无轴承无刷电机的直接悬浮力控制

无轴承无刷电机的直接悬浮力控制 无轴承电机的独立悬浮子系统可以实现电机的转矩，悬浮部分的独立控制，但是转子悬 浮控制依赖于电机转矩绕组气隙磁场定向控制的准确性。这里借鉴永磁同步机直接转矩控制 的思想，将直接转矩控制的理论与方法应用到无轴承无刷电机的悬浮力控制中，提出一种基 于空间矢量脉宽调制法的直接力控制方法。 1 直接力控制的基本原理和控制算法 1.1 直接力控制原理的提出前提 常用的无轴承电机悬浮力控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 大都是建立在转矩绕组磁场定向控制的基础上，通过 位移负反馈，调节悬浮力控制绕组的电流，得到转子 dq旋转坐标系上的分量电流从而控制 转子悬浮力。并采用电流跟踪型逆变器和正弦脉宽调制方法(SPWM)来实时跟踪悬浮控制绕 组的给定电流，从而控制电机内的悬浮磁场和悬浮力。但是悬浮力绕组磁场定向控制具有以 下局限性： (1) 传统的悬浮力控制是基于转矩控制的矢量定向控制，其悬浮效果不仅依赖于转矩绕 组的磁场定向控制的准确性，同时也受悬浮力绕组自身磁场定向控制准确性的约束。 (2) 传统的悬浮力控制是通过控制悬浮力控制绕组的电流来控制悬浮力磁场，从而间断 的控制所需悬浮力的大小和方向，这种方法是对悬浮力的开环控制，使得悬浮力控制的准确 性和快速性受到限制，存在着动态悬浮响应慢的缺点。 (3) 传统的悬浮力绕组矢量控制需要定转子的旋转坐标变换，控制算法复杂。 (4) 传统的悬浮力绕组矢量控制依赖于电机参数，通常悬浮位移控制精度受电机转子参 数的变化影响较大，特别是对感应型无轴承电机。而对永磁型无轴承电机来说，转子永磁体 在长时间重载运行后性能参数的变化对悬浮控制的影响也是不可忽略的。 (5) 传统的悬浮控制绕组控制采用电流跟踪型逆变器和正弦脉宽调制方法(SPWM)，直 流母线电压利用率不高，逆变器开关器件开关次数多，开关损耗较高。 1.2 直接转矩控制与直接悬浮力控制的比较 直接转矩控制摒弃了矢量控制中解耦的思想，在很大程度上克服了矢量控制计算复杂、 控制效果受转子参数影响较大等缺点，它的控制系统结构简单，转矩响应迅速，鲁棒性强， 控制性能优良，控制思路新颖，因而受到人们广泛的关注。 因此，很自然得联想到将转矩控制绕组的直接转矩控制思想应用到无轴承电机悬浮力 的直接控制上来。经过研究可以发现，无轴承无刷电机的转矩控制与悬浮力控制之间既有差 别，又有一定的相似性： (1) 电机内转矩产生的本质是切向力，主要由洛仑兹力产生；而悬浮力为径向力，主要 由麦克斯韦力产生。但两者均为电机内定转子磁场相互作用的结果，对切向力(转矩)的直接 控制方法同样也应该能控制径向力，对两者合力的控制构成电机内总的力控制。(进一步引 申下去就是单绕组控制) (2) 悬浮力控制绕组结构与转矩控制绕组相类似，只是极对数和匝数不一样。 (3) 悬浮力控制绕组与转矩控制绕组的控制对象不同，但是基本原理相一致的  q 2s  1q 1s 1m d  Afr    图 1 直接悬浮力控制磁链空间矢量图 图 1中dq坐标系是固定在转子上的旋转坐标系。θr为d轴与A相绕组轴线夹角，δ为定 子磁链Ψs1与转子磁链Ψf之间的夹角，λ为悬浮控制绕组磁链Ψs2与A相绕组轴线夹角，μ 为转矩控制绕组合成气隙磁链Ψm1与A相绕组轴线夹角。 对于无轴承无刷电机，可以写出它的悬浮力数学模型  1 2 cosm m sF k       1 2 sinm m sF k      相比较直接转矩控制，悬浮力可以看做一个幅值大小为kmΨm1Ψs2，以悬浮控制绕组磁 链Ψs2与转矩控制绕组合成气隙磁链Ψm1的夹角即λ－μ角度旋转的空间矢量。当转矩负载 恒定且稳态运行时，转矩控制绕组合成气隙磁链Ψm1的幅值及定、转子磁链夹角δ基本保持 恒定不变，则悬浮力的控制可以通过调节悬浮控制绕组磁链Ψ s2的幅值大小和相位λ来实 现。 因此，无轴承无刷电机直接悬浮力控制的基本思想就是：在保持转矩控制绕组合成气 隙磁链近似给定值的同时，通过适当选择逆变器的开关状态来控制悬浮控制绕组定子磁链空 间矢量的幅值与方向，就能控制无轴承永磁同步电机悬浮力的大小和方向。 从直接悬浮力控制的基本思想可以看出，直接悬浮力控制与直接转矩控制既有相似之 处，也具有其自身的一些特点。 （1）直接转矩控制必须保持定子磁链幅值恒定，通过快速控制定转子磁链的夹角来控 制转矩的迅速变化，而直接悬浮力控制要尽量保持恒定的是转矩控制绕组合成气隙磁链的幅 值。在此基础上若同时保持悬浮控制绕组定子磁链幅值恒定，则改变转矩控制绕组合成气隙 磁链与悬浮控制绕组磁链的夹角只能改变合成悬浮力的方向角，而不能改变悬浮力的大小。 因此，直接悬浮力控制不能通过保持悬浮控制绕组定子磁链幅值恒定，只是调节悬浮控制绕 组磁链空间矢量的方向角来控制悬浮力，必须同时控制悬浮控制绕组定子磁链的幅值和方 向。 （2）直接转矩控制所要控制的平均转矩在一般恒转矩负载调速运行时本身是个标量， 只有正负之分，而直接悬浮力控制所要控制的合成悬浮力在空间和时间上属于矢量。合成悬 浮力矢量在空间上的分布既与转子旋转时的位置有关，又与气隙内总磁场的空间分布有关。 （3）直接转矩控制一般控制转矩尽量与负载转矩保持平衡，以实现转速的稳态运行， 转矩负载的变化通过影响转差这一变量，利用控制器的调节作用反映出控制所需电磁转矩的 大小，而转差并不具有矢量性。与直接转矩控制相类似，直接悬浮力控制通过控制悬浮力矢 量的幅值和方向与外加力负载保持平衡，以实现转子位移保持在平衡位置。外部力负载的变 化通过影响转子位移这一变化的矢量，同样利用控制器的调节作用来反映出控制所需悬浮力 的大小及方向。 （4）直接转矩控制中的转矩大小在保持定子磁链幅值恒定时，只与定子磁链旋转位置 角的变化有关，而直接悬浮力控制中的悬浮力大小不仅与悬浮控制绕组定子磁链幅值大小有 关，还要受到转矩控制绕组定子磁链幅值变化的影响，不可避免的存在互相耦合问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 （5）直接转矩控制由于要保持定子磁链幅值恒定，故必须采用磁链闭环控制，而直接 悬浮力控制只需要对悬浮力进行闭环控制，无需对磁链进行闭环。 1.3 直接悬浮力控制算法的推导 从直接悬浮力控制的基本思想可知，必须控制悬浮控制绕组磁链的幅值和方向。因此， 必须首先找到悬浮力矢量与悬浮控制绕组磁链矢量之间的关系。 图 2 合成悬浮力与悬浮控制绕组磁链矢量图 图 5.5是直接悬浮力控制的合成悬浮力与悬浮控制绕组磁链矢量的分量图。从图中可知 合成悬浮力矢量在 k到 k+1时刻变化过程中，悬浮控制绕组磁链的变化情况。 在 k和 k+1时刻的合成悬浮力矢量可写为下式所示      F k F k          1 1F k F k          则 k时刻的合成悬浮力矢量在坐标系下的分量为          2cos cosF sF k F k k k                 2sin sinF sF k F k k k        而 k+1时刻的合成悬浮力矢量在坐标系下的分量为              2 2 1 1 cos 1 cos cos 1 sin sinF s F s F k F k k k k k                                        2 2 1 1 sin 1 sin cos 1 cos sinF s F s F k F k k k k k                           kF为悬浮力系数，△θ为悬浮力变化的方向角。 则合成悬浮力矢量差为    1F F k F k    其在坐标系下的分量为            2 2 1 1 cos cosF s F s F F k F k k k k k                                 2 2 1 1 sin sinF s F s F F k F k k k k k                      在 k和 k+1时刻的悬浮控制绕组磁链可写为下式所示    2 2s sk k         2 21 1s sk k        则 k时刻的悬浮控制绕组磁链矢量在坐标系下的分量为    2 2 coss sk k      2 2 sins sk k   而 k+1时刻的悬浮控制绕组磁链矢量在坐标系下的分量为      2 21 1 coss sk k            2 21 1 sins sk k       则悬浮控制绕组磁链矢量差为    2 2 21s s sk k      其在坐标系下的分量为           2 2 2 2 2 1 1 cos cos s s s s s k k k k                              2 2 2 2 2 1 1 sin sin s s s s s k k k k                    这样一来，得到合成悬浮力的矢量差与悬浮控制绕组磁链矢量差在坐标系下的分量 的关系式为 2 2 cos sin sin cos s F s F k F                      上式可以看做悬浮控制绕组磁链的矢量差在坐标系下的分量与转矩控制绕组合成气 隙磁链定向坐标系之间的坐标变换。此时可以应用 SVPWM 方法，选择合适的空间电压矢 量来合成该悬浮控制绕组定子磁链的矢量差。