永磁型无轴承电机的无传感器运行研究

核心提示：　　无轴承电机是一种结构新颖的交流电机，其定子中嵌放有两套不同极对数的绕组一转矩绕组和悬浮绕组，通过控制两套绕组电流不仅产生出电磁转矩使转子旋转，还能产生磁悬浮力使转子悬浮，实现了电机非接触、无润滑和

　　无轴承电机是一种结构新颖的交流电机，其定子中嵌放有两套不同极对数的绕组一转矩绕组和悬浮绕组，通过控制两套绕组电流不仅产生出电磁转矩使转子旋转，还能产生磁悬浮力使转子悬浮，实现了电机非接触、无润滑和无机械摩擦旋转。

　　由于无轴承电机结构紧凑、功率密度高，能同时实现高转速和大功率，已成为高速电机驱动领域研究的热点。

　　根据转子结构的不同，无轴承电机可分为感应型、永磁型、磁阻型三种。为达到转矩与悬浮力的解耦，感应型无轴承电机采用气隙磁场定向的控制方式，永磁型无轴承电机采用转子磁场定向控制方式|3，磁阻型无轴承电机采用定子磁场定向方式W.这些高性能控制方法都需检测转子的位置和速度，获得磁场定向所需磁通的精确空间位置，实现转矩和悬浮力解耦控制，确保转子的稳定悬浮运行。传统上转子的空间位置和速度都是采用机械式传感器来检测，因而有安装、连接、可靠性等问题。对于无轴承电机而言，使用机械式位置/速度传感器有着更大的局限性，因为传感器本身在机械上难以或无法实现高速、超高速化，从而会严重限制无轴承电机固有的优良高速性能的发挥。

　　研究无轴承电机的无传感器运行已成为无轴承电机技术进一步发展的需要，但目前尚未有涉及这个研究命题。对于无轴承电机来说还可以有无径向位移传感器运行，但从影响高速化和全面体现无轴承电机特性来说，研究无位置/速度传感器运行更具实际意义。

　　中国电机工程学院交流传动中无传感器运行是指利用电机绕组机，在静止a-0坐标系中电机定子的转矩绕组电中的有关电量信息，通过适当的处理估算出转子的位置和转速，实现无机械位置/速度传感器的高性能控制。目前已有很多论文提出了各种转子位置和速度的检测方法，其中大多数都是通过检测基波反电势来获得转子的位置信息M.这类方法虽然简单，但在零速或低速时会因反电势过小或根本无法检测致使低速适应性差。另外，由于要利用基波电压和电流信号来计算转子位置fB速度，因此对电机参数的变化很敏感，鲁棒性差。无轴承电机从静止到起浮、从低速到高速转子的稳定悬浮是电机得以运转的根本保证，这都极大程度地受到速度和位置在全速度范围检测精度的影响，所以基于基波信息的位置检测方法难以满足无轴承电机的控制需要。

　　为了在包括零速在内任何速度下都能够获得精确的转子位置信息，一些提出了转子空间凸极跟踪的转子位置自检测新方法。这种方法要求电机具有一定程度的凸极性，需要施加持续高频激励，但可以实现包括零速在内的全速度范围内转子位置的有效检测。此外这种方法追踪的是电机转子的空间凸极效应，因而对电机参数的变化不敏感，鲁棒性好。由于无轴承电机一般都须专门设计，转子的凸极性正好可以通过电机设计来保证，这实际上是实现了传感器与电机的集成。所以移植这种转子位置自检测方法应用于无轴承电机控制中具有现实的可行性和重要的工程实际意义。

　　本文首先介绍采用高频电压载波注入方法对内插式永磁型无轴承电机转子空间凸极实现跟踪的原理，讨论转子位置自检测的方法，建立了内插式永磁型无轴承电机无传感器运行控制模型，利用Matlab进行转子空间凸极效应自检测的验证和无传感器运行仿真，给出了转子悬浮运行时动、静态性能，验证本文所提出方法的正确性和可行性。

　　对称，即，轴电感大小不等，这就为通过注入高频载波信号来跟踪转子凸极提供可能。利用凸极效应实现转子位置的跟踪时需要分析高频电压激励下电机的电流响应，为此需建立高频电压激励下永磁型无轴承电机数学模型。

　　（1）高频激励下永磁型无轴承电机的数学模型永磁型无轴承电机本质上是一台永磁同步电压方程和磁链方程可表示为/1分别为转矩绕组的电压、电流、磁链，下标or、y表示坐标系中分量；为转矩绕组电阻；4表示永磁体在转矩绕组中所生磁链的转子d轴上分量；1=为平均电感，=为半差电感，b为转子同步速坐标系中转矩绕组自感两分量；为a轴与d轴间的电角度，即转子的空间位置角；D=d/d“在电压源逆变器供电的情况下，可通过逆变器将高频电压信号直接迭加在无轴承电机转矩绕组的基波电压激励上。设高频电压信号的角频率为叫，幅值为1，则在静止a-0坐标系中注入高频电压信号可表示为定子转矩绕组输入总电压则可表示为注入高频电压信号的频率一般远远高于运行的基波频率，对于高频信号激励电机呈现为近似纯感抗，式（1）、（2）的电机模型可以简化为根据式⑶、（5）可求得高频电压激励下电机的电流响应为分析式（6）可以看出，只有负相序电流分量包含有转年珩等：永磁型无轴承电机的无传感器运行研究，ju）k2IRN2N4子的位置信息但必须用适当的信号处理技术将它提取出来以实现对转子位置的检测。

　　（2）基于空间凸极跟踪的转子位置自检测方法为了提取高频电流响应信号负相序分量相角中所包含的转子位置信息，必须滤除基波电流、载波频率电流和高频响应电流中的正序分量。高频注入信号频率远比基波频率高，载波频率又远比高频注入信号频率高，故基波频率和载波频率信号都可通过常规的带通滤波器（BPF）予以滤除。高频响应电流正相序分量与负相序分量的旋转方向相反，因此可以先将高频响应电流转换到与高频注入电压同步旋转的坐标系中，使高频响应电流的正相序分量呈现成直流，利用高通滤波器将其滤除，从而最终得到高频响应电流信号的负相序分量。高频电流信号滤波流程框图如所示。

　　高频响应电流滤波流程滤除无关信号后，被跟踪的信号将是一个相位由转子或磁通角调制的旋转电流矢量，可利用所示转子位置跟踪观测器来实现其空间位置的检测。跟踪观测器用外差法解调出空间凸极调制的负序高频电流。通过简单的信号分析可得到如下矢量角误差表达这样，通过调节使矢量角误差趋于零，就可使转子位置的估计值式收敛于真实值氏。取式对时间的微分，就能获得转子角速度处。

　　3永磁型无轴承电机控制模型永磁型无轴承电机的控制分为电磁转矩控制和悬浮力控制两部分，其中转矩控制采用通常G=0的转子磁场定向矢量控制方式；悬浮力控制则是通过转子径向位移偏移量检测算出悬浮力，再生成悬浮绕组的输入电流信号来实现控制，所以获得准确、可用于实时计算的悬浮力表达式是对悬浮绕组控制的关键。

　　同步速旋转坐标系中永磁型无轴承电机悬浮力可表示为广於」

　　在悬浮力控制中，可以通过检测转子位移的偏移误差来生成悬浮力值/巧，再按下式计算出悬浮绕组电流的值~h从式（10）中可以看出，对于一台内插式永磁型轴承电机，A、A、为常数，在获得转矩绕组电流Q后，悬浮绕组电流便可通过悬浮力信号求得，从而达到控制转子径向悬浮力的目的。

　　给出了包括转矩控制、悬浮力控制和转子位置及速度自检测在内的无轴承电机控制系统框图。由于采用的控制策略，有、<经2少/3少转换为转矩绕组三相电流信号4、心、/4、后，输入到转矩绕组实现对转矩的中国电机工程学院解耦控制。在悬浮力控制中，检测出的转子实际径向位移与径向位移相比较后，误差信号通过PID调节获得悬浮力值0，再通过式计算出悬浮绕组的电流<、G.这两相电流信号经2少/3少转换成三相电流信号‘、、/二后，控制电机悬浮绕组电流以产生出期望的悬浮力，实现各种状态下的稳定悬浮运行。

　　4永磁型无轴承电机无传感器运行研究在导出的空间凸极跟踪转子位置自检测方法和永磁型无轴承电机悬浮力解析表达后，可在控制系统基础上通过仿真来验证永磁型无轴承电机无传感器运行的可行性和正确性。仿真所用内插式永磁型无轴承电机参数参见附录。

　　高频响应电流矢量的空间运动轨迹。这是一个随转子空间凸极位置变化而旋转的椭圆，长轴为（ip+Z），短轴为（/p-/），长轴与a轴间的夹角即转子空间位置角怂。由于转子的连续转动，转子位置角为时间的函数，其增大方向与转子转动方向一致，表明了依赖转子位置的凸极的存在和该转子位置检测方法的有效性。

　　法在永磁型无轴承电机中应用的实用性，进行了高速和低速下有、无机械位置/速度传感器永磁型无轴承电机运行仿真对比。和分别表示了电机0-60r/min转/分和0-6000r/min的空载起动过程转速变化及转子0（垂直）方向位移变化曲线。静止时初始气隙偏心为Aa=Ay0=O.3mm.可以看出，有、无传感器运行方式特性基本无差异，说明基于空间凸极跟踪的转子位置自检测方法可以在低速和高速的全速范围内获得转子位置的正确观测，确保电机从静止到给定速度均能实现成功起动和稳定悬浮运行。为了进一步验证这种转子空间位置自检测方为考核无轴承电机无传感器运行控制系统的抗负载扰动能力，进行了额定转速下的突加额定负载的仿真，转矩、转速及P方向径向位移变化的动态响应如所示。仿真结果对比表明，基于空间凸极跟踪检测的位置估算方法在负载扰动的动态条件下也能有效地保证无轴承电机转子的稳定悬浮，获得和有机械位置传感器系统一样良好的静态和动态性能。但同时也要看出，由于动态过程中转子位置观测仍会出现估算偏差，对转子悬浮产生一定影响，故仍需深入研究空间凸极跟踪中转子位置年珩等：永磁型无轴承电机的无传感器运行研究bookmark6为解决机械式速度/位置传感器在无轴承电机中应用的局限性，本文提出了一种基于电机空间凸极跟踪的转子位置自检测方法。该方法采用高频电压信号注入技术，摆脱了传统基波信息检测、参数辨识等处理方式，因而能够在全速度范围内有效地检测转子的空间位置，实现电机的稳定悬浮运行。仿真结果表明，在凸极程度较高的内埋式永磁型无轴承电机中，应用这种转子位置自检测方法能获得较高的转子位置观测精度，确保无轴承电机实现电磁转矩和磁悬浮力的有效解耦，保障各种运行条件下的良好运行性能。这是一种将位置/速度传感器集成于电机内部的无传感器调速系统实现新思路，对于无轴承电机的实用化定将有深远意义。