一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制方法及系统
阅读说明：本技术 一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制方法及系统 (control method and system for doubly salient permanent magnet motor phase current driving switch ) 是由 周智庆 叶树林 田英 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制方法及系统,首先给出理想磁链分布和电流开关状态,得出驱动开关电路开关通断模态的四状态控制法,通过非线性模型分析和测试,其反电动势得到验证,并通过动态模型分析,结果显示所提出针对两相FMDSPM相绕组电流开关通断控制方法的有效性,延长了驱动开关导通时间,从而延长了使用寿命较短,有效地对两相FMDSPM电机执行驱动控制,既可以两相绕组连续单相工作的方式形成两相电机,也可以两相同时工作形成两相电机,取决于应用场合对输出品质的要求,为开关角度控制、调速理论和驱动电路以及输出扭矩优化等发展提供了有效基础支撑。(The invention discloses a method and a system for controlling a doubly salient permanent magnet motor phase current driving switch, which firstly give ideal flux linkage distribution and current switching state, obtain a four-state control method for driving the on-off mode of a switching circuit, analyze and test through a nonlinear model, the back electromotive force is verified, and the result shows the effectiveness of the on-off control method for the two-phase FMDSPM phase winding current switch through dynamic model analysis, the conduction time of the driving switch is prolonged, therefore, the service life is prolonged to be short, the two-phase FMDSPM motor is effectively driven and controlled, the two-phase motor can be formed in a mode that two-phase windings work continuously in a single phase, the two phases can also work simultaneously to form the two-phase motor, and effective basic support is provided for the development of switch angle control, speed regulation theory, driving circuit, output torque optimization and the like depending on the requirements of application occasions on output quality.)
技术领域
本公开涉及医疗设备领域与导航领域，具体涉及一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制方法及系统。
背景技术
双凸极永磁电机(DSPM)在90年代年被提出[1]，结构简单坚固、效率和能量密度高等特征使得DSPM很容易在工业中获得应用优势，各国学者对其进行了广泛的研究，提出了各种不同的双凸极永磁电机，有力的促进了DSPM电机的进一步发展；主要包括两方面：电机本体和开关驱动控制电路的研究，文献[2]介绍一款8/6极结构双凸极永磁电机，文献[3-5]对其进行了广泛的研究，文献[6]介绍了电励磁双凸极永磁电机,并揭示了其基本特性，在文献[7-8]中，对其开关角度控制和应用进行了研究，以其获得更高的扭矩输出品质，文献[9]中利用换位思想，提出了一种新型的双凸极永磁电机，设计的特殊结构有利于获得更高品质的输出扭矩，然而，也同时降低了力能指标，文献[10]介绍了三相斜极转子DSPM电机，并提出了6状态控制逻辑，其有效性得到了验证；文献[11]提出了一种单项的4/6极结构双凸极永磁电机，揭示了采用整距绕组拥有更高的绕组和空间利用率。
在文献[12]中，提出了一种两相整距绕组双凸极永磁电机(FMDSPM)，12/8极结构，磁链几乎为单极性，然而，每相绕组磁链拥有集中绕组两倍的变化率，因而，每相绕组拥有更高反电动势，分析显示，同等条件下，其拥有更高的功率密度。
参考文献
[1]Liao Y,Liang F,Lipo T A.A novel permanent magnet motor with doublysalient structure[J].IEEE Trans.on Industry Applications,1995,31(5):1059～1078.
[2]Chau K T,Cheng Ming,Chan C C.Performance analysis of 8/6-poledoubly salient permanent magnet motor[J].Electric machines and powersystems.1999,27(10):1055-1067.
[3]程明,周鄂.新型***绕组双凸极变速永磁电机的分析与控制[J].中国科学E辑,2001,31(3):228-237.
[4]林明耀,程明.双凸极电机的设计、控制和运行(Ⅰ)[J].微特电机,2003,31(2):7-9.
[5]林明耀,程明.双凸极电机的设计、控制和运行(Ⅱ)[J].微特电机,2003,31(4):8-10.
[6]相蓉,周波.双凸极电机转矩脉动的仿真研究[J].南京航空航天大学学报,2001,33(4):366-371.
[7]蔡一正,戴卫力.双凸极电励磁启动电机的设计与分析[J].微特电机,2016,44(7)：26-30.
[8]秦海鸿,黄伟君,王慧贞等.单斩电流滞环控制的双凸极永磁电机三相桥式功率变换器中的电流尾巴[J].中国电工技术学报,2005,25(20)：124-131.
[9]龚宇,崔巍,章跃进等.采用换位设计的新型双凸极永磁电机[J].中国电机工程学报,2009,29(36):42-48.
[10]李永斌,龚宇,江建中.双凸极永磁电机斜极转子设计和绕组换流模式研究[J].电工技术学报,2005,20(7):70-75.
[11]边敦新,詹琼华等.一种新型双凸极单项永磁电动机的工作原理与参数计算[J].2000,20(10):14-18.
[12]周智庆,迟永滨,何佳颖.一种新型高能量密度和低成本两相双凸极永磁电机[J].电工技术学报,2013,28(9)：310-320.
以上这些类现有技术的方法，存在着驱动开关导通时间短，导致其使用寿命较短的技术问题，而且并不能有效地对两相FMDSPM电机执行驱动控制。
发明内容
本公开的目的是针对上述问题，提供一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制方法及系统，根据背景技术中文献[12]中提出的FMDSPM电机，以某6/4极两相FMDSPM电机为例，对其磁链分布和电流通断方法进行分析，得出四状态开关控制方法，实验验证非线性模型输出的反电动势，并通过非线性动态分析，验证四状态开关控制方法的有效性，具体包括以下步骤：
步骤1，构建扭矩产生模型；
步骤2，通过扭矩产生模型产生扭矩输出；
步骤3，根据扭矩输出得到相电流导通态；
步骤4，根据相电流导通态控制开关通断。
进一步地，在步骤1中，构建扭矩产生模型的方法为：
对于FMDSPM电机，沿电机转子旋转方向，相绕组两侧的三个定子极中，磁场滑入或滑出的那个定子极处于产生扭矩的状态，因此，FMDSPM电机中的所有定子极都会处于输出扭矩的状态，而对于DSPM电机，总是有一个定子极却没有输出扭矩，尽管存在上述差异，但FMDSPM电机扭矩产生基本原理和DSPM电机基本是一样的，从而，构建扭矩产生模型如下：
其中，v为相绕组两端电压，R为相绕组电阻，i为相绕组电流，e为相绕组反电动势，λ为相绕组磁链，λm为永磁磁链，L为相绕组电感，Pe为输入功率，WC相绕组储能，决定于电感和电流，一般很小，可忽略；t为时间，ωr为转子角速度、θr为转子位置角度、Te为输出扭矩。
进一步地，在步骤2中，通过扭矩产生模型产生扭矩输出的方法为：
从(6)式可以看出在忽略槽扭矩的情况下，输出扭矩Te由两部分组成，(6)式中第一项代表由相绕组电感变化产生的磁阻扭矩，显然，和现有的DSPM电机一样，呈现周期性变化，第二项为永磁扭矩，由于产生扭矩的定子极处于高度饱和中，因此，(6)式中第一项很小，输出扭矩中，主要为永磁扭矩。
其中，R＝[rA,rB]为每相电阻，Λ＝[λA,λB]为A和B两相绕组磁链，为两相电感，由于主要考虑单相工作的情况，所以，不存在共感；Λm为永磁磁链，I＝[iA.iB]为两相电流，t为时间，V＝[UA,UB]为A和B两相绕组单向电压，U为相绕组电压。对于(8)式解耦可得到(9)式。每个模态的分析模型计算方法此处省略，请参考背景技术中的文献[7-8]。
进一步地，在步骤3中，根据扭矩输出得到相电流导通态的方法为：
当FMDSPM电机电机的转子从位置为0°时的位置，在一个90机械角度内，相绕组磁链变化一个周期，磁链几乎为单极性，其电机驱动开关电路为扭矩产生模型的双H桥驱动电路，每个H桥驱动一相绕组；根据扭矩产生原理，在磁链的上升阶段和下降阶段都将产生扭矩输出，此时相应的绕组电流为正值或者负值，从而得出的相电流理想的开关通断曲线。
由此可知，相电流导通态存在两个大区域，分别为m1和m2，其中每个区域又存在两个状态，m1-1或者m1-2和m1-3，以及m2-1或者m2-2和m2-3；
进一步地，在步骤4中，根据相电流导通态控制开关通断的方法为：
根据相电流导通态的大区域m1、m2和每个区域中存在的两个状态m1-1或者m1-2和m1-3，以及m2-1或者m2-2和m2-3，得出的开关通断如表1所示，表1为每个模态中的开关通断表，以每个模态中开关通断构成了本公开提出的四状态开关通断控制方法，其导通角度仅仅分别只有30°和12°以及30°和18°；
表1每个模态中的开关通断表
进一步可以观察到，两相FMDSPM电机每相电流的开关通断角度位置可调整空间较大，因而，稳态扭矩输出的速度范围可以明显扩大，同时，既可以两相连续单相工作形成的两相电机，也可以双相同时工作形成的两相电机，根据应用场合而定。
本发明还提供了一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统，所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
扭矩模型构建单元，用于构建扭矩产生模型；
扭矩输出单元，用于通过扭矩产生模型产生扭矩输出；
相电流导通态单元，用于根据扭矩输出得到相电流导通态；
导通态控制单元，用于根据相电流导通态控制开关通断。
本公开的有益效果为：本发明公开了一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制方法，延长了驱动开关导通时间，从而延长了使用寿命较短，有效地对两相FMDSPM电机执行驱动控制，既可以两相绕组连续单相工作的方式形成两相电机，也可以两相同时工作形成两相电机，取决于应用场合对输出品质的要求，为开关角度控制、调速理论和驱动电路以及输出扭矩优化等发展提供了有效基础支撑。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
图1所示为电机结构图；
图2所示为磁链和电流通断图；
图3所示为电机驱动开关电路图；
图4所示为电机有限元求解模型图；
图5所示为两相绕组磁链和反电动势图；
图6所示为两相绕组反电动势实测波形图；
图7所示为四状态控制法相电流通断和扭矩输出图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本公开提出一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1，构建扭矩产生模型；
步骤2，通过扭矩产生模型产生扭矩输出；
步骤3，根据扭矩输出得到相电流导通态；
步骤4，根据相电流导通态控制开关通断。
进一步地，在步骤1中，构建扭矩产生模型的方法为：
对于FMDSPM电机，沿电机转子旋转方向，相绕组两侧的三个定子极中，磁场滑入或滑出的那个定子极处于产生扭矩的状态，因此，FMDSPM电机中的所有定子极都会处于输出扭矩的状态，而对于DSPM电机，总是有一个定子极却没有输出扭矩，尽管存在上述差异，但FMDSPM电机扭矩产生基本原理和DSPM电机基本是一样的，从而，构建扭矩产生模型如下：
其中，v为相绕组两端电压，R为相绕组电阻，i为相绕组电流，e为相绕组反电动势，λ为相绕组磁链，λm为永磁磁链，L为相绕组电感，Pe为输入功率，WC相绕组储能，决定于电感和电流，一般很小，可忽略；t为时间，ωr为转子角速度、θr为转子位置角度、Te为输出扭矩。
进一步地，在步骤2中，通过扭矩产生模型产生扭矩输出的方法为：
从(6)式可以看出在忽略槽扭矩的情况下，输出扭矩Te由两部分组成，(6)式中第一项代表由相绕组电感变化产生的磁阻扭矩，显然，和现有的DSPM电机一样，呈现周期性变化，第二项为永磁扭矩，由于产生扭矩的定子极处于高度饱和中，因此，(6)式中第一项很小，输出扭矩中，主要为永磁扭矩。
其中，R＝[rA,rB]为每相电阻，Λ＝[λA,λB]为A和B两相绕组磁链，为两相电感，由于主要考虑单相工作的情况，所以，不存在共感；Λm为永磁磁链，I＝[iA.iB]为两相电流，t为时间，V＝[UA,UB]为A和B两相绕组单向电压，U为相绕组电压。对于(8)式解耦可得到(9)式。每个模态的分析模型计算方法此处省略，请参考背景技术中的文献[7-8]。
进一步地，在步骤3中，根据扭矩输出得到相电流导通态的方法为：
图1为电机结构图，在图1中，当FMDSPM电机电机的转子从位置为0°时的位置，在一个90机械角度内，相绕组磁链变化一个周期，如图2所示为磁链和电流通断图，磁链几乎为单极性，图3为电机驱动开关电路图，电机驱动开关电路为扭矩产生模型的双H桥驱动电路，每个H桥驱动一相绕组；根据扭矩产生原理，在磁链的上升阶段和下降阶段都将产生扭矩输出，此时相应的绕组电流为正值或者负值，从而得出的相电流理想的开关通断曲线如图2中所示。
由此可知，相电流导通态存在两个大区域，分别为m1和m2，其中每个区域又存在两个状态，m1-1或者m1-2和m1-3，以及m2-1或者m2-2和m2-3；
进一步地，在步骤4中，根据相电流导通态控制开关通断的方法为：
根据相电流导通态的大区域m1、m2和每个区域中存在的两个状态m1-1或者m1-2和m1-3，以及m2-1或者m2-2和m2-3，得出的开关通断如表1所示，表1为每个模态中的开关通断表，以每个模态中开关通断构成了本公开提出的四状态开关通断控制方法，其导通角度仅仅分别只有30°和12°以及30°和18°；
表1每个模态中的开关通断表
m1
m2
m1-1
m1-2
m1-3
m2-1
m2-2
m2-3
S1
开
开
关
关
关
关
S2
关
关
关
开
开
关
S3
关
关
关
开
开
关
S4
开
开
关
关
关
关
S5
关
关
开
关
关
关
S6
关
关
关
关
关
开
S7
关
关
关
关
关
开
S8
关
关
开
关
关
关
进一步可以观察到，两相FMDSPM电机每相电流的开关通断角度位置可调整空间较大，因而，稳态扭矩输出的速度范围可以明显扩大，同时，既可以两相连续单相工作形成的两相电机，也可以双相同时工作形成的两相电机，根据应用场合而定。
计算结果及其验证
本公开所设计的6/4极FMDSPM电机有限元求解模型如图4所示，通过计算后，得到相绕组磁链分布示于图5中，图5中同时也包含了对磁链求微分所得到的反电动势波形，通过实验求证所得到的反电动势波形示于图6中，可以看到有限元求解的结果和实证具有很好的一致性。
3结果分析
分析结果如图7所示，图7中标识出了m1大区中的m1-1和m1-2以及m1-3，三个子区域(点画线框)，m2大区可类似，从图7中看出，扭矩输出保持很好的连续性和稳定性，电流峰值4A，单斩控制，输出扭矩平均值约等于1.4N.m；显示出四状态相电流通断开关控制法的合理性和有效性。
必须要指出，由于磁场空间分布不均匀导致非线性，以及对输出扭矩品质要求，相电流开关角度应该有所调整，图7中的A和B标识之处所示，同时相电流之间的切换角度也对输出具有明显影响，如图7中的椭圆标识处，由于相电流切换角度处理不当，产生明显相电流切换扭矩波动。
4结论
本公开提出了两相FMDSPM电机相电流驱动四状态开关通断控制方法，通过对两相FMDSPM电机扭矩产生原理的分析，得出：
1.所提出的四状态相电流开关通断控制方法有效性得到验证，能有效地对两相FMDSPM电机执行驱动控制。
2.驱动开关导通时间短，能有效地提高其使用寿命，但也带来了另一个问题，驱动开关利用率不高。
3.两相FMDSPM电机，既可以两相绕组连续单相工作的方式形成两相电机，也可以两相同时工作形成两相电机，取决于应用场合对输出品质的要求。
本公开的工作为之后开关角度控制、调速理论和驱动电路以及输出扭矩优化等发展提供了有效基础支撑。
本公开的实施例提供的一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统，该实施例的一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统实施例中的步骤。
所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
扭矩模型构建单元，用于构建扭矩产生模型；
扭矩输出单元，用于通过扭矩产生模型产生扭矩输出；
相电流导通态单元，用于根据扭矩输出得到相电流导通态；
导通态控制单元，用于根据相电流导通态控制开关通断。
所述一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统可以运行于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备中。所述一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述例子仅仅是一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统的示例，并不构成对一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统的限定，可以包括比例子更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统运行系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统可运行系统的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种双凸极永磁电机相电流驱动开关控制系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。