間[e 。n， e 。ff]，所述勵磁導(dǎo)通區(qū)間[e 。n， e 。ff]包括懸浮區(qū) 間[^， 92]和加寬區(qū)間，其中e。n為勵磁導(dǎo)通區(qū)開通位置，e。ff為勵磁導(dǎo)通區(qū)關(guān)斷位置， e工為懸浮區(qū)開通位置，92為懸浮區(qū)關(guān)斷位置，下同； 2)當(dāng)步驟l所述的勵磁導(dǎo)通區(qū)間[e 。n， e 。ff]大于或等于輪流導(dǎo)通的寬度15° ，
則進(jìn)入步驟3，否則返回步驟i，重新初始化勵磁導(dǎo)通區(qū)間[e 。n， e 。ff]; 3)在勵磁導(dǎo)通區(qū)間[e 。n， e 。ff]內(nèi)選擇合適的懸浮區(qū)間[e p e 2]，在懸浮區(qū)間內(nèi)，
通過電流斬波控制的方法，將對應(yīng)導(dǎo)通相的勵磁電流跟蹤給定勵磁電流產(chǎn)生懸浮力；懸浮
區(qū)間按照不同的要求有以下兩種選取方法。
①提供相等的懸浮力時懸浮電流較小當(dāng)9加>15° ，則e 1= e。n， e2= e。n+i5° ;當(dāng)9。 <30° ，則e工=e 。ff-i5° ，
e2 = e。ff ;否則，e! = 15° ， e2 = 30° ; ②懸浮力較穩(wěn)定e2 = eoffi e工=eoff-i5° ;4)當(dāng)當(dāng)前導(dǎo)通相的角度e 3在勵磁導(dǎo)通區(qū)間，則進(jìn)入步驟5，否則返回步驟4 ; 5)輸出所需勵磁電流a)當(dāng)e 3 g [ e p e 2]時，根據(jù)所需的懸浮力通過dsp計算出各個勵磁繞組所需
的電流，并通過懸浮繞組逆變器輸出給勵磁繞組； 當(dāng)e3 g [e。n， e》u (e2， e 。ff]時，導(dǎo)通相各個勵磁繞組電流均等于勵磁 繞組電流給定值，通過懸浮繞組逆變器輸出給勵磁繞組。 本發(fā)明方法具有以下特點(diǎn)①本優(yōu)化方法通過仿真和實(shí)驗驗證，通過加寬勵磁導(dǎo) 通區(qū)間，能解決勵磁不足的問題，有效提高輸出功率；②本優(yōu)化方法改善了懸浮力，為解決 相與相之間懸浮力不足的問題提供了一個新的途徑； 總的來說，無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)加寬導(dǎo)通控制策略的方法是一種通過仿 真和實(shí)驗驗證，過程簡單的優(yōu)化方法。


圖l為本發(fā)明中12/8結(jié)構(gòu)樣機(jī)角度定義示意圖；定義轉(zhuǎn)子極軸線與定子槽軸線對 齊位置為0。，則相電感最大值對應(yīng)22.5。。 圖2為本發(fā)明典型電流波形；勵磁電流導(dǎo)通區(qū)間[9 。n， 9 。ff]分為兩部分懸浮區(qū) 間[^， 92]和加寬區(qū)間。在懸浮區(qū)間內(nèi)，勵磁繞組既要勵磁，又要提供懸浮力；在加寬區(qū) 間內(nèi)，勵磁繞組只需勵磁，無需提供懸浮力。 圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；圖中懸浮繞組即為勵磁繞組，每套勵磁繞組單獨(dú)控制。 主繞組每相串聯(lián)整流。將位移誤差信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)獲得給定懸浮力Fa *， F/，將發(fā)電電壓 誤差信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)獲得給定懸浮電流i/，再結(jié)合實(shí)測主繞組電流im和位置信號參數(shù)e ， 即可通過懸浮繞組電流控制器計算出一相四極懸浮繞組電流的給定值i/、 is2*、 is3*、 is4*。 用電流斬波控制讓實(shí)際電流跟蹤isl*、 is2*、 is3*、 is4*，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膽腋×?，?shí)現(xiàn)電機(jī)懸浮的 同時實(shí)現(xiàn)對發(fā)電電壓的實(shí)時控制；
圖4為本發(fā)明的主流程圖；
圖5為本發(fā)明主流程圖中計算1的流程4
圖6為本發(fā)明主流程圖中計算2的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖l為本發(fā)明中12/8結(jié)構(gòu)樣機(jī)角度定義示意圖；定義轉(zhuǎn)子極軸線與定子槽軸線對 齊位置為0。，則相電感最大值對應(yīng)22.5。。 圖2為本發(fā)明典型電流波形；勵磁電流導(dǎo)通區(qū)間[9 。n， 9 。ff]分為兩部分懸浮區(qū) 間[^， 92]和加寬區(qū)間。在懸浮區(qū)間內(nèi)，勵磁繞組既要勵磁，又要提供懸浮力；在加寬區(qū) 間內(nèi)，勵磁繞組只需勵磁，無需提供懸浮力。 如圖3，圖4所示，本發(fā)明所述方法分為以下步驟1.初始化導(dǎo)通區(qū)間。2.判斷導(dǎo) 通區(qū)間是否合理，合理進(jìn)入下一步驟，否則回到步驟l，重新初始化。3.根據(jù)不同的要求，選 擇懸浮區(qū)間，剩余導(dǎo)通區(qū)間即為加寬區(qū)間。4.針對不同的導(dǎo)通區(qū)間，計算出不同的勵磁電 流，通過逆變器輸出給勵磁繞組。 本發(fā)明無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)加寬導(dǎo)通控制方法，其特征在于包括如下步 驟采用a軸位移傳感器采集得到無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫向?qū)崟r位移信 號a，采用P軸位移傳感器采集得到無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向?qū)崟r位移 信號P，將所述橫向?qū)崟r位移信號a和給定的永無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫 向參考位移信號^經(jīng)過a方向位置環(huán)得到橫向位移差A(yù) a ，將所述縱向?qū)崟r位移信號 P和給定的永磁型無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向參考位移信號！3*經(jīng)過P方向位置環(huán)得到縱向 位移差A(yù) |3 ，將所述橫向位移差A(yù) a經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器得到給定的a軸懸浮力F/，將所述 縱向位移差A(yù) |3經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器得到給定的13軸懸浮力F/。通過電壓傳感器采集到發(fā) 電電壓U。，發(fā)電電壓U。和給定的參考發(fā)電電壓U。*經(jīng)過電壓環(huán)得到電壓偏差A(yù) U，電壓偏差 AU經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到給定的勵磁電流i/。通過電流傳感器采集到發(fā)電電流im。通過位 移傳感器采集到轉(zhuǎn)子位置9 。通過a軸懸浮力F/， 13軸懸浮力F/，給定的勵磁電流i/， 發(fā)電電流im和轉(zhuǎn)子位置e可在懸浮繞組控制器中算出各套繞組勵磁電流。用電流斬波控 制讓實(shí)際電流跟蹤isl*、 is2*、 is3*、 is4*，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膽腋×?，?shí)現(xiàn)電機(jī)懸浮的同時實(shí)現(xiàn)對發(fā) 電電壓的實(shí)時控制；勵磁繞組控制方法即所述加寬導(dǎo)通控制方法如下i)初始化所述無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)的導(dǎo)通區(qū)間[e 。n， e 。ff];2)合理的導(dǎo)通區(qū)間[e 。n， e 。ff]應(yīng)滿足大于或等于輪流導(dǎo)通的寬度15° 。若不滿
足，則返回步驟l，重新選擇導(dǎo)通區(qū)間；若滿足導(dǎo)通寬度合理，進(jìn)入步驟3。 3)在導(dǎo)通區(qū)間[e 。n， e 。ff]內(nèi)選擇合適的懸浮區(qū)間[e p e 2]。在懸浮區(qū)間內(nèi)，通 過調(diào)節(jié)對應(yīng)導(dǎo)通相的勵磁電流產(chǎn)生懸浮力。導(dǎo)通區(qū)間中除去懸浮區(qū)間剩余的部分就是加寬 區(qū)間，它只勵磁，不產(chǎn)生懸浮力。懸浮區(qū)間按照不同的要求可以有以下兩種選取方法。 ①提供相等的懸浮力時懸浮電流最小的原則 如果e 。n > 15° ，則e工=e 。n， e 2 = e 。n+i5° ;如果e 。ff < 30° ，則e工=
e。ff-i5° ， e2= e。ff;否則，e1 = is° ， e2 = 30° 。 這種選取方法令[e p e 2]所處區(qū)間的電感值最大，相同電流產(chǎn)生的麥克斯韋力 最大。 ②懸浮力最穩(wěn)定的原則 e2 = eoffi e工=eoff-i5° 。
這種選取方法令[^，^]盡量遠(yuǎn)離勵磁繞組剛開通的位置e 1Q通過避開懸浮電 流不可控的區(qū)域，懸浮力更穩(wěn)定。 4)通過傳感器測得轉(zhuǎn)子位置e ，當(dāng)e g [ e 。n， e 。ff]時，當(dāng)前相導(dǎo)通，進(jìn)入步驟5 ; 否則，繼續(xù)在步驟4中等待。
5)判斷當(dāng)前導(dǎo)通相的角度e所在區(qū)間，當(dāng)e g e2]時，進(jìn)入步驟6，否則，
進(jìn)入步驟7。 6)當(dāng)前導(dǎo)通相在懸浮區(qū)間，進(jìn)入計算1 (見附圖5)。將位移誤差信號進(jìn)行PID調(diào) 節(jié)獲得給定懸浮力Fa*， F/，將發(fā)電電壓誤差信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)獲得給定懸浮電流i/，再結(jié) 合實(shí)測主繞組電流im和位置信號參數(shù)9 ，得到給定懸浮力的電流方程
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Kf ( e )是懸浮力系數(shù)，Nm是主繞組匝數(shù)，Nb是懸浮繞組匝數(shù)。再結(jié)合關(guān)系式
<formula>formula see original document page 6</formula>) 即可計算出導(dǎo)通相各套懸浮繞組電流給定值isl*、 is2*、 is3*、 is4*。
然后轉(zhuǎn)到步驟8。 7)當(dāng)前導(dǎo)通相在加寬區(qū)間，進(jìn)入計算2(見附圖6)。將發(fā)電電壓誤差信號進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)獲得給定懸浮電流is*。由于在該區(qū)間不需要提供懸浮力，<formula>formula see original document page 6</formula> 8)對導(dǎo)通相各套懸浮繞組通勵磁電流。勵磁電流通過斬波控制使大小滿足以下關(guān) 系<formula>formula see original document page 6</formula>
權(quán)利要求
一種無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)加寬導(dǎo)通控制方法，其特征在于包括如下步驟a)采用α軸位移傳感器采集得到無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫向?qū)崟r位移信號α，采用β軸位移傳感器采集得到無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向?qū)崟r位移信號β，將所述橫向?qū)崟r位移信號α和給定的無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的橫向參考位移信號α*經(jīng)過α方向位置環(huán)得到橫向位移差Δα，將所述縱向?qū)崟r位移信號β和給定的無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向參考位移信號β*經(jīng)過β方向位置環(huán)得到縱向位移差Δβ，將所述橫向位移差Δα經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器得到給定的α軸懸浮力Fα*，將所述縱向位移差Δβ經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器得到給定的β軸懸浮力Fβ*；通過電壓傳感器采集到發(fā)電電壓Uo，發(fā)電電壓Uo和給定的參考發(fā)電電壓Uo*經(jīng)過電壓環(huán)得到電壓偏差ΔU，電壓偏差ΔU經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到給定的勵磁電流is*；將電流傳感器采集到發(fā)電電流im，通過位移傳感器采集到轉(zhuǎn)子位置θ，通過α軸懸浮力Fα*、β軸懸浮力Fβ*、給定的勵磁電流is*、發(fā)電電流im和轉(zhuǎn)子位置θ經(jīng)過懸浮繞組控制器得到各套繞組勵磁電流；用電流斬波控制方法讓懸浮繞組實(shí)際電流跟蹤一相四極懸浮繞組電流的給定值is1*、is2*、is3*、is4*，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膽腋×?，?shí)現(xiàn)電機(jī)懸浮的同時實(shí)現(xiàn)對發(fā)電電壓的實(shí)時控制；b)所述加寬導(dǎo)通控制方法如下1)初始化勵磁導(dǎo)通區(qū)間[θon，θoff]，所述勵磁導(dǎo)通區(qū)間[θon，θoff]包括懸浮區(qū)間[θ1，θ2]和加寬區(qū)間，其中θon為勵磁導(dǎo)通區(qū)開通位置，θoff為勵磁導(dǎo)通區(qū)關(guān)斷位置，θ1為懸浮區(qū)開通位置，θ2為懸浮區(qū)關(guān)斷位置，下同；2)當(dāng)步驟1所述的勵磁導(dǎo)通區(qū)間[θon，θoff]大于或等于輪流導(dǎo)通的寬度15°，則進(jìn)入步驟3，否則返回步驟1，重新初始化勵磁導(dǎo)通區(qū)間[θon，θoff]；3)在勵磁導(dǎo)通區(qū)間[θon，θoff]內(nèi)選擇合適的懸浮區(qū)間[θ1，θ2]，在懸浮區(qū)間內(nèi)，通過電流斬波控制的方法，將對應(yīng)導(dǎo)通相的勵磁電流跟蹤給定勵磁電流產(chǎn)生懸浮力；懸浮區(qū)間按照不同的要求有以下兩種選取方法①提供相等的懸浮力時懸浮電流較小當(dāng)θon＞15°，則θ1＝θon，θ2＝θon+15°；當(dāng)θoff＜30°，則θ1＝θoff-15°，θ2＝θoff；否則，θ1＝15°，θ2＝30°；②懸浮力較穩(wěn)定θ2＝θoff且θ1＝θoff-15°；4)當(dāng)當(dāng)前導(dǎo)通相的角度θ3在勵磁導(dǎo)通區(qū)間，則進(jìn)入步驟5，否則返回步驟4；5)輸出所需勵磁電流α)當(dāng)θ3∈[θ1，θ2]時，根據(jù)所需的懸浮力通過DSP計算出各個勵磁繞組所需的電流，并通過懸浮繞組逆變器輸出給勵磁繞組；β)當(dāng)θ3∈[θon，θ1)∪(θ2，θoff]時，導(dǎo)通相各個勵磁繞組電流均等于勵磁繞組電流給定值，通過懸浮繞組逆變器輸出給勵磁繞組。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種無軸承開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)加寬導(dǎo)通控制方法，屬于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明1.首先給出加寬過的勵磁導(dǎo)通區(qū)間，根據(jù)兩種不同的要求在導(dǎo)通區(qū)間中選取一個特定的區(qū)間提供懸浮力。2.然后針對不同的區(qū)間給出不同的勵磁電流。本發(fā)明基于仿真和實(shí)驗，簡單易行。
文檔編號H02P9/14GK101697472SQ20091018494
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者周芹, 姚瑱, 莊錚, 曹鑫, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學(xué);