基于I-ω法磁场辨识的无轴承异步电动机矢量控制
高剑，黄守道，蔡国洋
(湖南大学，湖南长沙410082)
摘要：集旋转与悬浮于一体的无轴承异步电动机是一个非常复杂的非线性系统，电磁转矩与径向悬浮力的非线性解耦是实现电机稳定悬浮运行的基础。气隙磁场定同控制算法复杂，且没有实现两者的动态解耦。提出了基于转矩绕组转子磁场定向控制算法，径向悬浮控制所需的气隙磁场通过，I-ω实时辨识。仿真结果表明，电磁转矩与径向悬浮力实现完全解耦，验证了所提方案的有效性。
关键词：无轴承异步电动机；磁场辨识；转子磁场定向
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号： 004一7018(2010)04—0056—03
O引 言
无轴承电机是集旋转与悬浮于一体的新型电机，利用磁轴承结构和交流电机定子结构的相似性，把转矩绕组和悬浮控制绕组共同绕制在电机的定子上，这样就可以省去径向轴承，使电机的轴向空间大幅度减少。与一般电机相比，无轴承电机是一个更复杂的多变量、强耦合、非线性系统。
无轴承电机悬浮力是两绕组磁场相互作用的结果，电磁转矩与径向悬浮力之间存在耦合，两者的相互解耦是实现电机稳定悬浮运行的基础。文献[4～5]分别叙述了基于气隙磁场定向的无轴承异步电动机的解耦控制，气隙磁场定向控制算法复杂，且没有实现两者的完全解耦。文献[6]虽然提出了基于转子磁场定向的无轴承异步电动机控制，但其悬浮控制所需的转矩绕组气隙磁场通过定向后的转子磁链和定子电流在线辨识，没有实现两者的完全解耦。
基于此，本文提出了基于转矩绕组转子磁场定向控制算法。为了实现电磁转矩与径向悬浮力的完全解耦，根据文献[7]描述的普通异步电机转子磁链的间接观测方法，依据转子磁场定向控制的特点，将气隙磁场辨识的I-ω法(定子电流和电机旋转角速度)应用于无轴承异步电动机转子磁场定向控制。仿真结果表明：电磁转矩与径向悬浮力实现完全解耦，系统具有良好的动、静态性能。
1基本原理与数学模型
1．1基本原理
如图1所示，无轴承异步电动机的定子上有两套绕组，4极转矩绕组(用N4表示)和2极悬浮控制绕组(用Nx、Ny，表示)，如果北和M绕组没有电流通过，转  矩绕组产生的4极磁场均匀对称，图中区域1和区域2处的气隙磁通密度相等，转轴上无悬浮力产生。当札绕组上通入如图l所示方向的电流时，绕组产生的2极磁场与原有的4极磁场叠加，使得区域1气隙磁密增加，区域2气隙磁密减少，不平衡的气隙磁通密度使电机转轴上产生出沿Y轴正方向的磁拉力。相反，如果在Ny绕组上通人反方向电流，合成的气隙磁场将产生沿y轴负方向的磁拉力。同理，如果在Nx绕组通入电流就可以产生沿置轴方 向的磁拉力。因此，通过控制Nx和Ny绕组的电流就可以控制磁悬浮力的大小和方向，使电机获得稳定悬浮运行。无轴承异步电动机电磁转矩的产生与普通异步电机相同。
1．2数学模型
无轴承异步电动机数学模型在静止坐标系下的方程如下。
式中：下标1、2分别表示转矩绕组和悬浮控制绕组的量；下标s、m、r分别表示定子、气隙和转子的量；
下标α、β分别表示静止坐标系下α轴和β轴的量；下标z、y分别表示径向水平和垂直方向的分量；文中其它处的量的下标均照此原则。ωr为转子机械角速度；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；J为转动惯量；p为微分算子，p=d/dt；z为电机有效铁心长度；r为转子外径；W1、W2分别为转矩绕组和悬浮控制绕组每相匝数；  μ0为真空中的磁导率，  由式(2)可知，径向悬浮力是由定子上转矩绕组和悬浮绕组产生的旋转磁场相互调制产生的。假设悬浮控制绕组产生的磁场只起悬浮作用，即在转子上不感应电流，则径向悬浮力只与气隙磁场和悬浮控制绕组电流有关，为了使径向悬浮力可控，则需分别控制气隙磁场和悬浮控制绕组电流。对气隙磁场的控制有两种方式：一种是采用气隙磁场定向的方法，即旋转坐标d轴方向与气隙磁场重合，则径向悬浮力只与悬浮控制绕组电流有关，而电磁转矩只 与转矩绕组电流有关，该方法智能实现电磁转矩与径向悬浮力的静态解耦，而没有实现两者的完全动态解耦，动态悬浮性能较差；另一种是通过在线辨识，及时获取气隙磁链的幅值和相位，则电机的控制方法更具灵活性。
2 I—ω法气隙磁场辨识
无轴承异步电动机的旋转数学模型与普通异步电机无异。现将描述普通异步电机数学模型方程改写如下。
图中，k1=0.388,k2=0.00048,k3=0.023是坐标变换系数和与电机参数相关的系数。
3 控制系统
普通笼型异步电机在转子磁场定向旋转坐标系d、q下的基本方程如下。
由间接型转子磁链观测式(10)可知，转子磁链观测只需两个参数：电机定子电流和转子旋转角速度，与I-ω法所需参数完全吻合，系统成本****，且此方法精度较高。
将气隙磁场辨识的，I-ω法应用于无轴承电机转子磁场定向控制，转矩绕组采用转子磁场定向控制，悬浮控制所需的转矩绕组气隙磁场通过，I-ω法适时辨识，其原理如图3所示。
4仿真结果与分析
为了验证本文所提方法的有效性，以一样机为例对所提出的矢量控制方法进行仿真。电机参数：额定电压380 v，额定转速1 400r／min；转矩绕组：极对数为2，定子电阻13．83Ω，定子自感0 36 H，转子电阻15.56 Ω，转子自感O．36 H，定转子间互感0．338 H；悬浮控制绕组：极对数为1，定子电阻3，23Ω，定子电感O．13 H；转动惯量O 008 kg·m2，转子重量3．8 kg。
一开始，空载起动，在O．3 s后突加载6 N·m，仿真结果如图4所示。
由图4可知，在转子磁场定向下，在极短时间内(O．05 s)转速达到了额定转速，转子x、y方向的径向位移在经过一段时间的微振后趋于稳定；在O 3 s突加载后，转速在一段时间的微振后重新趋于稳定，进一步说明了系统良好的调速性能，转子z、y方向的径向位移在加载前后几乎没什么变化，进一步验证了此控制算法实现了电磁转矩与径向悬浮力的完全解耦，悬浮性能较佳。
上述仿真结果表明，电机获得了稳定悬浮运行，系统具有良好的动、静态性能，基本达到了预期效果，进一步验证了本文所提方案的可行性。
5结语
目前，对这一复杂、强耦合的元轴承异步电动机广泛采用的气隙磁场控制算法复杂，没有实现完全动态解耦。基于此，本文提出了基于转矩绕组转子磁场定向控制算法，悬浮控制所需的气隙磁场由I-ω法适时辨识。仿真结果表明，电机获得了良好的动、静态性能，充分验证了控制系统的有效性。
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