磁悬浮开关磁阻电机基本参数与控制方法的研究

【摘要】：近年来,磁悬浮电机技术已经成为电气传动界研究的热点之一。将磁悬浮电机技术应用于开关磁阻电机可以综合发挥开关磁阻电机和磁悬浮技术的优势,有助于开关磁阻电机突破向微型和超高速电机领域发展的瓶颈,因此,越来越受到国内外学者的关注。 本文针对磁悬浮开关磁阻电机的基本参数与控制方法开展系统研究。首先从磁悬浮开关磁阻电机的基本工作原理出发,对样机的结构参数进行了设计。根据磁悬浮开关磁阻电机的特点及工作要求确定了主要参数的设计原则,参考开关磁阻电机的设计方法,结合悬浮力要求,给出了样机主要参数的确定依据,根据样机的额定要求确定了样机的主要结构参数。在此基础上,利用有限元分析软件,建立了样机的有限元分析模型,并对悬浮力和转矩特性进行了系统仿真分析,包括悬浮力和转矩随转子转角、绕组电流及径向位移的变化趋势分析,悬浮力在径向两自由度上的耦合以及悬浮力和转矩之间的复杂非线性耦合关系分析。 针对磁悬浮开关磁阻电机传统数学模型在导通区间上的局限性,详细推导了一个相周期全角度范围的拓展数学模型。从磁路的有限元分析出发,得出磁路系数,根据磁路剖分,推导出气隙磁导,利用等效磁路方法,推导出各绕组自感及相互间互感,进而根据机电能量转换原理推导出悬浮力及转矩表达式。数学模型的正确性最后通过有限元计算得到了验证。 针对磁悬浮开关磁阻电机经典单相轮流导通控制策略下悬浮力和转矩的复杂非线性耦合关系,提出一种将转矩调节及外力扰动视为悬浮系统控制的不确定因素的思想,利用变结构鲁棒控制对系统参数摄动和外扰动的不敏感特性,对悬浮系统的径向位移控制设计了变结构鲁棒控制算法。首先利用经典的悬浮力解析数学模型,采用逆系统方法对悬浮力在径向正交两自由度上的耦合进行解耦,得到两个对称的独立线性子系统,分别带有转矩绕组电流摄动和外力扰动不确定性项。针对解耦后的不确定线性子系统,利用其对应的Riccati方程的解来构造滑动模态超平面,采用指数趋近率法设计了变结构鲁棒控制律,最后分别对悬浮力解耦特性和径向位移变结构鲁棒控制进行了仿真,仿真结果验证了设计的正确性。 利用磁悬浮开关磁阻电机相间互感很小的特点,提出一种基于分相导通的解耦策略。从矩角特性分析出发,找到一个合适的双相导通区间。在该导通区间下,一相负责产生悬浮力,称为悬浮相,另一相负责产生平均转矩,称为转矩相。其中悬浮相处于悬浮力的最大导通区间,且径向正交两自由度上耦合很小,从而实现平均转矩和悬浮力的独立控制以及径向两自由度上悬浮力的独立控制。利用经典数学模型及全角度拓展模型推导了分相导通模式的的数学模型,并通过和传统单相轮流导通模式进行有限元对比分析,验证了分相导通解耦策略良好的解耦性能。在分相导通解耦模式下,分别针对径向位移和转速控制设计了模糊控制器,仿真结果表明,设计的模糊控制器具有良好的控制性能。 以设计的12/8结构的样机为控制对象,对磁悬浮开关磁阻电机数字控制系统进行了硬件的原理设计。包括功率变换器和控制系统设计。功率变换器设计中,转矩绕组主电路采用开关磁阻电机最常用的半桥不对称结构,而悬浮绕组考虑其电流方向可逆,主电路采用三相半桥逆变电路,对主开关的驱动和缓冲电路进行了结构设计。控制系统设计采用DSP+CPLD的架构,对各自承担的控制任务进行了合理分配。转子径向位移控制采用片外模拟PID设计,转速控制采用片内数字控制。对转子位置和径向位移检测电路、片外径向位移模拟PID控制器、电流滞环控制器和保护电路等外围电路进行了系统的结构设计。将部分设计思想应用于一台12/10结构的六相普通开关磁阻电机,进行了转矩绕组方波电流获取等初步实验,取得了较好的效果。 对磁悬浮开关磁阻电机的磁轴承部分进行了原理性的探讨,采用轴向—径向混合磁轴承,对其基本结构及其工作原理进行了探讨,推导了基本数学模型。