无轴承开关磁阻电机控制策略综述

无轴承开关磁阻电机结合了磁轴承与开关磁阻电机的双重优点,在航空、高速等领域具有非常广阔的发展前景。该文简要地介绍了无轴承开关磁阻电机的工作原理及其数学模型,总结了近年来无轴承开关磁阻电机在控制策略方面的研究成果,并对主要控制策略的优缺点进行了分析和比较。最后指出了无轴承开关磁阻电机未来的研究和发展方向。     

无轴承开关磁阻电机的减振控制策略

脉动的径向电磁力导致的定子振动问题阻碍了磁阻电机的推广应用。该文研究了一种利于减小无轴承开关磁阻电机(bearingless switched reluctance motor，BSRM)定子电磁振动的悬浮运行控制策略。该控制策略在保证电机转子悬浮所需悬浮力一定的前提下，以减小定子极受到的径向电磁力为控制依据。基于悬浮运行原理和数学模型，叙述了减振控制策略的基本原理；推导了主绕组电流、悬浮绕组电流、开通关断角等电机相关控制参数的计算方法；并给出了系统控制框图。仿真和实验结果均证实了新的控制策略不仅能实现电机的稳定悬浮旋转运行，同时有利于减小 BSRM 定子电磁振动，验证了理论分析的正确性和可行性。     

开关磁阻电机控制策略综述

简要回顾了SRD发展过程中出现的各种控制策略,分析和介绍了各控制策略的优缺点,展望了SRM控制策略的发展趋势。     

一种改进的无轴承开关磁阻电机数学模型

类似于常规开关磁阻电机,无轴承开关磁阻电机的定、转子极宽并非总是相等,通常转子极宽略大于定子极宽,在建立数学模型时应当考虑这一因素.现有的无轴承开关磁阻电机数学模型都存在电机定、转子极宽相等的约束.考虑无轴承开关磁阻电机定、转子极宽可能存在的不相等因素,采用基于直线磁路和变椭圆系数的椭圆形磁路分割法求取气隙磁导,推导出无轴承开关磁阻电机的通用数学模型,使其不仅适用于定、转子极宽相等,而且适用于转子极宽大于定子极宽的情况.以实验室样机为例,将基于所建模型的分析结果与有限元分析结果进行了对比,验证了所建数学模型的正确性,精确度满足工程要求.应用所建立的无轴承开关磁阻电机数学模型,分析了定、转子极宽不等对悬浮力和转矩的显著影响.     

一种无轴承开关磁阻电机悬浮性能分析

提出了一种新型结构无轴承开关磁阻电机,其结构简化,运行过程中不需要切换控制绕组,降低了控制系统的复杂性。分析了该电机的结构特点和悬浮原理,并基于有限元计算法对新型结构电机和常规结构电机进行了比较,包括:1)两种电机在旋转过程中转子径向气隙磁密分布、径向力产生情况以及产生悬浮力的同时对静态输出转矩的影响;2)比较了控制绕组通电电流变化时产生径向力情况及对静态旋转转矩的影响。性能分析及比较结果表明,新型结构无轴承开关磁阻电机具有优良的悬浮与旋转性能,研究结果为该电机的进一步建模及运行控制建立了基础。     

无轴承高速开关磁阻电机设计中的关键问题

讨论了无轴承开关磁阻电机在高速运行时的电磁设计、结构强度、稳定性设计、转子应力设计、散热设计、磁性材料选择等关键技术问题,给出了在设计过程中应注意的问题和优化设计的方法依据。考虑上述电机设计原则,对一台7.5kW无轴承开关磁阻电机进行了电磁和结构参数的优化设计,建立了基于ANSYS的二维有限元模型,对径向悬浮力和转矩特性进行了计算,比较了仿真和理论计算结果;在实验样机上测量了主绕组、悬浮绕组电感。结果表明,该设计方法满足了无轴承高速开关磁阻电机的设计要求,对进一步进行参数优化具有参考价值。     

无轴承开关磁阻电机的功率变换器研究

无轴承开关磁阻电机结构简单、运行效率高、容错能力强,具有良好的高温和高速适应性。介绍了无轴承开关磁阻电机的悬浮原理和系统构成,简要分析了其控制策略。根据其控制特点,设计了主绕组和悬浮绕组功率电路拓扑结构,通过实验样机验证了功率电路的可靠性。     

无轴承同步磁阻电机解耦集成控制策略

无轴承同步磁阻电机是一个复杂的强耦合非线性系统,解除电机径向力和转矩之间以及径向力分量之间的耦合关系是其稳定悬浮的前提,在给出转子悬浮原理基础上,推导了电机完整的数学模型,提出基于电机实际参数的反馈解耦策略,实现了负载条件下无轴承同步磁阻电机多变量饵耦集成控制.仿真结果表明该解耦方法能实现电机稳定悬浮运行,可获得优良的解耦效果,同时电机具有良好的动、静态性能.     

无轴承开关磁阻电机径向电磁力模型

针对现有无轴承开关磁阻电机数学模型忽略磁饱和或对磁饱和考虑不充分的不足,将麦克斯韦张量法和磁路分析法结合起来,提出了一种计算无轴承开关磁阻电机径向电磁力的方法.该方法考虑了电机运行过程中磁饱和以及转子的偏心位移,能够准确的描述电机径向电磁力的特性,为电机运行状态的离线分析和电机的设计提供了更为可靠的理论依据;该模型同时为无轴承开关磁阻电机电磁振动和噪声的预测与控制提供了理论依据.以一台实验样机为例,建立了考虑磁饱和的无轴承开关磁电机有限元分析模型.仿真结果证明了该解析模型的有效性.     

无轴承开关磁阻电机的转矩计算

无轴承开关磁阻电机具有体积小、效率高的优点,分析了无轴承开关磁阻电机的电磁力产生的原理,用增强能量增量法推导计算了电机转矩的方程式,并使用有限元方法对电机的转矩进行了计算验证,分析了电机的转矩特性,给出了实现电机稳定运行的电流取值范围,为电机设计提供了参考。     

磁悬浮开关磁阻电机径向位移自检测

针对传统位移传感器灵敏度容易受温度和电磁噪声干扰,增大电机体积和结构复杂度等问题,在研究磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组和悬浮力绕组之间互感与转子径向位移非线性关系的基础上,研究了一种实用的转子径向位移自检测方法。具体做法是:将一高频测试电流注入转矩绕组,然后在悬浮绕组端电压中滤出由该测试电流引起的互感电压,解调后提取出直流部分,再经简单数学处理后即可得到转子的径向位移。该方法无需专用的位移传感器,简单易行,可以减小电机尺寸,并提高系统的可靠性。仿真及dSPACE平台的实验结果验证了该方法的正确性和有效性。     

磁悬浮开关磁阻电机直接逆/修正逆全域解耦控制

针对磁悬浮开关磁阻电机模型强耦合、非线性和不完全可逆问题,论文研究了一种基于直接逆/修正逆的磁悬浮开关磁阻电机全域解耦控制方法。该方法通过对电机模型的可逆性分析,将工作区域划分为可逆域和不可逆域;然后在可逆域构造直接逆模型,而在不可逆域则通过选取和修正反馈变量,构造出满足可逆条件的修正逆模型,进而将直接逆和修正逆模型串联与磁悬浮开关磁阻电机之前,将其解耦成2个位移子系统和1个速度子系统。在此基础上,对解耦后的位移、速度子系统进行闭环综合,以提高系统的控制性能。最后,通过试验对所提算法在可逆域和不可逆域的可行性进行了验证,结果表明所提算法可以实现电机全域内的高性能解耦控制,且控制系统具有较好的悬浮、调速性能。     

无轴承开关磁阻电动机模型分析与控制

在研究无轴承开关磁阻电动机的电机模型后,对影响它的六个悬浮力系数进行了仿真分析,在此基础上对这六个悬浮力系数合理简化,并针对径向两自由度的解耦提出三种参数的控制器。采用反馈线性化方法进行了动态解耦,最后分别采用三种参数的控制器在Matlab环境下进行了整个径向位置控制系统的仿真建模。仿真结果显示,控制器采用两个参数时就可达到比较好的解耦效果。     

基于微分几何的磁悬浮开关磁阻电机径向力的变结构控制

以磁悬浮开关磁阻电动机为对象,研究了其转子径向两自由度悬浮力系统的解耦和控制。根据电磁场理论的虚位移定理,建立了磁悬浮开关磁阻电动机径向悬浮力的数学模型。针对该模型具有非线性、多变量和强耦合的特点,采用非线性控制的微分几何方法来设计出解耦规律,通过该解耦规律的补偿,将原系统解耦和完全线性化。对解耦得到的线性子系统,应用滑模变结构控制理论来设计控制器,以获得转子的高精度稳定悬浮。仿真结果验证了该控制策略的有效性。     

无轴承开关磁阻电机转子质量偏心补偿控制

由于机械不平衡原因,无轴承开关磁阻电机存在转子质量偏心的问题,这会导致额外的不平衡径向磁拉力,从而使电机的悬浮精度变差,这也是限制电机高速时转速进一步提升的重要因素。分析转子质量偏心对电机悬浮性能的影响,介绍悬浮转子振动控制原理,设计基于最小均方（least—mean—square,LMS）算法的白适应凹陷滤波器,将其加入到无轴承开关磁阻电机（bearinglessswitchedreluctancemotor,BSRIV1）系统中,利用Matlab／Simulink对该振动控制方法进行仿真研究,最后在一台实验样机上进行实验验证。结果表明,基于LMS算法的白适应凹陷滤波器能够在不同的电机转速条件下有效补偿转子的同频振动位移,抑制转子偏心振动,提高转子悬浮精度。     

无轴承开关磁阻电机麦克斯韦应力法数学模型

针对已有基于虚位移法的无轴承开关磁阻电机数学模型推导复杂的缺限,从麦克斯韦应力法角度出发,建立了考虑电机磁饱和特性的数学模型。在大电流饱和状态下,该模型有效地描述了电机产生的径向悬浮力和电磁转矩。利用有限元分析的方法验证了该模型的优良特性。试验结果显示利用该模型能够很好地实现电机稳定悬浮,表明采用麦克斯韦应力法建模的正确性和可行性。该方法的应用为研究无轴承开关磁阻电机电磁力分布提供了新的思路。     

基于CPLD的无轴承开关磁阻电机控制逻辑设计

介绍了无轴承开关磁阻电机(Bearingless Switched Reluctance Motors,简称BSRM)的悬浮原理、系统构成和功率电路拓扑结构,并根据其控制系统的复杂逻辑特点,详细介绍了对复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,简称CPLD)逻辑功能的要求,给出了设计原则.在此基础上,设计了基于MAXⅡ EPM1270芯片的逻辑控制系统.在QuartusⅡ环境下对设计程序进行了仿真分析,并在硬件电路上进行了主绕组、悬浮绕组信号实验,验证了控制逻辑设计的正确性和可靠性.     

磁悬浮开关磁阻电机的神经网络逆解耦控制

磁悬浮开关磁阻电机是一个复杂的非线性强耦合系统,且运行过程中容易出现磁饱和现象,增大了数学模型建立及解耦控制的难度。针对上述问题,在利用有限元方法分析其磁场及电磁力特性的基础上,计算了一种对电机磁路线性及饱和状态均适用的新数学模型。分析了系统的可逆性,采用神经网络逆实现了转矩和两自由度径向力的解耦。使用dSPACE系统试验验证了该方法的正确性和有效性,可以弥补现有基于无磁饱和假设的各种建模及相应的解耦控制方法不适用于BSRM磁饱和工况的缺陷,也可以为电机的运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论依据。