基于I-ω法磁場(chǎng)辨識(shí)的無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)矢量控制
高劍，黃守道，蔡國(guó)洋
(湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410082)
摘要：集旋轉(zhuǎn)與懸浮于一體的無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力的非線性解耦是實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定懸浮運(yùn)行的基礎(chǔ)。氣隙磁場(chǎng)定同控制算法復(fù)雜，且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)兩者的動(dòng)態(tài)解耦。提出了基于轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制算法，徑向懸浮控制所需的氣隙磁場(chǎng)通過(guò)，I-ω實(shí)時(shí)辨識(shí)。仿真結(jié)果表明，電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力實(shí)現(xiàn)完全解耦，驗(yàn)證了所提方案的有效性。
關(guān)鍵詞：無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)；磁場(chǎng)辨識(shí)；轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向
中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 004一7018(2010)04—0056—03
O引 言
無(wú)軸承電機(jī)是集旋轉(zhuǎn)與懸浮于一體的新型電機(jī)，利用磁軸承結(jié)構(gòu)和交流電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的相似性，把轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組共同繞制在電機(jī)的定子上，這樣就可以省去徑向軸承，使電機(jī)的軸向空間大幅度減少。與一般電機(jī)相比，無(wú)軸承電機(jī)是一個(gè)更復(fù)雜的多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)。
無(wú)軸承電機(jī)懸浮力是兩繞組磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力之間存在耦合，兩者的相互解耦是實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定懸浮運(yùn)行的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4～5]分別敘述了基于氣隙磁場(chǎng)定向的無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)的解耦控制，氣隙磁場(chǎng)定向控制算法復(fù)雜，且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)兩者的完全解耦。文獻(xiàn)[6]雖然提出了基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)控制，但其懸浮控制所需的轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁場(chǎng)通過(guò)定向后的轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流在線辨識(shí)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)兩者的完全解耦。
基于此，本文提出了基于轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制算法。為了實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力的完全解耦，根據(jù)文獻(xiàn)[7]描述的普通異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的間接觀測(cè)方法，依據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的特點(diǎn)，將氣隙磁場(chǎng)辨識(shí)的I-ω法(定子電流和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度)應(yīng)用于無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制。仿真結(jié)果表明：電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力實(shí)現(xiàn)完全解耦，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。
1基本原理與數(shù)學(xué)模型
1．1基本原理
如圖1所示，無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)的定子上有兩套繞組，4極轉(zhuǎn)矩繞組(用N4表示)和2極懸浮控制繞組(用Nx、Ny，表示)，如果北和M繞組沒(méi)有電流通過(guò)，轉(zhuǎn)  矩繞組產(chǎn)生的4極磁場(chǎng)均勻?qū)ΨQ，圖中區(qū)域1和區(qū)域2處的氣隙磁通密度相等，轉(zhuǎn)軸上無(wú)懸浮力產(chǎn)生。當(dāng)札繞組上通入如圖l所示方向的電流時(shí)，繞組產(chǎn)生的2極磁場(chǎng)與原有的4極磁場(chǎng)疊加，使得區(qū)域1氣隙磁密增加，區(qū)域2氣隙磁密減少，不平衡的氣隙磁通密度使電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生出沿Y軸正方向的磁拉力。相反，如果在Ny繞組上通人反方向電流，合成的氣隙磁場(chǎng)將產(chǎn)生沿y軸負(fù)方向的磁拉力。同理，如果在Nx繞組通入電流就可以產(chǎn)生沿置軸方 向的磁拉力。因此，通過(guò)控制Nx和Ny繞組的電流就可以控制磁懸浮力的大小和方向，使電機(jī)獲得穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生與普通異步電機(jī)相同。
1．2數(shù)學(xué)模型
無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型在靜止坐標(biāo)系下的方程如下。
式中：下標(biāo)1、2分別表示轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組的量；下標(biāo)s、m、r分別表示定子、氣隙和轉(zhuǎn)子的量；
下標(biāo)α、β分別表示靜止坐標(biāo)系下α軸和β軸的量；下標(biāo)z、y分別表示徑向水平和垂直方向的分量；文中其它處的量的下標(biāo)均照此原則。ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；p為微分算子，p=d/dt；z為電機(jī)有效鐵心長(zhǎng)度；r為轉(zhuǎn)子外徑；W1、W2分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組每相匝數(shù)；  μ0為真空中的磁導(dǎo)率，  由式(2)可知，徑向懸浮力是由定子上轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互調(diào)制產(chǎn)生的。假設(shè)懸浮控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)只起懸浮作用，即在轉(zhuǎn)子上不感應(yīng)電流，則徑向懸浮力只與氣隙磁場(chǎng)和懸浮控制繞組電流有關(guān)，為了使徑向懸浮力可控，則需分別控制氣隙磁場(chǎng)和懸浮控制繞組電流。對(duì)氣隙磁場(chǎng)的控制有兩種方式：一種是采用氣隙磁場(chǎng)定向的方法，即旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸方向與氣隙磁場(chǎng)重合，則徑向懸浮力只與懸浮控制繞組電流有關(guān)，而電磁轉(zhuǎn)矩只 與轉(zhuǎn)矩繞組電流有關(guān)，該方法智能實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力的靜態(tài)解耦，而沒(méi)有實(shí)現(xiàn)兩者的完全動(dòng)態(tài)解耦，動(dòng)態(tài)懸浮性能較差；另一種是通過(guò)在線辨識(shí)，及時(shí)獲取氣隙磁鏈的幅值和相位，則電機(jī)的控制方法更具靈活性。
2 I—ω法氣隙磁場(chǎng)辨識(shí)
無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型與普通異步電機(jī)無(wú)異�，F(xiàn)將描述普通異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型方程改寫(xiě)如下。
圖中，k1=0.388,k2=0.00048,k3=0.023是坐標(biāo)變換系數(shù)和與電機(jī)參數(shù)相關(guān)的系數(shù)。
3 控制系統(tǒng)
普通籠型異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q下的基本方程如下。
由間接型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)式(10)可知，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)只需兩個(gè)參數(shù)：電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，與I-ω法所需參數(shù)完全吻合，系統(tǒng)成本****，且此方法精度較高。
將氣隙磁場(chǎng)辨識(shí)的，I-ω法應(yīng)用于無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，轉(zhuǎn)矩繞組采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，懸浮控制所需的轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁場(chǎng)通過(guò)，I-ω法適時(shí)辨識(shí)，其原理如圖3所示。
4仿真結(jié)果與分析
為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，以一樣機(jī)為例對(duì)所提出的矢量控制方法進(jìn)行仿真。電機(jī)參數(shù)：額定電壓380 v，額定轉(zhuǎn)速1 400r／min；轉(zhuǎn)矩繞組：極對(duì)數(shù)為2，定子電阻13．83Ω，定子自感0 36 H，轉(zhuǎn)子電阻15.56 Ω，轉(zhuǎn)子自感O．36 H，定轉(zhuǎn)子間互感0．338 H；懸浮控制繞組：極對(duì)數(shù)為1，定子電阻3，23Ω，定子電感O．13 H；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量O 008 kg·m2，轉(zhuǎn)子重量3．8 kg。
一開(kāi)始，空載起動(dòng)，在O．3 s后突加載6 N·m，仿真結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向下，在極短時(shí)間內(nèi)(O．05 s)轉(zhuǎn)速達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子x、y方向的徑向位移在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的微振后趨于穩(wěn)定；在O 3 s突加載后，轉(zhuǎn)速在一段時(shí)間的微振后重新趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步說(shuō)明了系統(tǒng)良好的調(diào)速性能，轉(zhuǎn)子z、y方向的徑向位移在加載前后幾乎沒(méi)什么變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了此控制算法實(shí)現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力的完全解耦，懸浮性能較佳。
上述仿真結(jié)果表明，電機(jī)獲得了穩(wěn)定懸浮運(yùn)行，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，基本達(dá)到了預(yù)期效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提方案的可行性。
5結(jié)語(yǔ)
目前，對(duì)這一復(fù)雜、強(qiáng)耦合的元軸承異步電動(dòng)機(jī)廣泛采用的氣隙磁場(chǎng)控制算法復(fù)雜，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全動(dòng)態(tài)解耦�；诖耍疚奶岢隽嘶谵D(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制算法，懸浮控制所需的氣隙磁場(chǎng)由I-ω法適時(shí)辨識(shí)。仿真結(jié)果表明，電機(jī)獲得了良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，充分驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。
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