Siemens 6RA8261-2EA00根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，無(wú)軸承電機(jī)可分為感應(yīng)型、永磁型、磁阻型三種。為達(dá)到轉(zhuǎn)矩與懸浮力的解耦，感應(yīng)型無(wú)軸承電機(jī)采用氣隙磁場(chǎng)定向的控制方式，永磁型無(wú)軸承電機(jī)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式|3，磁阻型無(wú)軸承電機(jī)采用定子磁場(chǎng)定向方式W.這些高性能控制方法都需檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，獲得磁場(chǎng)定向所需磁通的精確空間位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力解耦控制，確保轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)子的空間位置和速度都是采用機(jī)械式傳感器來(lái)檢測(cè)，因而有安裝、連接、可靠性等問題。對(duì)于無(wú)軸承電機(jī)而言，使用機(jī)械式位置/速度傳感器有著更大的局限性，因?yàn)閭鞲衅鞅旧碓跈C(jī)械上難以或無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速、超高速化，從而會(huì)嚴(yán)重限制無(wú)軸承電機(jī)固有的優(yōu)良高速性能的發(fā)揮。
研究無(wú)軸承電機(jī)的無(wú)傳感器運(yùn)行已成為無(wú)軸承電機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需要，但目前尚未有涉及這個(gè)研究命題。對(duì)于無(wú)軸承電機(jī)來(lái)說還可以有無(wú)徑向位移傳感器運(yùn)行，但從影響高速化和全面體現(xiàn)無(wú)軸承電機(jī)特性來(lái)說，研究無(wú)位置/速度傳感器運(yùn)行更具實(shí)際意義。
Siemens 6RA8261-2EA00 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)院交流傳動(dòng)中無(wú)傳感器運(yùn)行是指利用電機(jī)繞組機(jī)，在靜止a-0坐標(biāo)系中電機(jī)定子的轉(zhuǎn)矩繞組電中的有關(guān)電量信息，通過適當(dāng)?shù)奶幚砉浪愠鲛D(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械位置/速度傳感器的高性能控制。目前已有很多論文提出了各種轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)方法，其中大多數(shù)都是通過檢測(cè)基波反電勢(shì)來(lái)獲得轉(zhuǎn)子的位置信息M.這類方法雖然簡(jiǎn)單，但在零速或低速時(shí)會(huì)因反電勢(shì)過小或根本無(wú)法檢測(cè)致使低速適應(yīng)性差。另外，由于要利用基波電壓和電流信號(hào)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置fB速度，因此對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化很敏感，魯棒性差。無(wú)軸承電機(jī)從靜止到起浮、從低速到高速轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮是電機(jī)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的根本保證，這都極大程度地受到速度和位置在全速度范圍檢測(cè)精度的影響，所以基于基波信息的位置檢測(cè)方法難以滿足無(wú)軸承電機(jī)的控制需要。
為了在包括零速在內(nèi)任何速度下都能夠獲得精確的轉(zhuǎn)子位置信息，一些提出了轉(zhuǎn)子空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)新方法。這種方法要求電機(jī)具有一定程度的凸極性，需要施加持續(xù)高頻激勵(lì)，但可以實(shí)現(xiàn)包括零速在內(nèi)的全速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的有效檢測(cè)。此外這種方法追蹤的是電機(jī)轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng)，因而對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化不敏感，魯棒性好。由于無(wú)軸承電機(jī)一般都須專門設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子的凸極性正好可以通過電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)保證，這實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)了傳感器與電機(jī)的集成。所以移植這種轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法應(yīng)用于無(wú)軸承電機(jī)控制中具有現(xiàn)實(shí)的可行性和重要的工程實(shí)際意義。
本文首先介紹采用高頻電壓載波注入方法對(duì)內(nèi)插式永磁型無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子空間凸極實(shí)現(xiàn)跟蹤的原理，討論轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)的方法，建立了內(nèi)插式永磁型無(wú)軸承電機(jī)無(wú)傳感器運(yùn)行控制模型，利用Matlab進(jìn)行轉(zhuǎn)子空間凸極效應(yīng)自檢測(cè)的驗(yàn)證和無(wú)傳感器運(yùn)行仿真，給出了轉(zhuǎn)子懸浮運(yùn)行時(shí)動(dòng)、靜態(tài)性能，驗(yàn)證本文所提出方法的正確性和可行性。
對(duì)稱，即，軸電感大小不等，這就為通過注入高頻載波信號(hào)來(lái)跟蹤轉(zhuǎn)子凸極提供可能。利用凸極效應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的跟蹤時(shí)需要分析高頻電壓激勵(lì)下電機(jī)的電流響應(yīng)，為此需建立高頻電壓激勵(lì)下永磁型無(wú)軸承電機(jī)數(shù)學(xué)模型。
?。?）高頻激勵(lì)下永磁型無(wú)軸承電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁型無(wú)軸承電機(jī)本質(zhì)上是一臺(tái)永磁同步電壓方程和磁鏈方程可表示為/1分別為轉(zhuǎn)矩繞組的電壓、電流、磁鏈，下標(biāo)or、y表示坐標(biāo)系中分量；為轉(zhuǎn)矩繞組電阻；4表示永磁體在轉(zhuǎn)矩繞組中所生磁鏈的轉(zhuǎn)子d軸上分量；1=為平均電感，=為半差電感，b為轉(zhuǎn)子同步速坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)矩繞組自感兩分量；為a軸與d軸間的電角度，即轉(zhuǎn)子的空間位置角；D=d/d“在電壓源逆變器供電的情況下，可通過逆變器將高頻電壓信號(hào)直接迭加在無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的基波電壓激勵(lì)上。設(shè)高頻電壓信號(hào)的角頻率為叫，幅值為1，則在靜止a-0坐標(biāo)系中注入高頻電壓信號(hào)可表示為定子轉(zhuǎn)矩繞組輸入總電壓則可表示為注入高頻電壓信號(hào)的頻率一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)行的基波頻率，對(duì)于高頻信號(hào)激勵(lì)電機(jī)呈現(xiàn)為近似純感抗，式（1）、（2）的電機(jī)模型可以簡(jiǎn)化為根據(jù)式⑶、（5）可求得高頻電壓激勵(lì)下電機(jī)的電流響應(yīng)為分析式（6）可以看出，只有負(fù)相序電流分量包含有轉(zhuǎn)年珩等：永磁型無(wú)軸承電機(jī)的無(wú)傳感器運(yùn)行研究，ju）k2IRN2N4子的位置信息但必須用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)將它提取出來(lái)以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。
?。?）基于空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法為了提取高頻電流響應(yīng)信號(hào)負(fù)相序分量相角中所包含的轉(zhuǎn)子位置信息，必須濾除基波電流、載波頻率電流和高頻響應(yīng)電流中的正序分量。高頻注入信號(hào)頻率遠(yuǎn)比基波頻率高，載波頻率又遠(yuǎn)比高頻注入信號(hào)頻率高，故基波頻率和載波頻率信號(hào)都可通過常規(guī)的帶通濾波器（BPF）予以濾除。高頻響應(yīng)電流正相序分量與負(fù)相序分量的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此可以先將高頻響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換到與高頻注入電壓同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，使高頻響應(yīng)電流的正相序分量呈現(xiàn)成直流，利用高通濾波器將其濾除，從而最終得到高頻響應(yīng)電流信號(hào)的負(fù)相序分量。高頻電流信號(hào)濾波流程框圖如所示。
高頻響應(yīng)電流濾波流程濾除無(wú)關(guān)信號(hào)后，被跟蹤的信號(hào)將是一個(gè)相位由轉(zhuǎn)子或磁通角調(diào)制的旋轉(zhuǎn)電流矢量，可利用所示轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)其空間位置的檢測(cè)。跟蹤觀測(cè)器用外差法解調(diào)出空間凸極調(diào)制的負(fù)序高頻電流。通過簡(jiǎn)單的信號(hào)分析可得到如下矢量角誤差表達(dá)這樣，通過調(diào)節(jié)使矢量角誤差趨于零，就可使轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)值式收斂于真實(shí)值氏。取式對(duì)時(shí)間的微分，就能獲得轉(zhuǎn)子角速度處。
3永磁型無(wú)軸承電機(jī)控制模型永磁型無(wú)軸承電機(jī)的控制分為電磁轉(zhuǎn)矩控制和懸浮力控制兩部分，其中轉(zhuǎn)矩控制采用通常G=0的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方式；懸浮力控制則是通過轉(zhuǎn)子徑向位移偏移量檢測(cè)算出懸浮力，再生成懸浮繞組的輸入電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，所以獲得準(zhǔn)確、可用于實(shí)時(shí)計(jì)算的懸浮力表達(dá)式是對(duì)懸浮繞組控制的關(guān)鍵。
同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中永磁型無(wú)軸承電機(jī)懸浮力可表示為廣於」
在懸浮力控制中，可以通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子位移的偏移誤差來(lái)生成懸浮力值/巧，再按下式計(jì)算出懸浮繞組電流的值~h從式（10）中可以看出，對(duì)于一臺(tái)內(nèi)插式永磁型軸承電機(jī)，A、A、為常數(shù)，在獲得轉(zhuǎn)矩繞組電流Q后，懸浮繞組電流便可通過懸浮力信號(hào)求得，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)子徑向懸浮力的目的。
給出了包括轉(zhuǎn)矩控制、懸浮力控制和轉(zhuǎn)子位置及速度自檢測(cè)在內(nèi)的無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。由于采用的控制策略，有、<經(jīng)2少/3少轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩繞組三相電流信號(hào)4、心、/4、后，輸入到轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的中國(guó)電機(jī)工程學(xué)院解耦控制。在懸浮力控制中，檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子實(shí)際徑向位移與徑向位移相比較后，誤差信號(hào)通過PID調(diào)節(jié)獲得懸浮力值0，再通過式計(jì)算出懸浮繞組的電流<、G.這兩相電流信號(hào)經(jīng)2少/3少轉(zhuǎn)換成三相電流信號(hào)‘、、/二后，控制電機(jī)懸浮繞組電流以產(chǎn)生出期望的懸浮力，實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)下的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。
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