專利名稱：一種無軸承開關磁阻電機無位置傳感器控制方法
技術領域：
發(fā)明涉及一種無軸承開關磁阻電機無位置傳感器控制方法，屬于無軸承開關磁阻
電機的控制技術領域。
背景技術：
開關磁阻電機運行時需要準確的轉子位置信息，因此引入了位置傳感器。它的引 入不僅提高了系統的成本和復雜程度，更重要的是會降低系統結構的堅固性，影響電機的 可靠運行，尤其是在某些惡劣的應用環(huán)境下。因此如何去掉位置傳感器，使系統結構更堅 固，運行更可靠，成本更低廉是開關磁阻電機研究的關鍵技術之一。 無軸承開關磁阻電機(BSRM)是利用磁軸承結構與電機定子結構的相似性，將懸 浮繞組集成到電機中，從而同時實現轉子的旋轉和懸浮控制。將無軸承技術應用于開關磁 阻電機不僅可充分發(fā)揮其高速適應性，而且由于對轉子徑向位置的控制而有望改善其因不 對稱磁拉力造成的振動和噪聲問題。無軸承開關磁阻電機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系統控制方式的特殊性，決定了要實現該系統的無位置技術不 能只是普通開關磁阻電機的位置檢測方法的簡單移植。目前無軸承開關磁阻電機無位置技 術的研究處于起始階段，無位置技術的引入無疑將大大提高無軸承開關磁阻電機的整體性

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的問題是針對現有技術存在的缺陷，利用BSRM主繞組電感與轉子 位置角之間的相關規(guī)律，同時結合BSRM的空、負載控制的特點，從而得到實時的轉子位置 信息，以及主繞組的換相信號，提供一種無軸承開關磁阻電機無位置傳感器控制方法。
本發(fā)明為實現上述目的，采用如下技術方案 無軸承開關磁阻電機無位置傳感器控制方法，其特征在于包括如下步驟
第一步根據無軸承開關磁阻電機主繞組電感的數學模型 Zm 2《
6/
-+
go
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ln(^^2+Wg。(" + 2)M + 2/o)
2(#/g0)
Lm與轉子位置角e的關系表 無軸承開關磁阻電機空載運行時，電感上升區(qū)表_7. 5° 0° 7. 5° ; 無軸承開關磁阻電機負載運行時，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，i!。是空氣的磁導率，h是轉軸的軸向長度，1
g0為轉子未偏心時的平均氣隙長度，r為轉子極的半徑； 第二步通過傳感器檢測得到導通相的主繞組電流和電壓，利用磁鏈積分計算磁 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；將所述導通相主繞組的磁鏈除以導通相主繞組的電流即得到 主繞組實時電感； 第三步(a)當所述無軸承開關磁阻電機空載運行時，若此時處于主繞組電感上 升區(qū)，查詢第一步所述關系表的-7.5° 0°處得到此時的轉子位置角e ;若此時處于主 繞組電感下降區(qū)，經過第二步得到此時的主繞組實時電感，根據所述的此時主繞組實時電 感查詢第一步所述關系表的O。 7.5°處得到此時的轉子位置角e ;
當所述無軸承開關磁阻電機空載運行時，固定在-7. 5° 7. 5°處開通主繞組， 關斷角位置為7. 5° ;在主繞組電感下降區(qū)，若所述的此時主繞組實時電感大于主繞組關斷 角位置電感b (7. 5° )，則該相主繞組繼續(xù)導通，否則，關斷該相主繞組同時開通下一相主 繞組，其中i表示導通的主繞組； (b)當所述無軸承開關磁阻電機負載運行時，若此時處于主繞組電感上升區(qū)，查詢 第一步所述關系表的-15° 0°處得到此時的轉子位置角9 ;若此時處于主繞組電感下 降區(qū)，根據第二步得到的此時主繞組實時電感查詢第一步所述關系表的O。 15°處得到 此時的轉子位置角e ; 在主繞組電感下降區(qū)，當所述的此時主繞組實時電感大于關斷角^;-^處的電感 A(^;-^)，則該相主繞組繼續(xù)導通，否則，關斷該相主繞組同時開通下一相主繞組，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，算法簡單可行，可以為無軸承開關磁
阻電機的懸浮和轉矩控制提供準確的位置信號和換相信號，控制非常靈活，有利于提高無 軸承開關磁阻電機的整體性能。


圖1為無軸承開關磁阻電機系統框圖。 圖2為傳統的位置傳感器安裝示意圖。 其中P、 Q、 R為三個位置傳感器。 圖3為空載運行BSRM無位置傳感器控制框圖。 圖4為e 。n = -7. 5°時三相繞組電感、磁鏈、電流及A相繞組電流電磁轉矩示意 圖。 圖5為主繞組電感_角度表格的獲取。 圖6為BSRM空載運行時A相位置信號獲取流程。 圖7為BSRM空載運行時C相位置信號獲取流程。 圖8為BSRM空載運行時B相位置信號獲取流程。
圖9方波電流控制策略超前角和繞組電流計算結果，(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為負載運行BSRM無位置傳感器控制系統框圖。 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負載運行時A相位置信號獲取流程。 圖13為BSRM負載運行時C相位置信號獲取流程。 圖14為BSRM負載運行時B相位置信號獲取流程。
具體實施例方式
本發(fā)明根據主繞組電感與轉子位置角的特定關系，以及BSRM空載和負載運行的 特點，同時可以得到轉子的實時位置和主繞組的換相信號。利用該方法可以實現BSRM的無 位置傳感器運行。 下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明 圖1為無軸承開關磁阻電機系統框圖，主要包括電機本體、DSP控制單元、CPLD邏 輯控制單元、功率變換器、傳感器檢測單元、PID調節(jié)單元、保護單元和相關輔助電路等。
圖2為傳統的位置傳感器安裝示意圖，系統中采用的是光電式位置檢測器。轉子 角度傳感器安裝在定子上，由三個光電開關A、B、C組成，AB之間、BC之間間隔60度。與轉 子同軸的轉盤為8個齒，齒槽弧度相等，為22. 5度。通過檢測器轉盤與電機轉子相對位置 的調整固定，利用基本信號的上下跳變作為參考的基準信息，得到三相的基本觸發(fā)信號。
圖3為空載運行BSRM無位置傳感器控制框圖。其中虛線框內的部分均由DSP和 CPLD來實現。整個系統主要分為4大部分電機本體部分、無位置傳感器位置檢測部分、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部分利用電流傳感器和電壓傳感器檢測到的主繞組電流 和電壓信號，經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以及轉子的實 時位置信號。 主繞組控制部分利用本發(fā)明無位置傳感器算法，經DSP實時計算轉子實際速度 和轉子的位置角后，采用PI調節(jié)實時改變控制轉矩大小的主繞組電流從而調節(jié)轉速。根據 主繞組換相信號以及電流傳感器檢測的主繞組電流大小進行邏輯運算，輸出A、B、C三相主 繞組的開通關斷信號。 懸浮繞組控制部分由電渦流位移傳感器檢測到轉子偏離中心位置，位移偏移量 經位置PID控制器調節(jié)，輸出把轉子拉回到中心位置的懸浮力給定值F。和Fe。此時的F。 和Fe是電機轉子在水平和豎直方向所需要的懸浮力，將這兩個方向的懸浮力分配給電機 的三相繞組，使電機的每相繞組獨立工作時，其繞組電流產生的力等效于F。和Fe。 DSP根 據懸浮力公式計算出每一時刻懸浮繞組電流的給定值ial、 ia2、 ibl、 ib2、 U、 U，并且根據轉 子位置角和電流傳感器檢測的各懸浮繞組電流的大小進行邏輯運算，輸出懸浮繞組開通關 斷信號。 圖4 e 。n = -7. 5°時三相繞組電感、磁鏈、電流及A相繞組電流電磁轉矩示意圖。 傳統的無軸承開關磁阻電機選擇單相導通的工作方式，每相導通寬度為T = 15° 。電機在 理想空轉矩負載下運行時，繞組電流產生的平均電磁轉矩應為零。以A相為例說明，要求產生正負轉矩的區(qū)域各占一半，正負電磁轉矩相互抵消，既可滿足平均電磁轉矩為零的條件， 又為實現轉矩空載下的穩(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° ， 則關斷角為7.5。。圖4所示為A相繞組開通角為-7.5。時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 數學模型，可以得到關于主繞組電感與轉子位置角的關系表格。數學模型中，Nm為主繞組匝 數，P。是空氣的磁導率，h是軸向長度，"。為轉子未偏心時的平均氣隙長度，9是轉子位 置角，l^為A相主繞組Nma的自感，a和13分別代表轉子在a軸和|3軸上的位移，"。相 對于a和p來說足夠大。 圖6 8為BSRM空載運行時A C B三相位置信號獲取流程，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步驟 1.通過檢測導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時電感； 2.判斷此時處于電感上升區(qū)還是電感下降區(qū)； 3.空載運行時，若此時處于電感上升區(qū)，查詢-7. 5° 0°電感-位置角表格，可
以得到此時的位置角信息；若此時處于電感下降區(qū)，計算此時的實時電感，通過查詢O。
7.5°電感-位置角表格，得到此時的位置角信息；空載運行時為固定-7.5° 7.5°開通，
主繞組關斷角位置為7.5。，在電感下降區(qū)比較實時電感與該位置電感Li(7.5。)大小，若
前者大于后者，則該相主繞組繼續(xù)導通，反之，關斷該相同時開通下一相； 圖9為基于實驗樣機參數，計算出的理想超前角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為負載運行BSRM無位置傳感器控制系統框圖。與圖3相似，整個系統分為
4大部分電機本體部分、無位置傳感器位置檢測部分、主繞組控制部分以及懸浮繞組控制部分。 其中虛線框內由數字控制實現，與空載運行策略不同在于，框圖中的TABLE為一 個查表環(huán)節(jié)，該查表環(huán)節(jié)是根據a和|3方向的懸浮力合成幅值F和平均轉矩T^這兩個 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事先計算好的數據。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來實現主懸 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 繞組電流中點與定轉子齒軸線對齊位置間的距離，如圖ll所示。引入超前角9m后，開通角
e。n和關斷角9。 可分別由、來表示。開通角9 可以表示為= -牝，關斷角 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
則與電機旋轉位置有關。此時關斷角不再像空載時固定為7. 5° ，而與電機所需的轉矩和懸
浮力有關。 圖12 14為BSRM負載運行時A C三相位置信號獲取流程，即本發(fā)明的BSRM 負載狀態(tài)無位置算法，其主要包含以下幾個步驟
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1.通過檢測導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時電感； 2.判斷此時處于電感上升區(qū)還是電感下降區(qū)； 3.負載運行時，若此時處于電感上升區(qū)，查詢-15° 0°電感-位置角表格， 可以得到此時的位置角信息；若此時處于電感下降區(qū)，計算此時的實時電感，通過查詢 0° 15°電感-位置角表格，得到此時的位置角信息；負載運行時，需要根據超前角信
息em來調節(jié)導通相開通關斷角，在電感下降區(qū)，比較實時電感與關斷角^;-^處的電感 A(^-^)的大小，若前者大于后者，則該相繼續(xù)導通，反之，關斷該相同時開通下一相。
權利要求
一種無軸承開關磁阻電機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無軸承開關磁阻電機主繞組電感的數學模型得到主繞組電感Lm與轉子位置角θ的關系表無軸承開關磁阻電機空載運行時，電感上升區(qū)表-7.5°～0°，電感下降區(qū)表0°～7.5°；無軸承開關磁阻電機負載運行時，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，μ0是空氣的磁導率，h是轉軸的軸向長度，lg0為轉子未偏心時的平均氣隙長度，r為轉子極的半徑；第二步通過傳感器檢測得到導通相的主繞組電流和電壓，利用磁鏈積分計算磁鏈大小 <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；將所述導通相主繞組的磁鏈除以導通相主繞組的電流即得到主繞組實時電感；第三步(a)當所述無軸承開關磁阻電機空載運行時，若此時處于主繞組電感上升區(qū)，查詢第一步所述關系表的-7.5°～0°處得到此時的轉子位置角θ；若此時處于主繞組電感下降區(qū)，經過第二步得到此時的主繞組實時電感，根據所述的此時主繞組實時電感查詢第一步所述關系表的0°～7.5°處得到此時的轉子位置角θ；當所述無軸承開關磁阻電機空載運行時，固定在-7.5°～7.5°處開通主繞組，關斷角位置為7.5°；在主繞組電感下降區(qū)，若所述的此時主繞組實時電感大于主繞組關斷角位置電感Li(7.5°)，則該相主繞組繼續(xù)導通，否則，關斷該相主繞組同時開通下一相主繞組，其中i表示導通的主繞組；(b)當所述無軸承開關磁阻電機負載運行時，若此時處于主繞組電感上升區(qū)，查詢第一步所述關系表的-15°～0°處得到此時的轉子位置角θ；若此時處于主繞組電感下降區(qū)，根據第二步得到的此時主繞組實時電感查詢第一步所述關系表的0°～15°處得到此時的轉子位置角θ；在主繞組電感下降區(qū)，當所述的此時主繞組實時電感大于關斷角處的電感則該相主繞組繼續(xù)導通，否則，關斷該相主繞組同時開通下一相主繞組，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磁阻電機無位置傳感器控制方法，屬于無軸承開關磁阻電機的控制技術領域。本發(fā)明根據無軸承開關磁阻電機導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應關系，通過查詢電感-位置表格的方法得到實時的位置角。根據空載和負載控制的特點，通過比較主繞組實時電感與換相位置的電感的大小來實現換相控制。該方法不需要額外增添任何硬件電路，算法簡單可行，可以為無軸承開關磁阻電機的懸浮和轉矩控制提供準確的位置信號和換相信號，控制非常靈活，提高了無軸承開關磁阻電機的整體性能。
文檔編號H02P6/14GK101697469SQ200910185030
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權日2009年10月28日
發(fā)明者毛宇陽, 蔡駿, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學;