專利名稱：一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的控制方法，屬無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法。
背景技術(shù)：
無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)是一種磁懸浮電機(jī)，所以它具有磁懸浮電機(jī)所具有的一切優(yōu)點(diǎn)，如無接觸、無磨損、高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)壽命等。同時(shí)，這種電機(jī)又無需額外的磁軸承，軸向長(zhǎng)度很短，所以這種電機(jī)還具有軸向利用率高、集成度高、較容易實(shí)現(xiàn)超高轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)。此外，無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)兼具開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、調(diào)速性能好、成本低廉等。
隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，系統(tǒng)帶故障運(yùn)行的能力越來越成為其是否完善的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行過程中，受到功率變換器、數(shù)字控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)傳感器等諸多電機(jī)控制與檢測(cè)元件的故障率和使用壽命的影響和限制，以及繞組的短路和開路也會(huì)使其相繞組不能正常工作，使得電機(jī)會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行故障而停機(jī)，從而為無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)在各領(lǐng)域中的推廣與應(yīng)用增加了隱患，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合的拓展。尤其在某些特定場(chǎng)合下，根本不允許停機(jī)情況的發(fā)生，即要求電機(jī)必須能夠在故障情況下繼續(xù)運(yùn)行。無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理決定了其具有優(yōu)越的容錯(cuò)運(yùn)行能力，只要運(yùn)用合適可行的容錯(cuò)運(yùn)行控制方法，即可滿足此類特殊場(chǎng)合的應(yīng)用要求。
目前無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法的研究均是基于其各相正常工作情況下進(jìn)行的，其正常工作時(shí)電感、電流與電磁轉(zhuǎn)矩示意圖如圖1所示。主繞組電流方波控制、懸浮繞組電流實(shí)時(shí)控制，在12/8結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)中，其繞組電感曲線的周期為45°，故文獻(xiàn)中一般使得三相輪流導(dǎo)通15°以保證任何時(shí)刻至少有一相繞組工作，從而保證電機(jī)的連續(xù)、穩(wěn)定懸浮，并且主繞組電流在其電感上升區(qū)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，在電感下降區(qū)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)中某相發(fā)生故障后，無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)將無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，從而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電機(jī)與控制系統(tǒng)的損壞。這些問題限制了無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的推廣與應(yīng)用，使得其在現(xiàn)代調(diào)速研究及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力不夠突出。

發(fā)明內(nèi)容
1，發(fā)明目的本發(fā)明要解決的問題是實(shí)現(xiàn)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)生故障后，電機(jī)仍能正常調(diào)速和懸浮，以提高無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行能力，保證電機(jī)可帶故障運(yùn)行，提高電機(jī)的運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，充分發(fā)揮開關(guān)磁阻電機(jī)高容錯(cuò)能力的優(yōu)勢(shì)。
2，技術(shù)方案在控制系統(tǒng)中增加了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，當(dāng)未檢測(cè)到導(dǎo)通相出現(xiàn)持續(xù)異常電流信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)按照正常運(yùn)轉(zhuǎn)的模式控制電機(jī)正常運(yùn)行兩個(gè)自由度上的懸浮力進(jìn)行三相分配計(jì)算，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)得到主繞組電流值，一旦電流檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到導(dǎo)通相出現(xiàn)持續(xù)異常電流信號(hào)時(shí)，電機(jī)控制系統(tǒng)隨即轉(zhuǎn)入容錯(cuò)運(yùn)行控制模式，通過故障相的前一相，即補(bǔ)償相由原來的正常導(dǎo)通再繼續(xù)延長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間，直至能補(bǔ)償電機(jī)在缺相條件下穩(wěn)定懸浮所需的徑向懸浮力，而故障相的下一相仍正常導(dǎo)通，此時(shí)，兩個(gè)自由度上的懸浮力改為除故障相以外的另外兩相分配計(jì)算，在補(bǔ)償相的正轉(zhuǎn)矩區(qū)，主繞組電流值仍由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)得到，而在其負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，依據(jù)“平均負(fù)轉(zhuǎn)矩最小”原則，即采用使補(bǔ)償相在補(bǔ)償運(yùn)行區(qū)間平均負(fù)轉(zhuǎn)矩值達(dá)到最小的方法確定其主繞組電流值，進(jìn)而計(jì)算其懸浮繞組電流值。
其中，補(bǔ)償相承擔(dān)了故障相的懸浮功能，但卻產(chǎn)生了一部分負(fù)轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩近似為正常工作時(shí)的1/3。
四

圖1是無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)正常工作時(shí)電感、電流與電磁轉(zhuǎn)矩示意圖。
圖2是無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)電感、電流與電磁轉(zhuǎn)矩示意圖。
圖3是無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行控制框圖。
圖中符號(hào)意義1-正轉(zhuǎn)矩區(qū)、2-負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)、θm-超前角，即主繞組方波電流中點(diǎn)與電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒軸線對(duì)齊位置間的距離、θon-開通角、θoff-關(guān)斷角、Lma、Lmb、Lmc-三相主繞組自感、ima、imb、imc-三相實(shí)際主繞組電流、isa、isb-A、B兩相的懸浮繞組電流、Ta、Tb-A、B兩相轉(zhuǎn)矩、α、β-電機(jī)轉(zhuǎn)子分別在徑向兩個(gè)自由度上的偏心位移、Fα*、Fβ*-將電機(jī)轉(zhuǎn)子拉回到幾何中心所需的兩個(gè)自由度上的懸浮力、θ-電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角、d/dt-對(duì)時(shí)間的微分算子、ω-電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、ω*-電機(jī)給定轉(zhuǎn)速、imp*-除故障相外的兩相正轉(zhuǎn)矩區(qū)主繞組電流計(jì)算值、imp*-補(bǔ)償相負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)主繞組電流計(jì)算值五具體實(shí)施方式
1.如圖2所示，在區(qū)間I內(nèi)，B相處于電感上升區(qū)，此時(shí)開通B相以產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，同時(shí)B相懸浮繞組導(dǎo)通產(chǎn)生控制磁場(chǎng)與其主繞組產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)疊加來產(chǎn)生使轉(zhuǎn)軸懸浮所需的徑向懸浮力；在區(qū)間II內(nèi)，A相電感處于上升區(qū)，故開通A相以產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，同理，懸浮力也由A相提供；在區(qū)間III內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)能夠帶故障繼續(xù)旋轉(zhuǎn)與懸浮，A相繼續(xù)導(dǎo)通，補(bǔ)償原應(yīng)由C相提供的懸浮力。
2.缺相運(yùn)行時(shí)，在保證電機(jī)穩(wěn)定懸浮的前提下，應(yīng)最小化補(bǔ)償相產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩，以提高電機(jī)出力。鑒此，可以確定補(bǔ)償相在補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)的主繞組電流值，進(jìn)而依據(jù)懸浮力公式可以計(jì)算出補(bǔ)償相懸浮繞組電流值。
3.如圖3所示，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，若電流檢測(cè)環(huán)節(jié)未檢測(cè)到導(dǎo)通相出現(xiàn)持續(xù)異常電流信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)按照正常運(yùn)轉(zhuǎn)的模式控制電機(jī)正常運(yùn)行由位置傳感器檢測(cè)得到轉(zhuǎn)子徑向位置信號(hào)經(jīng)位置調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)得到所需的兩個(gè)自由度上的懸浮力，兩個(gè)懸浮力分別在各自方向上進(jìn)行三相分配計(jì)算，得到分配到每相上的懸浮力，再根據(jù)懸浮力公式和由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)得到的主繞組電流值計(jì)算得每相的兩個(gè)自由度上所需要的懸浮電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)徑向穩(wěn)定懸浮控制。安裝在電機(jī)上的位置齒盤檢測(cè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置角，由此可計(jì)算得電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到主繞組電流值，進(jìn)而進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到導(dǎo)通相出現(xiàn)持續(xù)異常電流信號(hào)時(shí)，說明此時(shí)該相發(fā)生故障，則系統(tǒng)隨即轉(zhuǎn)入容錯(cuò)運(yùn)行控制模式，切斷故障相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，屏蔽故障相正常運(yùn)行時(shí)的軟件運(yùn)行程序，此時(shí)，補(bǔ)償相需由原來的正常導(dǎo)通區(qū)間延長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間，直至可以補(bǔ)償電機(jī)在缺相條件下穩(wěn)定懸浮所需的徑向懸浮力，而故障相的下一相仍然正常導(dǎo)通。由位置調(diào)節(jié)得到的兩個(gè)自由度上的徑向懸浮力改為除故障相外的兩相分配計(jì)算，此時(shí)故障相的下一相主繞組電流和懸浮繞組電流的計(jì)算方法同系統(tǒng)正常工作模式時(shí)一致。對(duì)于補(bǔ)償相，在其正轉(zhuǎn)矩區(qū)，主繞組電流值仍由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)得到，而在其負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，則由“具體實(shí)施方式
2”中的方法確定其主繞組電流值，再根據(jù)懸浮力公式計(jì)算得到該相懸浮繞組電流值，以此實(shí)現(xiàn)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)在缺相情況下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和徑向穩(wěn)定懸浮。
公式表

注三相分配計(jì)算公式為式(1)～(6)；當(dāng)A相故障時(shí)，兩相分配計(jì)算公式為式(3)～(6)，當(dāng)B相故障時(shí)，兩相分配計(jì)算公式為式(1)、(2)、(5)和(6)，當(dāng)C相故障時(shí)，兩相分配計(jì)算公式為式(1)～(4)；式(7)為由懸浮力計(jì)算懸浮電流的公式；上述公式中符號(hào)意義FA_α-分配到A相α自由度上的懸浮力、FA_β-分配到A相β自由度上的懸浮力、FB_α-分配到B相α自由度上的懸浮力、FB_β-分配到B相β自由度上的懸浮力、FC_α-分配到C相α自由度上的懸浮力、FC_β分配到C相β自由度上的懸浮力、is-懸浮電流、Fs-懸浮力、Kf(θ)-懸浮力系數(shù)，與電機(jī)尺寸和轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)、im-主繞組電流。
權(quán)利要求
1.一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行控制方法，其特征在于，在控制系統(tǒng)中增加了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，當(dāng)未檢測(cè)到導(dǎo)通相出現(xiàn)持續(xù)異常電流信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)按照正常運(yùn)轉(zhuǎn)的模式控制電機(jī)正常運(yùn)行兩個(gè)自由度上的懸浮力進(jìn)行三相分配計(jì)算，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)得到主繞組電流值，一旦電流檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到導(dǎo)通相出現(xiàn)持續(xù)異常電流信號(hào)時(shí)，電機(jī)控制系統(tǒng)隨即轉(zhuǎn)入容錯(cuò)運(yùn)行控制模式，通過故障相的前一相，即補(bǔ)償相由原來的正常導(dǎo)通再繼續(xù)延長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間，直至能補(bǔ)償電機(jī)在缺相條件下穩(wěn)定懸浮所需的徑向懸浮力，而故障相的下一相仍正常導(dǎo)通，此時(shí)，兩個(gè)自由度上的懸浮力改為除故障相以外的另外兩相分配計(jì)算，在補(bǔ)償相的正轉(zhuǎn)矩區(qū)，主繞組電流值仍由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)得到，而在其負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，依據(jù)“平均負(fù)轉(zhuǎn)矩最小”原則，即采用使補(bǔ)償相在補(bǔ)償運(yùn)行區(qū)間平均負(fù)轉(zhuǎn)矩值達(dá)到最小的方法確定其主繞組電流值，進(jìn)而計(jì)算其懸浮繞組電流值。
全文摘要
一種無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的控制方法，屬無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法。本方法是，當(dāng)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到導(dǎo)通相出現(xiàn)故障時(shí)，隨即轉(zhuǎn)入容錯(cuò)運(yùn)行控制模式，通過故障相的前一相，即補(bǔ)償相延長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間，直至能補(bǔ)償電機(jī)在缺相條件下穩(wěn)定懸浮所需的懸浮力，而故障相的下一相仍正常導(dǎo)通，此時(shí)，兩個(gè)自由度上的懸浮力改為除故障相外的兩相分配，以此得到計(jì)算懸浮繞組電流所需的各個(gè)方向上的懸浮力，在補(bǔ)償相的正轉(zhuǎn)矩區(qū)，主繞組電流值仍由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)得到，在負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，根據(jù)“平均負(fù)轉(zhuǎn)矩最小”原則，計(jì)算所需的主繞組電流值和懸浮繞組電流值，確保電機(jī)在故障狀態(tài)下繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，由此延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，充分發(fā)揮了開關(guān)磁阻電機(jī)高容錯(cuò)能力的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)H02N15/00GK101026348SQ20071002060
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月14日
發(fā)明者曹鑫, 鄧智泉, 王曉琳, 羅建震, 楊鋼 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)