無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)分析及應(yīng)用研究

王雅璐

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

近年來，電力行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平在不斷提高，其中電機(jī)作為電力技術(shù)的重要代表，電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展速度也較快，功能也更為豐富。其中無(wú)軸承電機(jī)結(jié)合了磁懸浮軸承和電機(jī)的功能，具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)污染、無(wú)須潤(rùn)滑、免維護(hù)運(yùn)行、高耐久性、高速以及高精度的優(yōu)點(diǎn)。相較于磁懸浮軸承，無(wú)軸承電機(jī)降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度，無(wú)軸承電機(jī)在機(jī)床主軸、渦輪分子泵、飛輪儲(chǔ)能、人工心臟以及要求高潔凈度環(huán)境的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文系統(tǒng)分析了無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)，并介紹了具體的控制方法實(shí)現(xiàn)原理，在實(shí)際的無(wú)軸承電機(jī)生產(chǎn)制造過程中可以進(jìn)行應(yīng)用。

1 無(wú)軸承電機(jī)

1.1 無(wú)軸承電機(jī)概述

電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活中都具有重要的應(yīng)用，基本已經(jīng)滲透應(yīng)用到了社會(huì)中的多個(gè)不同行業(yè)，并提供了可靠的動(dòng)力來源。傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)備在實(shí)際使用過程中，可能會(huì)存在一定的不足之處，為了克服傳統(tǒng)電機(jī)在使用過程中的缺點(diǎn)，應(yīng)對(duì)電機(jī)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。隨著現(xiàn)代電機(jī)生產(chǎn)制造技術(shù)水平的提高，無(wú)軸承電機(jī)將會(huì)是今后電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中的重要發(fā)展趨勢(shì)，圖1為無(wú)軸承感應(yīng)電機(jī)的實(shí)物圖。無(wú)軸承永磁同步電機(jī)是具有無(wú)軸承特點(diǎn)的永磁同步電機(jī)，在具有上述無(wú)軸承電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、高效率、高功率密度和扭矩密度、高魯棒性以及適用于高速等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 無(wú)軸承感應(yīng)電機(jī)

1.2 無(wú)軸承電機(jī)中的控制技術(shù)

為了保障無(wú)軸承電機(jī)的安全可靠運(yùn)行，應(yīng)在無(wú)軸承電機(jī)的控制系統(tǒng)中采取先進(jìn)的軟件控制算法，提高無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能，更好地保證無(wú)軸承電機(jī)的使用安全。在無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)中，需要結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)、數(shù)學(xué)建模技術(shù)、數(shù)學(xué)優(yōu)化算法、軟件系統(tǒng)仿真技術(shù)等，對(duì)無(wú)軸承電機(jī)在后期運(yùn)行在可能會(huì)遇到的問題進(jìn)行仿真分析，達(dá)到提高無(wú)軸承電機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。通過軟件仿真技術(shù)，可以在軟件系統(tǒng)中觀測(cè)到無(wú)軸承電機(jī)中的各個(gè)運(yùn)行變量曲線，并和所預(yù)期的曲線進(jìn)行比對(duì)，觀測(cè)無(wú)軸承電機(jī)控制模型中的參數(shù)是否需要進(jìn)行調(diào)整、控制算法是否需要改變等。經(jīng)過對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行不斷的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到優(yōu)化無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)的目的。

2 無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)分析

2.1 無(wú)軸承電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的必要性

在無(wú)軸承電機(jī)中，采用控制技術(shù)具有較強(qiáng)的必要性，是保證無(wú)軸承電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵措施。無(wú)軸承永磁同步電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，解耦控制是實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承永磁同步電機(jī)穩(wěn)定工作的難點(diǎn)。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制可以實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力之間的解耦控制。但是，理論分析證明，在徑向位移x，y之間也存在較強(qiáng)的非線性耦合問題，這會(huì)影響轉(zhuǎn)子懸浮的穩(wěn)態(tài)誤差與響應(yīng)速度等靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能。由于電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的變化，轉(zhuǎn)子徑向偏心力的線性補(bǔ)償對(duì)于系統(tǒng)控制性能的提高有限，因此需要采用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子徑向偏心力精確補(bǔ)償?shù)目刂品椒?。并且可以解決無(wú)軸承永磁同步電機(jī)中存在的α，β方向上位移之間非線性耦合的問題，提高無(wú)軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等。

2.2 無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制原理

在分析和設(shè)計(jì)無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)前，需要把握好無(wú)軸承電機(jī)中具體的徑向力控制原理，根據(jù)控制原理設(shè)計(jì)電機(jī)中的硬件結(jié)構(gòu)。在無(wú)軸承電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈與轉(zhuǎn)子角位置觀測(cè)器包括轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈觀測(cè)器和轉(zhuǎn)子角位置觀測(cè)器。轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈觀測(cè)器通過采集的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)定子繞組相電流和相電壓，使用電壓-電流磁鏈辨識(shí)法得到所需的磁鏈值。轉(zhuǎn)子角位置觀測(cè)器為基于鎖相環(huán)的滑模觀測(cè)器，通過采集的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)定子繞組相電流和相電壓，使用滑模觀測(cè)算法得到擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)值和經(jīng)過鎖相環(huán)系統(tǒng)提取轉(zhuǎn)子的位置信息。

2.3 無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制步驟

在無(wú)軸承永磁同步電機(jī)徑向力精確補(bǔ)償解耦控制方法中，包含如下步驟：步驟一是徑向位移傳感器提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)x，y與參考位置比較得到位置誤差信號(hào)ex，ey。步驟二是位置控制器對(duì)位置誤差信號(hào)ex,ey進(jìn)行放大，得到徑向力。步驟三是徑向位移傳感器提供的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)x，y以及轉(zhuǎn)子角位置觀測(cè)信號(hào)θ作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到轉(zhuǎn)子偏心補(bǔ)償力fsx，fsy。步驟四是對(duì)步驟二中的徑向力fα和fβ和步驟三中的偏心補(bǔ)償力fsx，fsy疊加得到參考徑向力經(jīng)過力/電流轉(zhuǎn)換輸出參考電流轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈觀測(cè)器為力/電流轉(zhuǎn)換提供其計(jì)算所必須的轉(zhuǎn)矩繞組磁鏈信息。步驟五是參考電流經(jīng)過電流PI控制器輸出電壓信號(hào)作為電壓型逆變器的輸入，產(chǎn)生懸浮繞組所需的驅(qū)動(dòng)電流。

3 無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

本文所分析的無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要的優(yōu)勢(shì)包括以下幾點(diǎn)：（1）使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以以任意精度近似任意連續(xù)系統(tǒng)的能力，對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心力進(jìn)行精確補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在α，β方向上位移之間的非線性解耦，提高了無(wú)軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮的控制精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等性能。（2）無(wú)軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮子系統(tǒng)的控制基于αβ靜止坐標(biāo)系，避免了dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和αβ靜止坐標(biāo)系之間復(fù)雜的坐標(biāo)變換，減少了運(yùn)算量的同時(shí)簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（3）使用獨(dú)立的扭矩繞組磁鏈和轉(zhuǎn)子角位置觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組之間的獨(dú)立控制，使轉(zhuǎn)矩繞組控制策略的選擇具有更多的自由性。

3.2 無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)把握相關(guān)的技術(shù)要點(diǎn)，提高無(wú)軸承電機(jī)徑向力的控制效率。無(wú)軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子在α，β方向上的位移之間存在較強(qiáng)的非線性耦合，如果在控制中不進(jìn)行偏心力的補(bǔ)償解耦，會(huì)降低系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制性能。傳統(tǒng)線性偏心力補(bǔ)償?shù)姆绞胶雎粤藊，y位移之間耦合的非線性以及電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的變化，因此對(duì)懸浮子系統(tǒng)控制性能的提高有限。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度近似任意連續(xù)系統(tǒng)，通過樣本離線訓(xùn)練得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以對(duì)x，y位移之間非線性耦合進(jìn)行精確的在線識(shí)別，進(jìn)而通過對(duì)轉(zhuǎn)子偏心力進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)x，y位移之間的非線性解耦，提高轉(zhuǎn)子懸浮系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)速度。

3.3 無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)

在無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要包括無(wú)軸承電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，在無(wú)軸承電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)把握好具體的電機(jī)參數(shù)，如電機(jī)的尺寸大小、電機(jī)中氣隙的長(zhǎng)度等，這些都將會(huì)對(duì)無(wú)軸承電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生直接的影響。

在目前的無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)體系中，還存在著較大的技術(shù)提升空間，可以采取更好的控制算法。隨著用戶對(duì)無(wú)軸承電機(jī)控制性能要求的提高，今后在無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)方面，將會(huì)采用效果更好的控制技術(shù)，以使無(wú)軸承電機(jī)能夠更好地服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，很多先進(jìn)的控制技術(shù)都已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際電機(jī)裝置的生產(chǎn)過程中。本文所分析的無(wú)軸承電機(jī)徑向力控制技術(shù)，可以為無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。