一种直线旋转开关磁阻电机及其控制方法与流程

本发明属于开关磁阻电机技术领域，特别涉及了一种直线旋转开关磁阻电机。

背景技术：

传统单自由度电机仅实现一种形式的运动，如旋转运动或直线运动。而在一些特定应用场合，如机器人控制、工业生产、舰船推进、火炮转台、航天飞行器等，需要驱动系统具有产生多维运动的能力。基于该需求的解决方案之一是通过机械传动机构将多台单自由度电机组合，从而实现多维驱动功能。然而该方法不仅导致系统体积和重量较大，且各传动机构的间隙降低了系统的控制精度。因此，具有两自由度驱动功能的直线旋转电机应运而生。直线旋转电机不仅可在电机周向上实现旋转运动，而且可在电机轴向实现直线运动，故其具有两个运动自由度——轴向直线运动和周向旋转运动。由于将直线运动和旋转运动功能集成于一体，因而直线旋转电机具有结构紧凑、控制精度高、动态响应快、系统可靠性好等优点。

开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、低成本、耐高温、高容错性和高速适应性等特点，在航空航天、军事、民用等领域得到了广泛地应用。

目前基于开关磁阻电机式的直线旋转电机研究主要基于两种思路：一种是采用简单紧凑的本体结构，另一种是采用简便灵活的直线和旋转运动控制算法。从已公开报道的研究来看，目前这两种研究思路各有优缺点。基于第一种思路的lrsrm结构简单，但同一定子绕组既要控制产生旋转运动所需的转矩，又要控制产生直线运动所需的轴向力，因而直线和旋转运动控制的耦合度较高，需要专门设计较为复杂的解耦控制算法。基于第二种思路的lrsrm虽然可将直线运动和旋转运动分别由不同的定子绕组来独立控制，然而会引入更多的定子绕组及相应的硬件控制器，不仅增加了电机的轴向长度，而且使得系统更为庞大繁杂。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在一种直线旋转开关磁阻电机及其控制方法，简化电机控制方法，缩短电机轴向长度。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种直线旋转开关磁阻电机，包括1个转子铁心和2个定子铁心，2个定子铁心沿电机转轴方向并列排布；2个定子的齿极上安装有一套转矩绕组和一套轴向力绕组，所述转矩绕组横跨于2个定子的齿极上，用于控制转矩，所述轴向力绕组先与转矩绕组同向绕设在其中一个定子的齿极上，然后再反向绕设在另一个定子的齿极上，用于控制轴向力；转矩绕组上的电流单方向流通，轴向力绕组上的电流双向流通。

基于上述技术方案的优选方案，所述转矩绕组和轴向力绕组均为集中式绕组。

基于上述技术方案的优选方案，所述转矩绕组的功率变换器采用不对称半桥结构的电路拓扑。

基于上述技术方案的优选方案，所述轴向力绕组的功率变换器采用h桥或三相四桥臂结构的电路拓扑。

本发明还提出了基于上述直线旋转开关磁阻电机的控制方法，综合转矩和轴向力的控制目标，设置轴向力绕组导通区间为θ∈[30°，60°]，称为轴向力区间，设置转矩绕组导通区间为θ∈[0°，60°]，由于在一个相导通周期内给定轴向力保持恒定，因此在轴向力区间内，通过控制转矩绕组和轴向力绕组的电流均关于θ＝45°的位置对称分布，使电机在轴向力区间内产生的平均转矩为零；而在θ∈[0°，30°]内，由于轴向力绕组不导通电流，因而当前相不产生轴向力，全部产生转矩，称为转矩区间，通过调节转矩区间内的当前相转矩绕组电流来主动控制电机转矩；其中θ为转子转角。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明为了实现电机周向上的旋转运动和轴向上的直线运动，同时采用径向双绕组结构，有利于绕组的优化设计，有助于两套绕组功率电路的功能化设计，同时能够简化控制方法，并有效缩短直线旋转开关磁阻电机两自由度系统的轴向长度，使得结构更加紧凑，提高系统功率密度。

附图说明

图1是本发明设计的电机外观图；

图2是本发明设计的电机内部图；

图3是本发明设计的电机绕组分布示意图，包括(a)、(b)两幅图，分别为定子1和定子2到的绕组分布示意图；

图4为本发明设计的电机绕组示意图；

图5为三相绕组电感分布及电流导通区间示意图；

图6为转矩与轴向力协调控制方法控制框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

一种直线旋转开关磁阻电机，其结构如图1、图2所示，由两个定子铁心和一个转子铁心组成，绕组分布如图3、4所示，每个定子齿上均绕有两套绕组，其中一套绕组横跨在两个定子齿上，主要用于控制转矩，称为转矩绕组；另外一套绕组先与转矩绕组同向绕制安装在定子1齿极上，然后再反向绕制安装在定子2齿极上，主要用于控制轴向力，称为轴向力绕组。

该直线旋转开关磁阻电机(以6/4极为例)的控制方法说明如下：

定子绕组的控制器和电流导通方式：转矩绕组电流单方向导通，因此可选择不对称半桥电路作为转矩绕组功率变换器的电路拓扑；两定子同相轴向力绕组反向串联，电流双向导通，因此可选择h桥电路或三相四桥臂电路作为轴向力绕组功率变换器的电路拓扑。

图5为lrsrm三相绕组电感分布及电流导通区间示意图，其中横坐标为a相的转子转角位置θ，iat、ibt、ict分别表示三相转矩绕组电流，iaf、ibf、icf分别表示三相轴向力绕组电流。以a相为例，设置转矩绕组导通区间为θ∈[0°，60°]，设置轴向力绕组导通区间为θ∈[30°，60°]，称为轴向力区间。由于在一个相导通周期内给定轴向力通常保持恒定，因此在θ∈[30°，60°]内，可控制转矩绕组和轴向力绕组的电流均关于θ＝45°的位置对称分布，即电机产生的转矩关于θ＝45°正负对称，因此电机在轴向力区间θ∈[30°，60°]内产生的平均转矩为零。而在θ∈[0°，30°]内，由于轴向力绕组不导通电流，因而a相不产生轴向力(此时电机轴向力由前一励磁相b相提供)，全部产生转矩，称为转矩区间。因此电机转矩可通过调节该区间内的a相转矩绕组电流来进行主动控制。

图6为lrsrm转矩与轴向力协调控制方法控制框图，其中it1*和it2*分别代表在转矩区间和轴向力区间的转矩绕组电流给定值，if*代表轴向力绕组电流给定值。在转矩区间内，转矩绕组电流给定值由转速环调节得到；在轴向力区间内，转矩绕组和轴向力绕组电流给定值可基于轴向力模型，通过位置闭环pid调节出的轴向力fz*给定值计算得到。由于轴向力区间内的两个绕组电流均为未知量，而仅有一个轴向力方程，因而必须设定一个约束方程来求解出两个未知电流。因此，可根据不同的优化目标来建立该约束方程，比如最小铜损、最小磁势等。若为简化计算需要，也可直接将转速环调节出的it1*作为轴向力解算模型的输入值，从而直接计算出if*。最后，在得到两套绕组电流给定值后，通过采用电流滞环控制方法，使转矩绕组和轴向力绕组的功率变换器实时跟踪电流给定值，从而产生系统所需的转矩和轴向力，最终实现旋转速度和直线位置的闭环控制。在转矩区间内，转矩绕组电流仍可采用传统srm控制的其他两种方法，即pwm控制和角度位置控制方法。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。