專利名稱：一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制方法，屬于無軸承開關(guān)磁阻
電機(jī)的控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，因此引入了位置傳感器。它的引 入不僅提高了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，更重要的是會(huì)降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響電機(jī)的 可靠運(yùn)行，尤其是在某些惡劣的應(yīng)用環(huán)境下。因此如何去掉位置傳感器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更堅(jiān) 固，運(yùn)行更可靠，成本更低廉是開關(guān)磁阻電機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)(BSRM)是利用磁軸承結(jié)構(gòu)與電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的相似性，將懸 浮繞組集成到電機(jī)中，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和懸浮控制。將無軸承技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)磁 阻電機(jī)不僅可充分發(fā)揮其高速適應(yīng)性，而且由于對(duì)轉(zhuǎn)子徑向位置的控制而有望改善其因不 對(duì)稱磁拉力造成的振動(dòng)和噪聲問題。無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)同樣存在引入位置傳感器帶來的 問題，然而由于無軸承電機(jī)系統(tǒng)控制方式的特殊性，決定了要實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的無位置技術(shù)不 能只是普通開關(guān)磁阻電機(jī)的位置檢測(cè)方法的簡(jiǎn)單移植。目前無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)無位置技 術(shù)的研究處于起始階段，無位置技術(shù)的引入無疑將大大提高無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的整體性

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，利用BSRM主繞組電感與轉(zhuǎn)子 位置角之間的相關(guān)規(guī)律，同時(shí)結(jié)合BSRM的空、負(fù)載控制的特點(diǎn)，從而得到實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子位置 信息，以及主繞組的換相信號(hào)，提供一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制方法。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制方法，其特征在于包括如下步驟
第一步根據(jù)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)主繞組電感的數(shù)學(xué)模型 Zm 2《
6/
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Lm與轉(zhuǎn)子位置角e的關(guān)系表 無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電感上升區(qū)表_7. 5° 0° 7. 5° ; 無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電感上升區(qū)表-15° 0° 15° ;
,得到主繞組電感
0° ，電感下降區(qū)表
0° ，電感下降區(qū)表 其中-^W《^，Nm為主繞組匝數(shù)，i!。是空氣的磁導(dǎo)率，h是轉(zhuǎn)軸的軸向長(zhǎng)度，1
g0為轉(zhuǎn)子未偏心時(shí)的平均氣隙長(zhǎng)度，r為轉(zhuǎn)子極的半徑； 第二步通過傳感器檢測(cè)得到導(dǎo)通相的主繞組電流和電壓，利用磁鏈積分計(jì)算磁 鏈大小 其中Vk為第k相主繞組磁鏈，vk為第k相主繞組端電壓，Rk為第k相主繞組等效 電阻，ik第k相主繞組電流；將所述導(dǎo)通相主繞組的磁鏈除以導(dǎo)通相主繞組的電流即得到 主繞組實(shí)時(shí)電感； 第三步(a)當(dāng)所述無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，若此時(shí)處于主繞組電感上 升區(qū)，查詢第一步所述關(guān)系表的-7.5° 0°處得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角e ;若此時(shí)處于主 繞組電感下降區(qū)，經(jīng)過第二步得到此時(shí)的主繞組實(shí)時(shí)電感，根據(jù)所述的此時(shí)主繞組實(shí)時(shí)電 感查詢第一步所述關(guān)系表的O。 7.5°處得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角e ;
當(dāng)所述無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，固定在-7. 5° 7. 5°處開通主繞組， 關(guān)斷角位置為7. 5° ;在主繞組電感下降區(qū)，若所述的此時(shí)主繞組實(shí)時(shí)電感大于主繞組關(guān)斷 角位置電感b (7. 5° )，則該相主繞組繼續(xù)導(dǎo)通，否則，關(guān)斷該相主繞組同時(shí)開通下一相主 繞組，其中i表示導(dǎo)通的主繞組； (b)當(dāng)所述無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若此時(shí)處于主繞組電感上升區(qū)，查詢 第一步所述關(guān)系表的-15° 0°處得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角9 ;若此時(shí)處于主繞組電感下 降區(qū)，根據(jù)第二步得到的此時(shí)主繞組實(shí)時(shí)電感查詢第一步所述關(guān)系表的O。 15°處得到 此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角e ; 在主繞組電感下降區(qū)，當(dāng)所述的此時(shí)主繞組實(shí)時(shí)電感大于關(guān)斷角^;-^處的電感 A(^;-^)，則該相主繞組繼續(xù)導(dǎo)通，否則，關(guān)斷該相主繞組同時(shí)開通下一相主繞組，其中
9m為超前角。 本發(fā)明方法不需要額外增添任何硬件電路，算法簡(jiǎn)單可行，可以為無軸承開關(guān)磁
阻電機(jī)的懸浮和轉(zhuǎn)矩控制提供準(zhǔn)確的位置信號(hào)和換相信號(hào)，控制非常靈活，有利于提高無 軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的整體性能。


圖1為無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)框圖。 圖2為傳統(tǒng)的位置傳感器安裝示意圖。 其中P、 Q、 R為三個(gè)位置傳感器。 圖3為空載運(yùn)行BSRM無位置傳感器控制框圖。 圖4為e 。n = -7. 5°時(shí)三相繞組電感、磁鏈、電流及A相繞組電流電磁轉(zhuǎn)矩示意 圖。 圖5為主繞組電感_角度表格的獲取。 圖6為BSRM空載運(yùn)行時(shí)A相位置信號(hào)獲取流程。 圖7為BSRM空載運(yùn)行時(shí)C相位置信號(hào)獲取流程。 圖8為BSRM空載運(yùn)行時(shí)B相位置信號(hào)獲取流程。
圖9方波電流控制策略超前角和繞組電流計(jì)算結(jié)果，(a)理想超前角9 m*(b)主繞 組電流im*， (c)懸浮繞組電流is*。 圖10為負(fù)載運(yùn)行BSRM無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖。 圖11為方波電流控制策略繞組電感、磁鏈和電流示意圖。 圖12為BSRM負(fù)載運(yùn)行時(shí)A相位置信號(hào)獲取流程。 圖13為BSRM負(fù)載運(yùn)行時(shí)C相位置信號(hào)獲取流程。 圖14為BSRM負(fù)載運(yùn)行時(shí)B相位置信號(hào)獲取流程。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明根據(jù)主繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角的特定關(guān)系，以及BSRM空載和負(fù)載運(yùn)行的 特點(diǎn)，同時(shí)可以得到轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置和主繞組的換相信號(hào)。利用該方法可以實(shí)現(xiàn)BSRM的無 位置傳感器運(yùn)行。 下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明 圖1為無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)框圖，主要包括電機(jī)本體、DSP控制單元、CPLD邏 輯控制單元、功率變換器、傳感器檢測(cè)單元、PID調(diào)節(jié)單元、保護(hù)單元和相關(guān)輔助電路等。
圖2為傳統(tǒng)的位置傳感器安裝示意圖，系統(tǒng)中采用的是光電式位置檢測(cè)器。轉(zhuǎn)子 角度傳感器安裝在定子上，由三個(gè)光電開關(guān)A、B、C組成，AB之間、BC之間間隔60度。與轉(zhuǎn) 子同軸的轉(zhuǎn)盤為8個(gè)齒，齒槽弧度相等，為22. 5度。通過檢測(cè)器轉(zhuǎn)盤與電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)位置 的調(diào)整固定，利用基本信號(hào)的上下跳變作為參考的基準(zhǔn)信息，得到三相的基本觸發(fā)信號(hào)。
圖3為空載運(yùn)行BSRM無位置傳感器控制框圖。其中虛線框內(nèi)的部分均由DSP和 CPLD來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)主要分為4大部分電機(jī)本體部分、無位置傳感器位置檢測(cè)部分、主 繞組控制部分以及懸浮繞組控制部分。 無位置傳感器位置檢測(cè)部分利用電流傳感器和電壓傳感器檢測(cè)到的主繞組電流 和電壓信號(hào)，經(jīng)DSP通過本發(fā)明采用的無位置算法而得到主繞組的換相信號(hào)以及轉(zhuǎn)子的實(shí) 時(shí)位置信號(hào)。 主繞組控制部分利用本發(fā)明無位置傳感器算法，經(jīng)DSP實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子實(shí)際速度 和轉(zhuǎn)子的位置角后，采用PI調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)改變控制轉(zhuǎn)矩大小的主繞組電流從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。根據(jù) 主繞組換相信號(hào)以及電流傳感器檢測(cè)的主繞組電流大小進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出A、B、C三相主 繞組的開通關(guān)斷信號(hào)。 懸浮繞組控制部分由電渦流位移傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子偏離中心位置，位移偏移量 經(jīng)位置PID控制器調(diào)節(jié)，輸出把轉(zhuǎn)子拉回到中心位置的懸浮力給定值F。和Fe。此時(shí)的F。 和Fe是電機(jī)轉(zhuǎn)子在水平和豎直方向所需要的懸浮力，將這兩個(gè)方向的懸浮力分配給電機(jī) 的三相繞組，使電機(jī)的每相繞組獨(dú)立工作時(shí)，其繞組電流產(chǎn)生的力等效于F。和Fe。 DSP根 據(jù)懸浮力公式計(jì)算出每一時(shí)刻懸浮繞組電流的給定值ial、 ia2、 ibl、 ib2、 U、 U，并且根據(jù)轉(zhuǎn) 子位置角和電流傳感器檢測(cè)的各懸浮繞組電流的大小進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出懸浮繞組開通關(guān) 斷信號(hào)。 圖4 e 。n = -7. 5°時(shí)三相繞組電感、磁鏈、電流及A相繞組電流電磁轉(zhuǎn)矩示意圖。 傳統(tǒng)的無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)選擇單相導(dǎo)通的工作方式，每相導(dǎo)通寬度為T = 15° 。電機(jī)在 理想空轉(zhuǎn)矩負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，繞組電流產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)為零。以A相為例說明，要求產(chǎn)生正負(fù)轉(zhuǎn)矩的區(qū)域各占一半，正負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩相互抵消，既可滿足平均電磁轉(zhuǎn)矩為零的條件， 又為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩空載下的穩(wěn)定懸浮提高了必要條件，因此A相繞組的開通角選擇為_7. 5° ， 則關(guān)斷角為7.5。。圖4所示為A相繞組開通角為-7.5。時(shí)三相繞組的電感曲線、三相主 繞組磁鏈波形、理想的主、懸浮繞組電流波形和A相繞組電磁轉(zhuǎn)矩波形的示意圖。
圖5為主繞組電感_角度表格的獲取過程。以A相繞組為例，利用主繞組電感的 數(shù)學(xué)模型，可以得到關(guān)于主繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系表格。數(shù)學(xué)模型中，Nm為主繞組匝 數(shù)，P。是空氣的磁導(dǎo)率，h是軸向長(zhǎng)度，"。為轉(zhuǎn)子未偏心時(shí)的平均氣隙長(zhǎng)度，9是轉(zhuǎn)子位 置角，l^為A相主繞組Nma的自感，a和13分別代表轉(zhuǎn)子在a軸和|3軸上的位移，"。相 對(duì)于a和p來說足夠大。 圖6 8為BSRM空載運(yùn)行時(shí)A C B三相位置信號(hào)獲取流程，即本發(fā)明的BSRM 空載狀態(tài)無位置算法。其主要包含以下幾個(gè)步驟 1.通過檢測(cè)導(dǎo)通相的主繞組電流和電壓，利用磁鏈積分可以得到主繞組磁鏈。將
磁鏈除以電流即得到主繞組實(shí)時(shí)電感； 2.判斷此時(shí)處于電感上升區(qū)還是電感下降區(qū)； 3.空載運(yùn)行時(shí)，若此時(shí)處于電感上升區(qū)，查詢-7. 5° 0°電感-位置角表格，可
以得到此時(shí)的位置角信息；若此時(shí)處于電感下降區(qū)，計(jì)算此時(shí)的實(shí)時(shí)電感，通過查詢O。
7.5°電感-位置角表格，得到此時(shí)的位置角信息；空載運(yùn)行時(shí)為固定-7.5° 7.5°開通，
主繞組關(guān)斷角位置為7.5。，在電感下降區(qū)比較實(shí)時(shí)電感與該位置電感Li(7.5。)大小，若
前者大于后者，則該相主繞組繼續(xù)導(dǎo)通，反之，關(guān)斷該相同時(shí)開通下一相； 圖9為基于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)，計(jì)算出的理想超前角9 m、主繞組電流im和懸浮繞組電
流is優(yōu)化結(jié)果。a和P方向合成徑向懸浮力幅值F的變化范圍為
，平均轉(zhuǎn)矩T^
變化范圍為
，主繞組電流的限值為20A，懸浮繞組電流限值為15A。 圖10為負(fù)載運(yùn)行BSRM無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖。與圖3相似，整個(gè)系統(tǒng)分為
4大部分電機(jī)本體部分、無位置傳感器位置檢測(cè)部分、主繞組控制部分以及懸浮繞組控制部分。 其中虛線框內(nèi)由數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)，與空載運(yùn)行策略不同在于，框圖中的TABLE為一 個(gè)查表環(huán)節(jié)，該查表環(huán)節(jié)是根據(jù)a和|3方向的懸浮力合成幅值F和平均轉(zhuǎn)矩T^這兩個(gè) 量查出理想主繞組電流C和理想超前角e二表格中存放著圖9事先計(jì)算好的數(shù)據(jù)。通過 理想的主繞組電流、理想超前角信息以及本發(fā)明的無位置算法得到的位置信號(hào)來實(shí)現(xiàn)主懸 浮繞組電流的控制。 圖11為方波電流控制策略繞組電感、磁鏈和電流示意圖。超前角、，其含義為 繞組電流中點(diǎn)與定轉(zhuǎn)子齒軸線對(duì)齊位置間的距離，如圖ll所示。引入超前角9m后，開通角
e。n和關(guān)斷角9。 可分別由、來表示。開通角9 可以表示為= -牝，關(guān)斷角 e。ff可以表示為々。#=*-&。從圖中還可以看出，主繞組電流為方波形狀，懸浮繞組電流
則與電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置有關(guān)。此時(shí)關(guān)斷角不再像空載時(shí)固定為7. 5° ，而與電機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩和懸
浮力有關(guān)。 圖12 14為BSRM負(fù)載運(yùn)行時(shí)A C三相位置信號(hào)獲取流程，即本發(fā)明的BSRM 負(fù)載狀態(tài)無位置算法，其主要包含以下幾個(gè)步驟
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1.通過檢測(cè)導(dǎo)通相的主繞組電流和電壓，利用磁鏈積分可以得到主繞組磁鏈。將
磁鏈除以電流即得到主繞組實(shí)時(shí)電感； 2.判斷此時(shí)處于電感上升區(qū)還是電感下降區(qū)； 3.負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若此時(shí)處于電感上升區(qū)，查詢-15° 0°電感-位置角表格， 可以得到此時(shí)的位置角信息；若此時(shí)處于電感下降區(qū)，計(jì)算此時(shí)的實(shí)時(shí)電感，通過查詢 0° 15°電感-位置角表格，得到此時(shí)的位置角信息；負(fù)載運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)超前角信
息em來調(diào)節(jié)導(dǎo)通相開通關(guān)斷角，在電感下降區(qū)，比較實(shí)時(shí)電感與關(guān)斷角^;-^處的電感 A(^-^)的大小，若前者大于后者，則該相繼續(xù)導(dǎo)通，反之，關(guān)斷該相同時(shí)開通下一相。
權(quán)利要求
一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制方法，其特征在于包括如下步驟第一步根據(jù)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)主繞組電感的數(shù)學(xué)模型得到主繞組電感Lm與轉(zhuǎn)子位置角θ的關(guān)系表無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電感上升區(qū)表-7.5°～0°，電感下降區(qū)表0°～7.5°；無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電感上升區(qū)表-15°～0°，電感下降區(qū)表0°～15°；其中Nm為主繞組匝數(shù)，μ0是空氣的磁導(dǎo)率，h是轉(zhuǎn)軸的軸向長(zhǎng)度，lg0為轉(zhuǎn)子未偏心時(shí)的平均氣隙長(zhǎng)度，r為轉(zhuǎn)子極的半徑；第二步通過傳感器檢測(cè)得到導(dǎo)通相的主繞組電流和電壓，利用磁鏈積分計(jì)算磁鏈大小 <mrow><msub> <mi>&psi;</mi> <mi>k</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup> <mo>&Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>t</mi></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>k</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>R</mi><mi>k</mi> </msub> <msub><mi>i</mi><mi>k</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mi>dt</mi><mo>+</mo><msub> <mi>&psi;</mi> <mi>k</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中ψk為第k相主繞組磁鏈，vk為第k相主繞組端電壓，Rk為第k相主繞組等效電阻，ik第k相主繞組電流；將所述導(dǎo)通相主繞組的磁鏈除以導(dǎo)通相主繞組的電流即得到主繞組實(shí)時(shí)電感；第三步(a)當(dāng)所述無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，若此時(shí)處于主繞組電感上升區(qū)，查詢第一步所述關(guān)系表的-7.5°～0°處得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角θ；若此時(shí)處于主繞組電感下降區(qū)，經(jīng)過第二步得到此時(shí)的主繞組實(shí)時(shí)電感，根據(jù)所述的此時(shí)主繞組實(shí)時(shí)電感查詢第一步所述關(guān)系表的0°～7.5°處得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角θ；當(dāng)所述無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，固定在-7.5°～7.5°處開通主繞組，關(guān)斷角位置為7.5°；在主繞組電感下降區(qū)，若所述的此時(shí)主繞組實(shí)時(shí)電感大于主繞組關(guān)斷角位置電感Li(7.5°)，則該相主繞組繼續(xù)導(dǎo)通，否則，關(guān)斷該相主繞組同時(shí)開通下一相主繞組，其中i表示導(dǎo)通的主繞組；(b)當(dāng)所述無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若此時(shí)處于主繞組電感上升區(qū)，查詢第一步所述關(guān)系表的-15°～0°處得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角θ；若此時(shí)處于主繞組電感下降區(qū)，根據(jù)第二步得到的此時(shí)主繞組實(shí)時(shí)電感查詢第一步所述關(guān)系表的0°～15°處得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角θ；在主繞組電感下降區(qū)，當(dāng)所述的此時(shí)主繞組實(shí)時(shí)電感大于關(guān)斷角處的電感則該相主繞組繼續(xù)導(dǎo)通，否則，關(guān)斷該相主繞組同時(shí)開通下一相主繞組，其中θm為超前角。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制方法，屬于無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)導(dǎo)通相主繞組電感上升區(qū)和下降區(qū)電感與位置角的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過查詢電感-位置表格的方法得到實(shí)時(shí)的位置角。根據(jù)空載和負(fù)載控制的特點(diǎn)，通過比較主繞組實(shí)時(shí)電感與換相位置的電感的大小來實(shí)現(xiàn)換相控制。該方法不需要額外增添任何硬件電路，算法簡(jiǎn)單可行，可以為無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的懸浮和轉(zhuǎn)矩控制提供準(zhǔn)確的位置信號(hào)和換相信號(hào)，控制非常靈活，提高了無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的整體性能。
文檔編號(hào)H02P6/14GK101697469SQ200910185030
公開日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者毛宇陽, 蔡駿, 鄧智泉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué);