[发明专利]一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法

权利要求书

1.一种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为：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1个所述偏置线圈串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1个所述偏置线圈串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，其特征在于，所述开关磁阻电机的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＝θ_onb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＝θ_offb时，关断B相功率开关，B相结束励磁，其中θ_onb的取值范围为[7.5°，15°]，θ_offb的取值范围为[30°，37.5°]，并定义开通角θ_on＝θ_onb，关断角θ_off＝θ_offb；

步骤A-3，当θ＝θ_onc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＝θ_offc时，关断C相功率开关，C相结束励磁，其中θ_onc＝θ_on+15°，θ_offc＝θ_off+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i_m^*；

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i_m^*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A相通道Ⅱ复合绕组电流的参考值与i_m^*满足

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A相通道Ⅱ复合绕组电流的参考值与i_m^*满足

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轴方向悬浮力和y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轴方向悬浮力和y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；

根据所述悬浮力和转矩绕组电流参考值i_m^*，以及计算公式和约束关系式解算出θ∈[0°，22.5°]时的A相通道Ⅰ和通道Ⅱ复合绕组电流参考值和其中，k_f1为径向悬浮力系数，k_f2为轴向悬浮力系数，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，α_s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，N_b为偏置绕组的匝数；

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；

根据所述悬浮力和转矩绕组电流参考值i_m^*，以及计算公式和约束关系式解算出θ∈[22.5°，45°]时的A相通道Ⅰ和通道Ⅱ复合绕组电流参考值和

步骤H，调节径向悬浮力，具体步骤如下：

步骤H-1，根据所述悬浮力和A相通道Ⅰ复合绕组电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值其中，N_s为径向悬浮绕组匝数；

步骤H-2，根据所述悬浮力和A相通道Ⅱ复合绕组电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值

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i_x1跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流i_y1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值进而实时调节锥形磁轴承Ⅰ的径向悬浮力；

用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流i_x2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流i_y2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值进而实时调节锥形磁轴承Ⅱ的径向悬浮力；

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i_b和C相电枢绕组的实际电流i_c分别跟踪电流参考值用A相通道Ⅰ复合绕组的实际电流i_aⅠ跟踪其电流参考值用A相通道Ⅱ复合绕组的实际电流i_aⅡ跟踪其电流参考值进而达到调节转矩和轴向悬浮力的目的。