電機(jī)傳感器調(diào)控研究

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1引言

無軸承電機(jī)是近年來發(fā)展起來的一種新型懸浮電機(jī)，通過氣隙中極對數(shù)差為1的兩組磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自旋轉(zhuǎn)和自懸浮。無軸承電機(jī)省去了傳統(tǒng)軸承的機(jī)械支撐，使其在高速機(jī)床、飛輪儲(chǔ)能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景；此外無軸承電機(jī)在加工潔凈要求很高或轉(zhuǎn)子不存在摩擦的場合，如半導(dǎo)體工業(yè)、人工心臟等場合也有很高的應(yīng)用價(jià)值[1-5]。

傳統(tǒng)的無軸承電機(jī)采用兩套極對數(shù)相差為1的繞組，一套提供轉(zhuǎn)矩，另一套提供懸浮力。目前對無軸承電機(jī)的研究主要集中在數(shù)學(xué)模型、本體設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制算法及控制系統(tǒng)上[1-11]。單繞組無軸承電機(jī)主要有橋式[2]、裂相[3]和多相結(jié)構(gòu)[4,5]。文獻(xiàn)[9]中提出了一種單繞組無軸承永磁薄片電機(jī)，其定子結(jié)構(gòu)與裂相式電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，采用注入兩組相位差不同電流的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)懸浮，其控制效果優(yōu)于裂相式加正負(fù)電流的控制方式。文獻(xiàn)[10]還對二相無軸承薄片電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及其控制方法進(jìn)行了研究，提出了一種交錯(cuò)并聯(lián)的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地減少了功率管的數(shù)量。多相單繞組無軸承電機(jī)采用定子不對稱結(jié)構(gòu)，每相繞組函數(shù)中存在基波和2次空間諧波，通過在電機(jī)繞組中注入兩組相位差不同的電流可以在一臺(tái)多相電機(jī)的兩個(gè)平面內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)極對數(shù)相差為1的磁場，進(jìn)而產(chǎn)生懸浮力，維持電機(jī)穩(wěn)定懸浮。文獻(xiàn)[11]以一臺(tái)五相單繞組電機(jī)為例，對其空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)進(jìn)行了研究，控制諧波平面空間電壓矢量實(shí)現(xiàn)了電機(jī)平穩(wěn)懸浮。

無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度信號(hào)的精確獲取是其穩(wěn)定運(yùn)行的保證。但是機(jī)械式傳感器的存在增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，給系統(tǒng)帶來了安裝、連線和可靠性的問題，尤其是在惡劣環(huán)境下運(yùn)行時(shí)提取信號(hào)的準(zhǔn)確性無法得到保證。在高速運(yùn)行場合，普通的速度傳感器如光電編碼盤的應(yīng)用也會(huì)受到限制。將無位置傳感器技術(shù)應(yīng)用到無軸承領(lǐng)域既可以克服傳統(tǒng)測速裝置存在的問題，也可以降低成本，對無軸承技術(shù)的工業(yè)化有著重要的意義。

基于滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制是該領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。該算法控制算法簡單，對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型精確度要求不高，對系統(tǒng)參數(shù)變化、外界擾動(dòng)具有自適應(yīng)性，有很強(qiáng)的魯棒性[12-18]。

本文針對多相單繞組無軸承電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，考慮懸浮平面與轉(zhuǎn)矩平面的耦合，采用滑模觀測器辨識(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢實(shí)現(xiàn)了該電機(jī)的無位置傳感器運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所述方法的有效性和可行性。

2針對單繞組多相無軸承電機(jī)的滑模觀測器原理

2.1單繞組多相永磁型無軸承電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

五相單繞組永磁型無軸承電機(jī)利用五相電機(jī)中存在的兩個(gè)控制自由度同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自旋轉(zhuǎn)和自懸浮[4]。可以通過式（1）的坐標(biāo)變換矩陣將電機(jī)中相平面的各物理量轉(zhuǎn)換到五相電機(jī)的兩個(gè)相互正交的dq平面內(nèi)。式中前兩行對應(yīng)于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平面，為電機(jī)提供電磁轉(zhuǎn)矩維持電機(jī)的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，第3、4行對應(yīng)于電機(jī)的懸浮平面，為電機(jī)提供懸浮力，進(jìn)而使電機(jī)在沒有機(jī)械軸承支撐的情況下始終圍繞電機(jī)中心旋轉(zhuǎn)。

對于一個(gè)無軸承驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)矩平面和懸浮平面存在關(guān)于轉(zhuǎn)子偏心的耦合。考慮轉(zhuǎn)子的偏心，轉(zhuǎn)子定向后，五相單繞組永磁型無軸承電機(jī)的電壓方程可以表示為[4]無軸承電機(jī)通過控制電機(jī)兩組極對數(shù)不同的磁場，相互作用，產(chǎn)生可控懸浮力，懸浮力的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[4]通過控制轉(zhuǎn)矩平面和懸浮平面的電流，為電機(jī)提供電磁轉(zhuǎn)矩，并克服電機(jī)重力和單邊磁拉力，維持電機(jī)在轉(zhuǎn)子中心平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。

2.2無軸承電機(jī)的滑模觀測器原理

將電壓方程轉(zhuǎn)化到靜止坐標(biāo)系下，由式（2）得由式（5）可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩繞組的反電動(dòng)勢中包含轉(zhuǎn)子的位置信息，通過估算轉(zhuǎn)矩繞組中反電動(dòng)勢的變化就可以提取出轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置角度，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)速信息。若令由式（7）可知，區(qū)別于傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，由于轉(zhuǎn)子偏心的影響，無軸承電機(jī)中存在一定的耦合，而耦合項(xiàng)1、2的大小與轉(zhuǎn)子偏心、懸浮電流以及電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，與電機(jī)轉(zhuǎn)角不存在直接的關(guān)系，會(huì)對電機(jī)的位置辨識(shí)造成一定的周期性影響。

圖1為滑模觀測器的設(shè)計(jì)框圖，若令f表示該物理量的觀測值，根據(jù)五相單繞組永磁型無軸承電機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和滑模變結(jié)構(gòu)理論，可以定義滑模面為式中，kslide為滑模增益，滑模存在條件可由Lyapunov第二方法得到，即若取Lyapunov函數(shù)為：，則滑模運(yùn)動(dòng)在全局范圍內(nèi)漸進(jìn)穩(wěn)定的條件為針對單繞組多相無軸承電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以得到該滑模觀測器的穩(wěn)定條件由式（11）可知，當(dāng)kslide滿足kslide＞11maxe,12e時(shí)滿足滑模觀測器的穩(wěn)定條件，可以產(chǎn)生滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過有限的時(shí)間后，系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)并達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)有11i0,i0，且1i0,1i0，代入式（9）與式（7）的作差獲得的估算電流誤差動(dòng)態(tài)模型，有如式（12）所示，由z表示的切換信號(hào)包含了系統(tǒng)的反電動(dòng)勢信息，電機(jī)偏心引入的擾動(dòng)以及其他各種形式的外部擾動(dòng)，由于無軸承電機(jī)懸浮運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心很小，所以切換信號(hào)中反電動(dòng)勢信息占主導(dǎo)地位。區(qū)別于傳統(tǒng)的基波反電動(dòng)勢辨識(shí)方法，對于無軸承系統(tǒng)，此方法中由電機(jī)偏心引起的無軸承電機(jī)固有擾動(dòng)可以被觀測器方程中的滑模切換信號(hào)所湮沒，此外還對參數(shù)不確定性及外部擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。

為了改善辨識(shí)的反電動(dòng)勢波形，提高轉(zhuǎn)子位置角辨識(shí)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中采用飽和函數(shù)替代傳統(tǒng)的開關(guān)切換函數(shù)，飽和函數(shù)可以寫為[12]式中，為邊界層，其取值過大導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間過長，過小導(dǎo)致飽和函數(shù)效果不明顯，參數(shù)辨識(shí)精度下降。

由式（13）飽和函數(shù)輸出通過低通濾波器可以提取出反電動(dòng)勢的信息，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。

低通濾波器的截止頻率過大，濾波效果不明顯，會(huì)導(dǎo)致反電動(dòng)勢的失真；截止頻率過小，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的延遲比較明顯，所以引入了變頻率濾波和轉(zhuǎn)角補(bǔ)償環(huán)節(jié)，濾波器的截止頻率選取與電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速有關(guān)。濾波器的表達(dá)式可以寫為[12]

從式（14）可以看出，該低通濾波器的截止頻率為/，為常數(shù)，不同轉(zhuǎn)速下該濾波器截止頻率隨之變化。

相移補(bǔ)償可以表示為

電機(jī)的轉(zhuǎn)角估計(jì)值為

值得注意的是，選取較大的滑模切換增益有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是太大的滑模增益會(huì)使得定子電流的估算值和反電動(dòng)勢估算值產(chǎn)生畸變，因此可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)整切換增益值：kslide=k0，k0為常數(shù)，使得電機(jī)在低速和高速范圍內(nèi)均可以取得比較理想的效果。

3控制策略

基于滑模觀測器的無位置傳感器控制框圖如下圖2所示，系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，即轉(zhuǎn)矩繞組控制器、懸浮繞組控制器及電機(jī)本體組成。

滑模觀測器通過檢測轉(zhuǎn)矩繞組的電流以及給定電壓的參考值來獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)。速度估算信號(hào)與速度參考值比較后的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩繞組q軸電流參考值，與系統(tǒng)反饋的電流實(shí)際值相比較后的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩繞組q軸電壓參考值；從電渦流位移傳感器獲得的徑向位移信號(hào)與參考位置比較后的誤差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器分別得到徑向的可控懸浮力，通過懸浮電流的數(shù)學(xué)模型獲得懸浮繞組電流的參考值，同樣經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到懸浮平面的d、q軸電壓參考值。

利用滑模觀測器觀測的電機(jī)位置轉(zhuǎn)子信息，經(jīng)過坐標(biāo)變換后得到靜止坐標(biāo)系下的電壓參考值，作為SVPWM控制的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無位置傳感器穩(wěn)定運(yùn)行。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)4kW的五相單繞組永磁型無軸承電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)引入機(jī)械輔助軸承將軸限制在±0.33mm的范圍內(nèi)防止定轉(zhuǎn)子直接接觸。樣機(jī)額定電壓為140V，額定電流為6.3A。電機(jī)參數(shù)見下表。

圖3和圖4為電機(jī)采用滑模觀測器在升速過程中（500～1200r/min）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3表示加速過程電機(jī)的、方向上的估算反電動(dòng)勢，電機(jī)轉(zhuǎn)角的實(shí)際值（光電編碼盤測得）和估算值和電機(jī)的徑向轉(zhuǎn)子位移，由圖可見電機(jī)在加速過程中一直可以平穩(wěn)懸浮。圖4為圖3中電機(jī)在500r/min時(shí)反電動(dòng)勢和轉(zhuǎn)角的局部放大圖，由圖可見，電機(jī)估算反電動(dòng)勢正弦度良好，估算角度與實(shí)際角度基本吻合。

圖5反映了電機(jī)在升速過程中（500～1200r/min）轉(zhuǎn)矩平面靜止坐標(biāo)系下電流的實(shí)測值和估計(jì)值，如圖所示，滑模觀測器在電機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)懸浮時(shí)均可以很好實(shí)現(xiàn)對實(shí)際電流信號(hào)的觀測。圖6為升速過程中無軸承電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、估計(jì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流和懸浮電流的波形。

圖7為施加懸浮力擾動(dòng)時(shí)滑模觀測器辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在分隔線左邊，在外部施加了一定的懸浮力擾動(dòng)；而在分隔線右邊，擾動(dòng)撤除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)在施加懸浮力擾動(dòng)時(shí)，該數(shù)學(xué)模型仍可以較為準(zhǔn)確的辨識(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)角信息，維持電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平穩(wěn)懸浮。圖8為施加懸浮力擾動(dòng)及電機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖。

5結(jié)論

本文根據(jù)單繞組多相無軸承電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和滑模變結(jié)構(gòu)理論，實(shí)現(xiàn)了基于滑模觀測器的無位置傳感器控制。區(qū)別于傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)無傳感器控制，分析了懸浮平面對轉(zhuǎn)角辨識(shí)的影響，并給出了實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮和無速度傳感器運(yùn)行，且在存在懸浮力擾動(dòng)時(shí)也具有良好的動(dòng)、靜態(tài)運(yùn)行性能。