本發(fā)明涉及一種復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法，屬于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型磁懸浮電機(jī)。無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)因集旋轉(zhuǎn)與懸浮兩功能于一體，不僅可有效解決高速運(yùn)行時軸承摩擦帶來的損耗和發(fā)熱等問題，還能進(jìn)一步發(fā)揮開關(guān)磁阻電機(jī)的高速適應(yīng)性，從而強(qiáng)化其在航空航天、飛輪儲能、艦船等高速領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

隨著研究的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識到，能否解決轉(zhuǎn)矩和懸浮力有效輸出區(qū)域間的制約，懸浮與旋轉(zhuǎn)兩功能是否能解耦控制、以及高速時懸浮控制精度好壞，對無軸承同步磁阻電機(jī)BSRM高速性能是否能得到充分發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。

具有全轉(zhuǎn)子位置懸浮能力的復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)，顯著提升了徑向承載能力，同時有效打破了傳統(tǒng)BSRM轉(zhuǎn)矩和懸浮力有效輸出區(qū)域間的制約，從而有利于實(shí)現(xiàn)BSRM轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦及協(xié)調(diào)控制。

然而，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)相比，由于圓柱轉(zhuǎn)子的存在，導(dǎo)致復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的電感幅值較大，在電源電壓受限的情況下，電流響應(yīng)速度下降。尤其高速運(yùn)行時，完成換相與勵磁模式切換均需要經(jīng)歷較長的勵磁周期，這期間電流斬波控制和跟蹤精度下降，影響懸浮力的控制精度。因此，研究復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)換相與勵磁模式切換過程中的懸浮力平穩(wěn)控制方法，實(shí)現(xiàn)懸浮力的全程精準(zhǔn)控制，是提升系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種復(fù)合轉(zhuǎn)子無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法。所述方法使得復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)換相與勵磁模式切換時的懸浮力平穩(wěn)過渡，是一種新型控制方法。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法，所述復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子和繞組；所述定子為凸極結(jié)構(gòu)，其定子齒個數(shù)為12；所述繞組共12個，每個定子齒上繞有1個繞組；所述轉(zhuǎn)子由圓柱轉(zhuǎn)子和凸極轉(zhuǎn)子構(gòu)成，圓柱轉(zhuǎn)子為圓柱型結(jié)構(gòu)，凸極轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)；所述凸極轉(zhuǎn)子的齒個數(shù)為8；所述圓柱轉(zhuǎn)子和凸極轉(zhuǎn)子串聯(lián)，緊密布置，套在轉(zhuǎn)軸上，并布置在所述定子內(nèi)；所述復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)為三相工作制電機(jī)，每相繞組由空間上相隔90°的四個繞組構(gòu)成，三相分別為A相、B相和C相，所述三相在空間上相差30°；

其特征在于，每相繞組均有懸浮勵磁和轉(zhuǎn)矩勵磁兩種工作模式，所述電動運(yùn)行時，每相繞組首先進(jìn)行懸浮勵磁，之后進(jìn)行轉(zhuǎn)矩勵磁；懸浮勵磁時，將懸浮力控制區(qū)分為雙相懸浮模式和單相懸浮模式；所述雙相懸浮模式包括雙相懸浮模式Ⅰ和雙相懸浮模式Ⅱ；每相懸浮勵磁將依次經(jīng)歷雙相懸浮模式Ⅰ、單相懸浮模式和雙相懸浮模式Ⅱ三個過程，并且通過獨(dú)立控制每相四個繞組的電流，以調(diào)節(jié)懸浮力；轉(zhuǎn)矩勵磁時，通過控制每相繞組功率開關(guān)的關(guān)斷角，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；具體包括如下步驟：

步驟A，采集轉(zhuǎn)子實(shí)時位置角θ，判別各相勵磁狀態(tài)；

步驟A-1，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ＝θ_on時，開通A相繞組功率電路的功率開關(guān)，A相開始懸浮勵磁；當(dāng)θ＝θ_on+15°時，A相懸浮勵磁結(jié)束，開始轉(zhuǎn)矩勵磁；其中，θ_on對應(yīng)于A相最小電感平頂區(qū)的起始點(diǎn)，超前A相對齊位置30°；

步驟A-2，當(dāng)θ＝θ_on+15°時，C相導(dǎo)通，開始懸浮勵磁；當(dāng)θ＝θ_on+30°時，C相懸浮勵磁結(jié)束，開始轉(zhuǎn)矩勵磁；

步驟A-3，當(dāng)θ＝θ_on+30°時，B相導(dǎo)通，開始懸浮勵磁；當(dāng)θ＝θ_on+45°時，B相懸浮勵磁結(jié)束，開始轉(zhuǎn)矩勵磁；

步驟B，獲取X方向給定懸浮力和Y方向給定懸浮力具體步驟如下：

步驟B-1，選定三相工作制電機(jī)中的一相，在所述相進(jìn)入懸浮勵磁之后，獲取該相懸浮勵磁時轉(zhuǎn)子在X軸和Y軸方向的實(shí)時位移信號α和β，其中，X軸與所述相兩定子齒極中心線重合，Y軸與所述相其余兩定子齒極中心線重合，X軸與Y軸在空間上相差90°；

步驟B-2，將實(shí)時位移信號α和β分別與給定的參考位移信號α^*和β^*相減，分別得到X方向和Y方向的實(shí)時位移信號差Δα和Δβ，將所述實(shí)時位移信號差Δα和Δβ經(jīng)過比例積分微分控制器，得到所述相X方向懸浮力和Y方向懸浮力

步驟C，懸浮模式判別及懸浮力分配，具體步驟如下：

步驟C-1，θ∈[θ_on，θ₁]時，A相開始導(dǎo)通勵磁，B相由懸浮勵磁模式切換到轉(zhuǎn)矩勵磁模式，A相和B相均產(chǎn)生懸浮力，所述電機(jī)運(yùn)行于雙相懸浮模式Ⅰ；

A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為：

B相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為：

其中，轉(zhuǎn)子位置角θ₁由電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行速度決定，f₁(θ)為雙相懸浮模式Ⅰ時的懸浮力分配函數(shù)，其表達(dá)式為：

步驟C-2，θ∈[θ₁，θ₂]時，僅A相產(chǎn)生懸浮力，所述電機(jī)運(yùn)行于單相懸浮模式；A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為和其中，轉(zhuǎn)子位置角θ₂＝θ_on+15°；

步驟C-3，θ∈[θ₂，θ₃]時，A相由懸浮勵磁模式切換到轉(zhuǎn)矩勵磁模式，C相開始導(dǎo)通勵磁，A相和C相均產(chǎn)生懸浮力，所述電機(jī)運(yùn)行于雙相懸浮模式Ⅱ；

A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為：

C相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為：

其中，轉(zhuǎn)子位置角θ₃＝θ₁+θ₂-θ_on，f₂(θ)為雙相懸浮模式Ⅱ時的懸浮力分配函數(shù)，表達(dá)式為

步驟D，調(diào)節(jié)θ∈[θ_on，θ₁]區(qū)間的懸浮力，此時所述電機(jī)運(yùn)行于雙相懸浮模式Ⅰ，A相和B相均產(chǎn)生懸浮力，具體步驟如下：

步驟D-1，調(diào)節(jié)A相懸浮力，

步驟D-1-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

其中，k_f1為懸浮力系數(shù)，其表達(dá)式為

N為繞組匝數(shù)，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l_c為圓柱轉(zhuǎn)子的軸向長度；

r為圓柱轉(zhuǎn)子的半徑，α_s為定子的極弧角，δ為氣隙長度，I_N為所述電機(jī)的額定相電流；

步驟D-1-2，根據(jù)A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟D-1-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實(shí)際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)A相懸浮力；

步驟D-2，調(diào)節(jié)B相懸浮力，

步驟D-2-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和得到B相X方向電流差的參考值和B相Y方向電流差的參考值其中，k_f2為懸浮力系數(shù)，其表達(dá)式為其中l(wèi)_t為凸極轉(zhuǎn)子的軸向長度；

步驟D-2-2，根據(jù)B相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和得到B相四個繞組電流的參考值和

步驟D-2-3，利用電流斬波控制方法，讓B相四個繞組的實(shí)際電流i_b1、i_b2、i_b3和i_b4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)B相懸浮力；

步驟E，調(diào)節(jié)θ∈[θ₁，θ₂]區(qū)間的懸浮力，此時所述電機(jī)運(yùn)行于單相懸浮模式，僅由A相產(chǎn)生懸浮力，具體步驟如下：

步驟E-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

步驟E-2，根據(jù)A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和解算得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟E-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實(shí)際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)懸浮力；

步驟F，調(diào)節(jié)θ∈[θ₂，θ₃]區(qū)間的懸浮力，此時所述電機(jī)運(yùn)行于雙相懸浮模式Ⅱ，A相和C相均產(chǎn)生懸浮力，具體步驟如下：

步驟F-1，調(diào)節(jié)A相懸浮力，

步驟F-1-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

步驟F-1-2，根據(jù)A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和解算得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟F-1-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實(shí)際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)A相懸浮力；

步驟F-2，調(diào)節(jié)C相懸浮力，

步驟F-2-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和得到C相X方向電流差的參考值和C相Y方向電流差的參考值

步驟F-2-2，根據(jù)C相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值由電流計算公式和解算得到C相四個繞組電流的參考值和

步驟F-2-3，利用電流斬波控制方法，讓C相四個繞組的實(shí)際電流i_c1、i_c2、i_c和i_c4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)C相懸浮力；

步驟G，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，θ∈[θ₃，θ_off]時，A相處于轉(zhuǎn)矩勵磁工作模式，通過調(diào)節(jié)關(guān)斷角θ_off，控制輸出轉(zhuǎn)矩；具體步驟如下：

步驟G-1，采集轉(zhuǎn)子實(shí)時轉(zhuǎn)速，計算得到轉(zhuǎn)子角速度ω；

步驟G-2，轉(zhuǎn)子角速度ω與設(shè)定的參考角速度ω^*相減，得到轉(zhuǎn)速差Δω；

步驟G-3，所述轉(zhuǎn)速差Δω，通過比例積分控制器，獲得關(guān)斷角θ_off，利用角度位置控制方法，通過動態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)斷角θ_off的取值，從而實(shí)時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法。所述方法能夠達(dá)到如下技術(shù)效果：

(1)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制；

(2)實(shí)現(xiàn)換相與勵磁模式切換過程中的懸浮力平穩(wěn)控制；

(3)實(shí)現(xiàn)懸浮力的全程精準(zhǔn)控制。

附圖說明

圖1是復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的A相繞組示意圖。

圖3是復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的懸浮力平穩(wěn)控制方法的系統(tǒng)框圖。

圖4是復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的三相繞組電感。

圖5是三相繞組電流及勵磁區(qū)間示意圖。

圖6是懸浮模式判別及懸浮力分配圖。

附圖標(biāo)記說明：圖1至圖6中，1是定子，2是凸極轉(zhuǎn)子，3是圓柱轉(zhuǎn)子，4是繞組，5是轉(zhuǎn)軸，i_a1+、i_a2+、i_a2+、i_a3+分別為A相四個繞組的流入電流，i_a1-、i_a2-、i_a2-、i_a3-分別為A相四個繞組的流出電流，i_b1、i_b2、i_b2、i_b3分別為B相四個繞組電流，i_c1、i_c2、i_c2、i_c3分別為C相四個繞組電流，X、Y分別為直角坐標(biāo)系的兩坐標(biāo)軸，F(xiàn)_α，F(xiàn)_β為A相繞組在X、Y軸方向產(chǎn)生的懸浮力，F(xiàn)_α*，F(xiàn)_β*為懸浮力的參考值，F(xiàn)_Aα*，F(xiàn)_Aβ*為A相懸浮力的參考值，F(xiàn)_Bα*，F(xiàn)_Bβ*為B相懸浮力的參考值，F(xiàn)_Cα*，F(xiàn)_Cβ*為C相懸浮力的參考值，α、β分別為轉(zhuǎn)子在在X、Y軸方向上的偏心位移，α*、β*分別為轉(zhuǎn)子在在X、Y軸方向上偏心位移的參考值。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明一種復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

如圖1所示，是復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1是定子，2是凸極轉(zhuǎn)子，3是圓柱轉(zhuǎn)子，4是繞組，5是轉(zhuǎn)軸。

所述復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子和繞組；所述定子為凸極結(jié)構(gòu)，極數(shù)為12；所述轉(zhuǎn)子由圓柱轉(zhuǎn)子和凸極轉(zhuǎn)子構(gòu)成，圓柱轉(zhuǎn)子為圓柱型結(jié)構(gòu)，凸極轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，且極數(shù)為8；所述圓柱轉(zhuǎn)子和凸極轉(zhuǎn)子串聯(lián)緊密布置，套在轉(zhuǎn)軸上，并布置在所述定子內(nèi)；每個定子齒均繞有1個繞組，共12個。

圖2為復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的A相繞組示意圖。A相繞組由空間上相隔90°的四個繞組構(gòu)成。四個繞組單獨(dú)為一套繞組，同時勵磁，并進(jìn)行獨(dú)立控制。A相四個繞組電流產(chǎn)生的四極對稱磁通，呈NSNS分布。B、C相繞組與A相繞組結(jié)構(gòu)相同，僅在位置上與A相相差30°和-30°。

圖3是復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的懸浮力平穩(wěn)控制方法的系統(tǒng)框圖?？刂七^程為：檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，得到每相繞組的開通角θ_on，每相開始導(dǎo)通勵磁；將位移誤差信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)獲得每相給定懸浮力F_α*，F(xiàn)_β*，經(jīng)懸浮力模式判別及懸浮力分配環(huán)節(jié)，得到每相懸浮力的參考值，A相懸浮力的參考值分別為F_Aα*和F_Aβ*，B相懸浮力的參考值分別為F_Bα*和F_Bβ*，C相懸浮力的參考值分別為F_Cα*和F_Cβ*，之后經(jīng)過懸浮電流控制器獲得各相繞組電流的參考值，A相四個繞組電流的參考值分別為i_a1*、i_a2*、i_a3*和i_a4*，B相四個繞組電流的參考值分別為i_b1*、i_b2*、i_b3*和i_b4*，C相四個繞組電流的參考值分別為i_c1*、i_c2*、i_c3*和i_c4*，再經(jīng)過各相勵磁控制器，利用電流斬波控制讓各相實(shí)際電流跟蹤各相繞組電流的參考值，以產(chǎn)生所需的懸浮力。

檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)計算得到實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，將轉(zhuǎn)速誤差信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，獲得每相繞組的關(guān)斷角θ_off，通過關(guān)斷角θ_off控制功率電路的導(dǎo)通寬度，進(jìn)而動態(tài)調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖4是復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的三相繞組電感。

為實(shí)現(xiàn)復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩與懸浮力的解耦控制，采用雙相導(dǎo)通控制策略。一相在電感平緩區(qū)域(即最小電感平頂區(qū))導(dǎo)通，對該相四個繞組進(jìn)行不對稱勵磁，以產(chǎn)生懸浮所需的徑向力；另一相在電感上升區(qū)間導(dǎo)通，對此相四個繞組施加對稱勵磁，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。因此，每相繞組均存在懸浮勵磁和轉(zhuǎn)矩勵磁兩種工作模式。

基于復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的解耦工作機(jī)理，可將其運(yùn)行工作模式設(shè)計如下：

以A相為例，如圖4所示，在轉(zhuǎn)子位置角θ∈[-7.5°，7.5°]內(nèi)，由于繞組自感分布相對平滑，有利于減小運(yùn)動電勢對懸浮電流斬波控制的影響，從而可采用電流斬波控制方法實(shí)現(xiàn)徑向懸浮力的瞬時控制。

當(dāng)電動運(yùn)行時，在[-7.5°，7.5°]內(nèi)(即圖4中的①區(qū))，獨(dú)立控制A相四套繞組電流，通過對四套繞組的不對稱勵磁產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子的懸浮力，而此時的轉(zhuǎn)矩則由B相的四套繞組對稱勵磁產(chǎn)生?？蛇x擇在轉(zhuǎn)角θ∈[7.5°，22.5°]內(nèi)(即圖4中的③區(qū))以相同的驅(qū)動信號開通A相繞組的主功率開關(guān)，使其四套繞組電流相同，具體的電流控制方法可采用斬波電流控制，PWM控制，以及單脈沖控制等，而此時的懸浮力則由C相的四套繞組不對稱勵磁產(chǎn)生；由此可見，在電動運(yùn)行時的勵磁相序是BA-AC-CB(同時導(dǎo)通的兩相中，前者懸浮勵磁相，后者為轉(zhuǎn)矩勵磁相)。

圖5是復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的三相繞組電流及勵磁區(qū)間示意圖。

由于每相繞組電感較大，在懸浮勵磁模式切換到轉(zhuǎn)矩勵磁模式時，需要經(jīng)歷一定的勵磁周期。另外，在勵磁模式切換時，還存在一個換相問題：即一相繞組恰好結(jié)束懸浮勵磁，開始轉(zhuǎn)矩勵磁；同時另一相繞組則起始導(dǎo)通，進(jìn)行懸浮勵磁。此刻，換相與勵磁模式切換交叉在一起，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換關(guān)系復(fù)雜，控制難度增大。因此，如何解決復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)勵磁模式切換時懸浮力的平穩(wěn)控制問題，是提升系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

換相與勵磁模式切換時，一方面，轉(zhuǎn)矩勵磁相需要快速控制其各繞組電流為統(tǒng)一值，縮短不對稱勵磁過程，以減小該過程對懸浮控制的影響；另一方面，懸浮勵磁相則需要快速控制各懸浮勵磁電流達(dá)到給定值，以產(chǎn)生所需懸浮力，這要求最大程度地縮短各懸浮電流由零上升到給定值的勵磁時間。然而，由于圓柱轉(zhuǎn)子的存在，即便在最小電感平頂區(qū)內(nèi)，各相繞組的電感值也較大，尤其當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，換相過程與勵磁切換過程均需要經(jīng)歷較長的勵磁周期。

為此，通過電流控制使這兩過程的勵磁寬度相等，并對這兩過程中的懸浮力進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換相與勵磁切換過程中的懸浮平穩(wěn)過渡。

以A相為例來說明復(fù)合轉(zhuǎn)子單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的各種運(yùn)行模式。

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ∈[θ_on，θ₁]時，A相繞組開始導(dǎo)通，B相繞組由懸浮勵磁模式切換到轉(zhuǎn)矩勵磁模式，A相和B相均產(chǎn)生懸浮力，稱該運(yùn)行模式為雙相懸浮模式Ⅰ。

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ∈[θ₁，θ₂]時，A相繞組不對稱勵磁產(chǎn)生懸浮力，B相繞組對稱勵磁產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，稱該運(yùn)行模式為單相懸浮模式。

(3)當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ∈[θ₂，θ₃]時，A相繞組由懸浮勵磁模式切換到轉(zhuǎn)矩勵磁模式，C相繞組開始導(dǎo)通，A相和C相均產(chǎn)生懸浮力，稱該運(yùn)行模式為雙相懸浮模式Ⅱ。

(4)當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ∈[θ₃，θ_off]時，A相對稱勵磁產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，懸浮力由C相繞組不對稱勵磁單獨(dú)產(chǎn)生，稱該運(yùn)行模式為轉(zhuǎn)矩勵磁模式。

(5)當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ∈[θ_off，θ₄]時，A相關(guān)斷，進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，懸浮力仍由C相繞組不對稱勵磁單獨(dú)產(chǎn)生，稱該運(yùn)行模式為續(xù)流模式。

為使換相過程的勵磁周期與懸浮模式切換到轉(zhuǎn)矩模式的勵磁周期相等，需滿足：

θ₁-θ_on＝θ₃-θ₂ (1)

各懸浮勵磁模式時，懸浮力表達(dá)式如下：

(1)雙相懸浮模式Ⅰ，即換相與勵磁模式切換過程，此時θ∈[θ_on，θ₁]，A相和B相產(chǎn)生懸浮力。

A相X和Y方向懸浮力F_Aα和F_Aβ的表達(dá)式為：

其中，N為單個繞組匝數(shù)，k_f1為懸浮力系數(shù)，其表達(dá)式為：

式中，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l_c為圓柱轉(zhuǎn)子的軸向長度，r為圓柱轉(zhuǎn)子的半徑，α_s為定子的極弧角，δ為氣隙長度。

令：

式中，I_N為復(fù)合結(jié)構(gòu)單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的額定電流，Δi_sa1和Δi_sa2分別為A相X和Y方向繞組的電流差。

將式(4)代入式(2)中，可得：

當(dāng)F_Aα*和F_Aβ*已知時，可計算出A相X和Y方向繞組電流差的參考值：

B相X和Y方向懸浮力F_Bα和F_Bβ的表達(dá)式為：

其中，k_f1為懸浮力系數(shù)，其表達(dá)式為：

式中，l_t為凸極轉(zhuǎn)子的軸向長度，θ為轉(zhuǎn)子位置角。

令：

式中，Δi_sb1和Δi_sb2分別為B相X和Y方向繞組的電流差。

將式(9)代入式(7)中，可得：

當(dāng)F_Bα*和F_Bβ*已知時，可計算出B相X和Y方向繞組電流差的參考值：

(2)單相懸浮模式，即θ∈[θ₁，θ₂]時，僅A相產(chǎn)生懸浮力。

當(dāng)F_Aα*和F_Aβ*已知時，仍采用式(6)計算A相X和Y方向繞組電流差的參考值。

(3)雙相懸浮模式Ⅱ，即另一個換相與勵磁模式切換過程，此時θ∈[θ₂，θ₃]，A相和C相產(chǎn)生懸浮力。

此時，A相X和Y方向懸浮力F_Aα和F_Aβ的表達(dá)式為：

當(dāng)F_Aα*和F_Aβ*已知時，可計算出A相X和Y方向繞組電流差的參考值：

C相X和Y方向懸浮力F_Cα和F_Cβ的表達(dá)式為：

令：

式中，Δi_sc1和Δi_sc2分別為C相X和Y方向繞組的電流差。

將式(15)代入式(14)中，可得：

當(dāng)F_Cα*和F_Cβ*已知時，可計算出C相X和Y方向繞組電流差的參考值：

圖6是懸浮模式判別及懸浮力分配圖。懸浮模式的判別，可通過實(shí)時檢測得到轉(zhuǎn)子位置角θ來完成。而經(jīng)PID調(diào)節(jié)器得到的懸浮力給定值，則可通過懸浮力分配函數(shù)計算出兩勵磁相所需的徑向力給定值。之后，通過每種懸浮模式所對應(yīng)的電流控制算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的懸浮運(yùn)行及換相與勵磁模式切換時的平穩(wěn)過渡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對懸浮力的準(zhǔn)確控制?；诖瞬呗栽O(shè)計的換相與模式切換時的電流控制方法，依然可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制，且控制簡單。

將懸浮力控制區(qū)分為雙相懸浮勵磁模式和單相懸浮勵磁模式。每個懸浮勵磁周期將依次經(jīng)歷雙相懸浮模式Ⅰ、單相懸浮模式和雙相懸浮模式Ⅱ三個過程。其中，兩個雙相懸浮模式僅適用于換相與勵磁切換過程，而單相懸浮模式則對應(yīng)于換相與勵磁切換完成后的剩余懸浮勵磁周期。

懸浮力分配原則：

(1)θ∈[θ_on，θ₁]，即雙相懸浮模式Ⅰ時，A相X和Y方向懸浮力的參考值為：

式中，f₁(θ)為雙相懸浮模式Ⅰ時的懸浮力分配函數(shù)，表達(dá)式為：

B相X和Y方向懸浮力的參考值為：

(2)θ∈[θ₁，θ₂]，即單相懸浮模式時，A相X和Y方向懸浮力的參考值為：

(3)θ∈[θ₂，θ₃]，即雙相懸浮模式Ⅱ時，A相X和Y方向懸浮力的參考值為：

式中，f₂(θ)為雙相懸浮模式Ⅱ時的懸浮力分配函數(shù)，表達(dá)式為：

C相X和Y方向懸浮力的參考值為：

為實(shí)現(xiàn)復(fù)合轉(zhuǎn)子無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的懸浮力平穩(wěn)控制，每相繞組均有兩種工作模式：懸浮勵磁工作模式和轉(zhuǎn)矩勵磁工作模式，電動運(yùn)行時每相繞組首先進(jìn)行懸浮勵磁模式，之后進(jìn)行轉(zhuǎn)矩勵磁；懸浮勵磁時，將懸浮力控制區(qū)分為雙相懸浮模式和單相懸浮模式；每相懸浮勵磁將依次經(jīng)歷雙相懸浮模式Ⅰ、單相懸浮模式和雙相懸浮模式Ⅱ共三個過程，并且通過獨(dú)立控制每相四個繞組的電流，以調(diào)節(jié)懸浮力；轉(zhuǎn)矩勵磁時，通過控制每相繞組功率開關(guān)的關(guān)斷角，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；包括如下步驟：

步驟A，采集轉(zhuǎn)子實(shí)時位置角θ，判別各相勵磁狀態(tài)；

步驟A-1，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ＝θ_on時，開通A相繞組功率電路的功率開關(guān)，A相開始懸浮勵磁；當(dāng)θ＝θ_on+15°時，A相懸浮勵磁結(jié)束，開始轉(zhuǎn)矩勵磁；其中，θ_on對應(yīng)于A相最小電感平頂區(qū)的起始點(diǎn)，超前A相對齊位置30°；

步驟A-2，當(dāng)θ＝θ_on+15°時，C相導(dǎo)通，開始懸浮勵磁；當(dāng)θ＝θ_on+30°時，C相懸浮勵磁結(jié)束，開始轉(zhuǎn)矩勵磁；

步驟A-3，當(dāng)θ＝θ_on+30°時，B相導(dǎo)通，開始懸浮勵磁；當(dāng)θ＝θ_on+45°時，B相懸浮勵磁結(jié)束，開始轉(zhuǎn)矩勵磁；

步驟B，獲取X方向給定懸浮力和Y方向給定懸浮力具體步驟如下：

步驟B-1，選定三相工作制電機(jī)中的一相，在所述相進(jìn)入懸浮勵磁之后，獲取該相懸浮勵磁時轉(zhuǎn)子在X軸和Y軸方向的實(shí)時位移信號α和β，其中，X軸與所述相兩定子齒極中心線重合，Y軸與所述相其余兩定子齒極中心線重合，X軸與Y軸在空間上相差90°；

步驟B-2，將實(shí)時位移信號α和β分別與給定的參考位移信號α^*和β^*相減，分別得到X方向和Y方向的實(shí)時位移信號差Δα和Δβ，將所述實(shí)時位移信號差Δα和Δβ經(jīng)過比例積分微分控制器，得到所述相X方向懸浮力和Y方向懸浮力

步驟C，懸浮模式判別及懸浮力分配，具體步驟如下：

步驟C-1，θ∈[θ_on，θ₁]時，A相開始導(dǎo)通勵磁，B相由懸浮勵磁模式切換到轉(zhuǎn)矩勵磁模式，A相和B相均產(chǎn)生懸浮力，所述電機(jī)運(yùn)行于雙相懸浮模式Ⅰ；

A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為和

B相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為和

其中，轉(zhuǎn)子位置角θ₁由電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行速度決定，f₁(θ)為雙相懸浮模式Ⅰ時的懸浮力分配函數(shù)，表達(dá)式為

步驟C-2，θ∈[θ₁，θ₂]時，僅A相產(chǎn)生懸浮力，所述電機(jī)運(yùn)行于單相懸浮模式；A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為和其中，轉(zhuǎn)子位置角θ₂＝θ_on+15°；

步驟C-3，θ∈[θ₂，θ₃]時，A相由懸浮勵磁模式切換到轉(zhuǎn)矩勵磁模式，C相開始導(dǎo)通勵磁，A相和C相均產(chǎn)生懸浮力，所述電機(jī)運(yùn)行于雙相懸浮模式Ⅱ；

A相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為和

C相X方向懸浮力的參考值和Y方向懸浮力的參考值分別為和

其中，轉(zhuǎn)子位置角θ₃＝θ₁+θ₂-θ_on，f₂(θ)為雙相懸浮模式Ⅱ時的懸浮力分配函數(shù)，表達(dá)式為

步驟D，調(diào)節(jié)θ∈[θ_on，θ₁]區(qū)間的懸浮力，此時所述電機(jī)運(yùn)行于雙相懸浮模式Ⅰ，A相和B相均產(chǎn)生懸浮力，具體步驟如下：

步驟D-1，調(diào)節(jié)A相懸浮力，

步驟D-1-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和可解算得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

其中，k_f1為懸浮力系數(shù)，其表達(dá)式為N為繞組匝數(shù)，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l_c為圓柱轉(zhuǎn)子的軸向長度，r為圓柱轉(zhuǎn)子的半徑，α_s為定子的極弧角，δ為氣隙長度，I_N為所述電機(jī)的額定相電流；

步驟D-1-2，根據(jù)A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值可由電流計算公式和解算得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟D-1-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實(shí)際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)A相懸浮力；

步驟D-2，調(diào)節(jié)B相懸浮力，

步驟D-2-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和可解算得到B相X方向電流差的參考值和B相Y方向電流差的參考值其中，k_f2為懸浮力系數(shù)，其表達(dá)式為其中l(wèi)_t為凸極轉(zhuǎn)子的軸向長度；

步驟D-2-2，根據(jù)B相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值可由電流計算公式和解算得到B相四個繞組電流的參考值和

步驟D-2-3，利用電流斬波控制方法，讓B相四個繞組的實(shí)際電流i_b1、i_b2、i_b3和i_b4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)B相懸浮力；

步驟E，調(diào)節(jié)θ∈[θ₁，θ₂]區(qū)間的懸浮力，此時所述電機(jī)運(yùn)行于單相懸浮模式，僅由A相產(chǎn)生懸浮力，具體步驟如下：

步驟E-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和可解算得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

步驟E-2，根據(jù)A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值可由電流計算公式和解算得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟E-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實(shí)際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)懸浮力；

步驟F，調(diào)節(jié)θ∈[θ₂，θ₃]區(qū)間的懸浮力，此時所述電機(jī)運(yùn)行于雙相懸浮模式Ⅱ，A相和C相均產(chǎn)生懸浮力，具體步驟如下：

步驟F-1，調(diào)節(jié)A相懸浮力，

步驟F-1-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和可解算得到A相X方向電流差的參考值和A相Y方向電流差的參考值

步驟F-1-2，根據(jù)A相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值可由電流計算公式和解算得到A相四個繞組電流的參考值和

步驟F-1-3，利用電流斬波控制方法，讓A相四個繞組的實(shí)際電流i_a1、i_a2、i_a3和i_a4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)A相懸浮力；

步驟F-2，調(diào)節(jié)C相懸浮力，

步驟F-2-1，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和可解算得到C相X方向電流差的參考值和C相Y方向電流差的參考值

步驟F-2-2，根據(jù)C相X方向電流差的參考值和Y方向電流差的參考值可由電流計算公式和解算得到C相四個繞組電流的參考值和

步驟F-2-3，利用電流斬波控制方法，讓C相四個繞組的實(shí)際電流i_c1、i_c2、i_c和i_c4分別跟蹤其參考值和從而實(shí)時調(diào)節(jié)C相懸浮力；

步驟G，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，θ∈[θ₃，θ_off]時，A相處于轉(zhuǎn)矩勵磁工作模式，通過調(diào)節(jié)關(guān)斷角θ_off，控制輸出轉(zhuǎn)矩；具體步驟如下：

步驟G-1，采集轉(zhuǎn)子實(shí)時轉(zhuǎn)速，計算得到轉(zhuǎn)子角速度ω；

步驟G-2，轉(zhuǎn)子角速度ω與設(shè)定的參考角速度ω^*相減，得到轉(zhuǎn)速差Δω；

步驟G-3，所述轉(zhuǎn)速差Δω，通過比例積分控制器，獲得關(guān)斷角θ_off，利用角度位置控制方法，通過動態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)斷角θ_off的取值，從而實(shí)時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。

綜上所述，本發(fā)明采用的雙相導(dǎo)通控制策略，不僅可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制，還可解決換相與勵磁模式切實(shí)過程中的懸浮平穩(wěn)控制問題。

對該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，根據(jù)以上實(shí)施類型可以很容易聯(lián)想其他的優(yōu)點(diǎn)和變形。因此，本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)例，其僅僅作為例子對本發(fā)明的一種形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)、示范性的說明。在不背離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)上述具體實(shí)例通過各種等同替換所得到的技術(shù)方案，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍及其等同范圍之內(nèi)。