基于i-ω法磁場辨識的無軸承異步電動機(jī)矢量控制
高劍，黃守道，蔡國洋
(湖南大學(xué)，湖南長沙410082)
摘要：集旋轉(zhuǎn)與懸浮于一體的無軸承異步電動機(jī)是一個非常復(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)。氣隙磁場定同控制算法復(fù)雜，且沒有實(shí)現(xiàn)兩者的動態(tài)解耦。提出了基于轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子磁場定向控制算法，徑向懸浮控制所需的氣隙磁場通過，i-ω實(shí)時(shí)辨識。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：無軸承異步電動機(jī)；磁場辨識；轉(zhuǎn)子磁場定向
中圖分類號：tm343 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號： 004一7018(2010)04—0056—03
o引 言
無軸承電機(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，無軸承電機(jī)是一個更復(fù)雜的多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)。
無軸承電機(jī)懸浮力是兩繞組磁場相互作用的結(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定向的無軸承異步電動機(jī)的解耦控制，氣隙磁場定向控制算法復(fù)雜，且沒有實(shí)現(xiàn)兩者的完全解耦。文獻(xiàn)[6]雖然提出了基于轉(zhuǎn)子磁場定向的無軸承異步電動機(jī)控制，但其懸浮控制所需的轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁場通過定向后的轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流在線辨識，沒有實(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)子磁鏈的間接觀測方法，依據(jù)轉(zhuǎn)子磁場定向控制的特點(diǎn)，將氣隙磁場辨識的i-ω法(定子電流和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度)應(yīng)用于無軸承異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制。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、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，無軸承異步電動機(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繞組沒有電流通過，轉(zhuǎn)  矩繞組產(chǎn)生的4極磁場均勻?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極磁場與原有的4極磁場疊加，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。無軸承異步電動機(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
無軸承異步電動機(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)動慣量；p為微分算子，p=d/dt；z為電機(jī)有效鐵心長度；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)磁場相互調(diào)制產(chǎn)生的。假設(shè)懸浮控制繞組產(chǎn)生的磁場只起懸浮作用，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和懸浮控制繞組電流。對氣隙磁場的控制有兩種方式：一種是采用氣隙磁場定向的方法，即旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸方向與氣隙磁場重合，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 |
