基于MRAS的无轴承同步磁阻电机无位移传感器控制.doc

基于MRAS的无轴承同步磁阻电机无位移传感器控制 第卷年第期月?.?基于的无轴承同步磁阻电机无位移传感器控制张汉年?段向军?张涛?鲍安平(?南京信息职业技术学院中认新能源技术学院?南京?淮阴工学院自动化学院?江苏淮安)摘要:无轴承同步磁阻电机的悬浮运行需要实时检测转子径向位移?通常在电机内部安装机械位移传感器?该方法存在安装调试复杂、电机体积增大、系统可靠性降低、成本增加等问题?针对上述问题?将模型参考自适应转子位移估计方法应用到电机无位移传感器控制中?基于无轴承同步磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组电流状态方程?建立了电机电流参考模型和可调模型?选取合适的自适应律对两个模型的输出误差进行调节?辨识出电机转子径向位移?研究结果表明?模型参考自适应法能有效跟踪电机转子位移变化?估算精度较高?系统动、静态性能良好?关键词:无轴承同步磁阻电机?模型参考自适应?无位移传感器控制:文献标志码:()?(?):()?.?.?().?.?.?.:()?()?:基金项目:江苏省“人才培养工程”项目()?江苏省高校自然科学研究面上项目()?江苏省“六大人才高峰”资助项目()?江苏省高校“青蓝工程”资助项目()?作者简介:张汉年()?男?副教授?研究方向为电机控制与电力电子技术?段向军()?男?博士研究生?副教授?研究方向为无轴承电机智能控制技术?张涛()?男?博士?副教授?研究方向为无轴承电机及其控制技术?鲍安平()?男?副教授?研究方向为电力电子控制技术?引言无轴承同步磁阻电机是一种集成转子悬浮支撑与旋转功能于一体的新型特种磁悬浮电机?它将产生转子悬浮力的悬浮绕组叠放于普通同步磁阻电机电枢铁心中?通过悬浮绕组和转矩绕组电流形成两种不同极对数的旋转磁场?两种磁场相互作用实现转子的高速旋转和稳定悬浮?同其他类型的无轴承交流电机相比?具有凸级转子的无轴承同步磁阻电机以免润滑、控制简单、转子坚固可靠、转速高期张汉年等:基于的无轴承同步磁阻电机无位移传感器控制等优点?在飞轮储能发电、高速精密机床电力驱动、高洁净生物医学工程等领域具有较大的工程应用前景?为满足无轴承同步磁阻电机高速、高精度悬浮控制的需要?必须对转子径向位置进行闭环控制?通常是在电机内部安装机械式电涡流位移传感器进行转子位移的精确检测?但安装机械位移传感会使电机轴向长度变长、破坏电机固有的机械结构、增大位移信号检测系统的安装和调试难度、影响系统的廉价性?将进一步制约无轴承同步磁阻电机的推广应用?成本低、可靠性高的无位移传感器技术成为当前无轴承同步磁阻电机领域的研究重点?目前已经提出了多种无位移传感器控制策略?文献是基于电机电感参数和精确数学模型?提出了无轴承同步磁阻电机的无位移传感自检测技术?但该方案对参数变化较为敏感?转子位移估算误差较大?文献提出在无轴承同步磁阻电机悬浮绕组和转矩绕组注入高频脉动信号?以提取转子位移信息?但额外注入的高频信号会带来电磁转矩脉动增强、转子悬浮控制精度降低等问题?基于模型参考自适应系统()的电机无传感器控制是将实际运行的控制模型作为参考模型?并以此建立可调模型?再设计一个自适应机构去调整参考模型和可调模型的输出误差为零?得到待辨识量?模型参考自适应法目前在交流电机无速度传感器控制和电机参数辨识等领域获得广泛应用?但尚未发现其用于无轴承同步磁阻电机的无位移传感器控制?本文提出了基于模型参考自适应的无轴承同步磁阻电机转子位移估计方法?仿真和实验结果证实了该方案的有效性?模型参考自适应转子位移估计系统?转子位移估计原理无轴承同步磁阻电机在两相同步旋转、坐标系中的磁链方程为?()式中?、分别为转矩绕组磁链、轴分量?、分别为悬浮绕组磁链、分量?、分别为转矩绕组电感、轴分量?、分别为悬浮绕组电感、轴分量?、分别为两轴方向转子径向位移?、分别为悬浮力/电流常数、轴分量?、分别为转矩绕组电流、轴分量?、分别为悬浮绕组电流、轴分量?无轴承同步磁阻电机在、坐标下定子绕组的电压方程可表示为?()式中?、分别为转矩绕组电压、轴分量?、分别为悬浮绕组电压、轴分量?/为微分算子?、分别为转矩绕组和悬浮绕组每相电阻?为转子角速度?将式()代入式()?并忽略、的二次项?可得无轴承同步磁阻电机定子电流数学模型为()式中?由式()可看出电机电流模型与转子位移有关?可将其作为电机定子电流参考模型?依据式()?进一步设计电机定子电流观测器的并联可调模型为()()式中?、分别为电机并联可调模型输出的转矩绕组电流估计值、轴分量?卷、分别为悬浮绕组电流估计值、轴分量?为增益矩阵?、中、分别为转子径向位移的估计值?定义状态变量误差?依据式()、式()?经推导可得?()()式中?、?、?分别为、的微分?、?定义、?可得?根据超稳定性理论?选取(比例积分)自适应律?可得电机转子径向位移估计值、的表达式为()()()()?()式中?、分别为转子轴方向调节器比例、积分系数?、分别为转子轴方向调节器比例、积分系数?为拉普拉斯算子?图为转子位移估计原理图?、分别为电机转矩绕组三相检测电压?、分别为悬浮绕组三相检测电压?上述电压经坐标变换后作为电机参考模型、可调模型和自适应律的输入?电机参考模型和可调模型输出的电流误差送入自适应模块后?再经坐标变换得到静止坐标下?期张汉年等:基于的无轴承同步磁阻电机无位移传感器控制的位移估计值、?图转子位移估计系统?基于的无位移传感器控制系统无轴承同步磁阻电机转矩子系统与普通同步磁阻电机控制策略相同?此处采用恒定控制(常数?但不为零)?在、坐标下?电磁转矩的表达式为()()式中?为转矩绕组极对数?、静止坐标下电机悬浮力/电流调制模块的数学模型?()式中?、分别为悬浮力、轴分量?、分别为悬浮绕组电流、轴分量?为电机转子位置角?包含转矩子系统、悬浮子系统和转子位移估计系统的电机无位移传感器控制系统如图所示?转子位移估计系统通过检测电机两套绕组的三相电压?辨识出转子位移估计值?转子位移参考值和估计值之间的偏差送入悬浮子系统?依次通过调节器、悬浮力/电流调制模块、调节器、坐标变换?生成悬浮绕组三相电压参考值?、?、?逆变器向电机悬浮绕组输出三相电压?实现转子闭环悬浮运行?图电机无位移传感器控制系统结构仿真实验分析?仿真研究为验证模型参考自适应无位移传感器控制方法的有效性?基于图系统结构建立了仿真模型?进行了仿真研究?电机主要参数如表所示?仿真结果如图图所示?表电机参数参数参数值转矩绕组极对数转矩绕组轴电感/?转矩绕组轴电感/?转矩绕组每相电阻/?转子质量/转子转动质量/?轴力/电流常数/转子极弧角度悬浮绕组极对数悬浮绕组轴电感/?悬浮绕组轴电感/?悬浮绕组每相电阻/?气隙长度/?额定功率/轴力/电流常数/(/)图、图分别为电机转矩和转速仿真曲线?图为电机空载起动?时突加负载?图为转速初始值设置为/?突变为/?由图可知?电机转矩和转速稳态误差小?动、静态调节性能良好?图转矩仿真曲线图转速仿真曲线图、图分别为、轴转子位移在有传感器检测和位移估计法(无位移传感器)条件下的对比图?此时电机转矩和转速仍按上述给定条件?图中轴初始位移设定为?由对比曲线可以看出?相比有位移传感器?估计法轴位移偏差增大、响应速度稍慢?但转子位?卷移脉动范围未超过电机限位轴承气隙?转子最终能趋于位置?图轴位移仿真曲线图中轴初始位移设定为?由对比曲线可看出?采用估计法比有位移传感器时转子位移振动幅度要大?但没有超出限位轴承气隙长度?经过一段时间的波动后转子最终能收敛于位置?结合图图可以看出?电机转矩和转速突变过程中?转子径向位移并未受到影响?能实现稳定悬浮运行?表明模型参考自适应无位移传感器系统具有良好的抗干扰能力?图轴位移仿真曲线?实验结果图为电机在转速/稳态运行时、轴转子位移曲线?可以看出?位移估计法与有位移传感器相比?转子径向位移总的跳动幅度稍大?但法转子位移波动的最大范围不超过?远小于电机机械辅助限位轴承气隙?转子能够实现平稳悬浮?进一步表明本文所提方法的可行性?图转子估计位移和实际检测位移对比曲线结语基于的无轴承同步磁阻电机无位移传感器控制方法克服了机械位移传感器带来的不利影响?是实现低成本、高可靠性无轴承同步磁阻电机悬浮运行的有效途径?本文对无轴承同步磁阻电机转子位移估计方法进行了研究?分析了转子位移辨识原理?建立电机定子电流的参考模型和可调模型?设计出电机无位移传感器整体控制系统?为验证方法的可行性?进行了系统的仿真和实验研究?结果表明模型参考自适应法能够实现转子位移的实时跟踪和准确估计?电机悬浮性能良好?系统具有较好的抗干扰能力?参考文献仇志坚?邓智泉?章跃进.交替极永磁无轴承电机的直接悬浮力控制.电工技术学报?():.张汉年?孙刚?刘合祥.基于改进电压模型的无轴承同步磁阻电机转子位移估