基于NiFe薄膜AMR效应磁阻开关芯片的研究

利用磁控溅射设备在含有电路的6in.晶元上沉积惠斯通电桥形状的NiFe薄膜,对薄膜进行磁场退火处理,然后对薄膜进行后续的加工和封装,成功制备出磁阻开关芯片,经过测试获得芯片的相关电磁参数,发现其开关性能优异,温度稳定性好,静态功耗低,已经达到国外同类产品的性能。

宽转子极无轴承开关磁阻电机径向力模型全周期拓展

针对单绕组宽转子极无轴承开关磁阻电机在定转子极非完全交叠区间的径向悬浮力模型空白、已有定转子极完全交叠区间径向悬浮力模型推导过程复杂且计算量大的不足,首先通过磁场有限元分析,分别确定了该电机在定转子非完全交叠区间和完全交叠区间的电磁场几何分布,计算了气隙磁密,再根据麦克斯韦应力法分别推导了这2个区间的径向力表达式,从而建立该电机在一个完整周期范围内的径向力数学模型,并通过与三维有限元计算结果的对比验证该模型的准确性。相比于利用等效磁路图推导径向力模型而言,该建模过程更简便,计算量也更小。全周期径向力模型的建立,不仅能为电机本体和控制器设计提供理论参考,还有助于提高该电机控制策略设计的灵活性,也可以提高与传统单绕组无轴承电机控制器的通用性。

一种优化开关磁阻电机换相区控制策略的高效率转矩分配函数

转矩分配函数被广泛应用于抑制开关磁阻电机的转矩脉动。然而,输入相转矩跟踪不足或者输出相产生较大的负转矩这两种情况通常会导致电机的转矩脉动难以得到有效抑制,并降低电机的运行效率。因此,为了能够有效降低电机的转矩脉动并提高电机的效率,提出了一种新型的转矩分配函数控制策略。在提出的转矩分配函数控制策略中,电机的换相区域分为两个区域。在前一区域中,通过降低输入相转矩分配的比例,可以实现输入相实际转矩快速跟踪参考转矩,电机的转矩脉动有效降低。同时由于在输入相电感变化率较低时减少输入相分配的转矩,从而输入相的峰值电流随之降低,电机的转矩电流比提高。在后一区域中,将输出相的电流在转子对齐位置附近处减小到0,以避免产生较大的负转矩。因此,在所提出的方案下,电机的转矩脉动得到有效抑制,电机的效率也得到了提高。为了验证该方法的有效性,在一台12/8三相开关磁阻电机上进行了仿真和实验。结果表明,所提出的转矩分配函数控制策略能有效降低开关磁阻电机转矩脉动,也能有效地提高开关磁阻电机的运行效率。

宽转子无轴承开关磁阻电机的计及磁饱和径向力模型

针对无轴承开关磁阻电机现有的基于无磁饱和假设的数学模型只适用于未磁饱和工况的缺点,为宽转子单绕组无轴承开关磁阻电机建立了一种可以计及磁饱和影响的全周期径向力数学模型。首先依据该电机的磁场有限元分析结果,基于麦克斯韦应力法求出了径向力关于气隙磁密的表达式;然后对铁心材料的非线性磁化特性进行拟合,再根据该电机的等效磁路计算了计及磁饱和影响的气隙磁密;之后建立了该电机的径向力模型,并在对比分析了边缘气隙磁密和主气隙磁密对径向力的影响后,对所建径向力模型进行简化,以减小计算量和复杂度。最后利用三维有限元分析进行验证,结果表明所建径向力模型对该电机未磁饱和、部分磁饱和以及完全磁饱和工况均适用。计及磁饱和的全周期径向力模型的建立,可以为电机运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论参考。

基于改进型转矩分配函数的开关磁阻电机转矩与峰值电流优化研究

开关磁阻电机(SRM)使用传统的转矩分配函数控制时由于转矩分配函数的开关角度恒定,使其在换相阶段出现较为明显的转矩脉动和较高的峰值电流现象。针对这一现象,提出实时调节开关角度的指数型转矩分配函数的控制方法来降低转矩脉动与相峰值电流。与传统的转矩分配控制进行比较分析,所提算法能够在不同电机转速下抑制转矩脉动和降低SRM定子绕组换相峰值电流,在中低速情况下,实时优化转矩分配函数开关角与重叠角,提高了SRM的运行效率。以一台2.2 kW的12/8开关磁阻电机作为控制对象,建立控制系统仿真模型,通过仿真和实验验证了所提算法的有效性。

开关磁阻电机霍尔位置信号的故障诊断方法

开关磁阻电机(SRM)驱动系统的可靠运行,需要位置传感器提供可靠的位置信号。因此针对霍尔位置传感器时常故障影响电机正常工作的问题,研究一种有效的位置信号诊断方法对于提高系统工作可靠性是有重要意义的。本文提出了一种时间阈值与状态预测相结合的故障诊断方法。首先分析了位置传感器故障的类型和发生位置;其次对所提出的基于时间阈值结合状态预测的方法作了理论分析,该方法将3个位置信号组合的实际状态值与预测状态值作实时比对,结合状态值转换时间进行阈值约束从而检测出各种故障并达到快速准确的效果;最后,为了验证所提方法的有效性,以三相12/8结构电机作为研究对象,对该方法进行了实验验证。实验结果证明了该方法在故障检测中的可行性和有效性。另外,该方法无需复杂的计算和额外硬件即可实现,可推广到无刷直流电机(BLDC)等驱动系统使用。

周向错角开关磁阻电机及其直接瞬时转矩控制

传统开关磁阻电机由于其双凸极定、转子铁心结构以及开关型供电方式会造成强转矩脉动。针对此问题,提出了一种新型低转矩脉动周向错角开关磁阻电机。结合电机结构介绍了其运行机理,并对绕组的电感特性和转矩出力进行了分析。该电机采用内-外双定子结构,转子上同时设置内凸极和外凸极,且内、外定子铁心之间以及转子内、外凸极之间在周向上均相互错开一定的角度。内定子极上绕有辅助绕组,可以在主绕组换相期间提供辅助转矩以补偿转矩跌落,从而降低转矩脉动。利用场路耦合联合仿真,分别构建了传统开关磁阻电机与周向错角开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制系统,对比两者在匀速运行工况下的转矩脉动情况,结果表明相较于传统开关磁阻电机,周向错角开关磁阻电机的转矩脉动更小,具有良好的转矩脉动抑制效果。

基于GABP-NSGA-Ⅱ的开关磁阻电机系统级多目标优化设计

为提升开关磁阻电机(SRM)的系统驱动性能,提出一种基于遗传算法(GA)优化反向传播(BP)神经网络和非支配排序遗传算法(NSGA-II)相结合的多目标优化设计方法,旨在降低其转矩脉动、提高其平均转矩和效率。通过灵敏度分析,选择对开关磁阻电机优化目标影响较大的3个本体参数(匝数、转子极弧系数、气隙)和两个控制参数(开通角、关断角)作为决策变量,采用有限元分析、GA-BP法建模和NSGA-II算法进行多目标寻优,得到最优解。仿真结果表明,运用GA-BP-NSGA-II优化设计方法对提升开关磁阻电机的系统驱动性能有显著效果。

模糊自抗扰优化开关磁阻电机速度环控制策略

开关磁阻电机因其结构为双凸极造成转矩脉动过大,且该系统具有严重的非线性,给定转速变化大,负荷扰动大,为克服这个问题应用模糊自抗扰控制方法,结合开关磁阻电机特性和机械运动方程,建立开关磁阻电机双闭环系统仿真模型,转速环采用自抗扰控制技术并使用模糊控制对其参数实施整定,转矩环采用直接瞬时转矩控制,仿真对比得出,相较于传统PI控制,模糊自抗扰控制能够有效改善调速性能,降低转矩脉动,表现出良好的抗干扰能力。

一种多模式双定子开关磁阻电机混合控制系统

开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)具有可靠性高、成本低、结构简单和起动转矩大等优点,但同时存在功率密度低、转矩脉动大的问题。该文针对新型磁场解耦型双定子开关磁阻电机(double stator switched reluctance machine,DSSRM)具有内定子、外定子、双定子、内外定子串联和并联5种工作模式的特性,设计一种高效低转矩脉动的多模式双定子开关磁阻电机混合控制系统。首先,构建综合考虑电机工作效率和转矩脉动的优化函数;其次,提出一种混合控制方法,在电机低速和高速时分别采用直接瞬时转矩控制和自抗扰控制,提高电机的动态性能;此外,为降低模式间切换时产生较大的转矩峰值,提出以转矩负反馈补偿理念为中心的模式切换策略。通过仿真和实验验证该控制系统的优越性,为推广新型双定子开关磁阻电机的应用奠定一定基础。

基于电流转矩协同控制的开关磁阻电机新型直接瞬时转矩控制策略

该文针对开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)的直接瞬时转矩控制(direct instantaneous torque control,DITC)展开研究。由于SRM的强非线性及数字控制器控制带宽的有限性,传统DITC存在电流脉冲大、系统损耗高、转矩脉动大等问题。针对这些问题,该文在脉冲宽度调制DITC(pulse width modulation,PWM-DITC)基础上提出一种基于电流转矩协同控制的新型DITC策略。该策略创新性地引入电流误差作为开关导通依据之一,在控制转矩的同时实现对电流脉冲的抑制,完成平稳换相。同时,该策略在开关导通规则中设计与具体工况相关的参数,降低转矩脉动。在此基础上,该文又提出一种开通角迭代更新方案,实现系统效率提升。相比传统PWM-DITC,该策略可有效降低换相区间内电流脉冲,提升系统运行效率,同时显著降低转矩脉动。最后,通过实验验证所提策略的有效性。

一种电动车用开关磁阻电机四象限双极性转速环控制系统研究

开关磁阻电机(Switched reluctance motor,SRM)因结构简单坚固、起动转矩大和转速范围宽的特点,在电动车驱动系统有着广阔的应用前景。不同于异步电机和同步电机依靠调节器双极性输出量实现四象限工作,传统单极性SRM转速环控制系统需要依靠外部给定来切换工作象限,在四象限运行工况下存在切换过程平滑性难以控制的问题。针对此,本文提出一种将SRM转速环控制系统及其四象限控制方法相结合,以传统的角度位置控制(Angle position control,APC)理论为基础,将转速调节器双极性输出量与电机转速方向进行逻辑判断形成新的APC控制参数,配合传统电流斩波控制(Chopping current control,CCC)形成新型的四象限转速环控制系统。该系统优化了SRM频繁电制动切换的顿挫问题,为电动车坡道动态行驶安全提供了平滑切换的保障。仿真和实验结果均验证了该系统原理的可行性,较好地实现了电动车SRM驱动系统的四象限工况切换。

含实时电流补偿的开关磁阻式机电作动器自适应PI控制

针对传统控制算法难以克服开关磁阻电机的非线性并有效抑制转向叶片的负载扰动,因而无法对开关磁阻式机电作动器进行快速高精度位置跟踪控制的问题,提出了一种含实时电流补偿的自适应PI控制器。首先,通过负载观测器对作用于转向叶片上的空气动力负载进行实时估算,进而转化为电流环的实时补偿电流来抑制负载扰动的影响;然后,基于开关磁阻电机的转矩电流特性拟合曲线与实时电流反馈值对转速环PI参数进行自适应最优调节,从而削弱了开关磁阻电机的非线性,增强了机电作动器的转速调节性能;最后,通过引入位置前馈环节,有效提高了机电作动器的响应速度和位置跟踪精度。仿真和实验结果表明:相较于传统PI控制器、自适应PI控制器和含前馈环节的自适应PI控制器,所提控制器将开关磁阻式机电作动器的响应速度分别提高了49.3%、44.4%和30%,位置跟踪精度分别提高了54.8%、49.2%和2.9%,从而使得机电作动器具备更强的位置跟踪性能。

开关磁阻电驱动系统机电控协同设计

提出一种高性能开关磁阻电驱动系统的高效正向协同设计方法,来提高开关磁阻电驱动系统的功率密度,同时降低汽车在典型循环行驶工况下的损耗。首先,建立开关磁阻电机动态转矩模型和径向力模型;然后,建立开关磁阻电机损耗模型,并结合齿轮传动系统损耗模型形成电驱动系统损耗模型,用于典型循环行驶工况下电驱动系统损耗的计算。最后,以机械、电气和控制参数为协同设计变量,以系统的循环行驶工况损耗、质量和转矩波动与径向力脉动为优化目标,采用了双层嵌套优化方法进行优化设计。基于上述方法对12/8级开关磁阻电驱动系统进行优化设计,经协同优化设计后的开关磁阻电驱动系统总质量减轻了19.76%;CLTC-P典型循环工况的系统总损耗减少了42.45%;系统综合效率提升7.66%。

自适应三管导通机制下模块化开关磁阻电机系统转矩交叉补偿控制

模块化变换器驱动型开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)系统在降低系统体积与开发成本、促进电机变换器系统统一的同时,受两相串联励磁和母线电压的限制,转矩脉动问题进一步加剧。文中提出一种基于自适应三管导通的转矩控制策略可有效避免换相区两相串联励磁导致的转矩跌落,并在此基础上建立一种三步换相机制,通过确定换相区的自适应分区原则,揭示各换相分区的转矩交叉补偿原理,有效抑制模块化SRM转矩控制系统的相电流峰值,提高转矩跟踪效果。最后,基于一台150 W、三相12/8极SRM搭建系统模型与实验平台,验证所提出控制方案的可行性和有效性。

直线旋转开关磁阻电机的轴向速度控制与快速轴向定位

目前直线旋转开关磁阻电机(Linear-rotary switched reluctance motor,LRSRM)只可实现轴向定位控制,两自由度运动方式较为单一。为提高LRSRM轴向控制性能,本文提出了一种轴向速度控制方法,通过线性位置/速度观测器协调控制转子的轴向位移和轴向速度,由转矩与轴向力的数学模型解算出转矩及轴向力绕组的给定电流,再将其分配到对应的绕组导通区间,分别进行电流滞环控制。该方法可以有效调节转子在旋转过程中的轴向定位速度。仿真和实验验证了所提方法的控制效果。

基于自抗扰滑模控制的开关磁阻电机转矩分配控制策略

针对开关磁阻电机运行时存在的转矩波动大与外部干扰下电机运行不稳定等问题,该文提出了一种基于自抗扰滑模控制的开关磁阻电机转矩分配控制策略。由于传统滑模控制中趋近律采用的符号函数引起系统振荡频率高,造成被控对象抖振大,该文采用新型滑模趋近律,用平滑函数代替符号函数,并引入状态变量,同时提升了响应速度并降低抖振;此外,为了解决开关磁阻电机外部干扰对电机运行带来的稳定性问题,该文设计了一种自抗扰扩张状态观测器,这种观测器可以实现对负载扰动的实时观测,将观测值作为滑模速度控制器的前馈补偿,减小电机固有参数不确定对控制系统的影响。最后,通过仿真和实验验证了所提出的方案能够有效地改进控制系统在不同工况下的动态性能。

一种定子单绕组无轴承开关磁阻电机的转子位移控制方法

提出了一种用于定子单绕组无轴承开关磁阻电机(Bearingless switched reluctance motor,BLSRM)的转子位移控制方法。首先介绍了定子单绕组无轴承开关磁阻电机的基本结构和工作原理,基于等效磁路法建立悬浮力和刚度的数学模型。其次,建立了转子动力学模型以获取悬浮力与转子位移间的关系模型。最后,设计了一台实验样机并在电机上进行悬浮控制实验。实验结果验证了所提控制方法的有效性。

开关磁阻电机无位置传感器控制策略研究

针对开关磁阻电机无位置传感器下的转子位置还原,提出一种基于电流上升时间监测的无位置传感器控制策略,该策略包含初始位置检测、电机启动运行、转子位置重构和调速控制几个部分。首先离线测得电机在特殊位置时滞环带宽内的电流上升时间,作为初始阈值用于电机启动;接着分别对各相绕组注入小电流,比较各相电流在滞环带宽内的上升时间进行初始位置分区;然后将转子从电感下降区进入电感最小区起始点作为特征点,利用初始阈值启动电机并在电机运行过程中依据实时工况更新特征点处时间阈值作为下一周期的检测特征;最后通过检测特征点位置信号对转子进行位置重构和转速估算实现换相与调速。仿真与实验结果验证了所提出控制策略的有效性与准确性。

结构优化与直接瞬时转矩控制下的开关磁阻电机转矩脉动抑制

绕组换相时的转矩跌落是造成开关磁阻电机转矩脉动大的主要原因之一。针对该问题,本文在分析普通开关磁阻电机转矩脉动成因的基础上,研究了一种结构性优化与直接瞬时转矩控制相结合的转矩脉动抑制方法。通过增设内定子以及辅助绕组,构造一种周向错角开关磁阻电机,由内定子上的辅助绕组提供辅助转矩,以补偿外定子上主绕组在换相期间的转矩跌落。之后设计了直接瞬时转矩控制策略,根据转矩偏差信号以及扇区信号来直接切换功率变换器的工作模式,具有快速响应和转矩精确控制的优点。最后,在场-路耦合联合仿真环境下,搭建该电机六相绕组的直接瞬时转矩控制电路,对比分析了启动、加减速以及增、卸负载三种工况下的转矩特性以及转速特性。仿真结果表明,改进后的电机具有很好的转矩脉动抑制功能,且运行特性良好。