基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法及控制系统与流程

本发明属于电气传动中的稳定控制领域，具体涉及基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法及控制系统。

背景技术：

近年来，随着工业的快速发展，人们对电机的需求越来越大，要求也越来越高。和其他传统电机相比，无轴承异步电机(bearinglessinductionmotor，bim)具有无摩擦、无磨损、无需润滑、耐腐蚀、寿命长、能实现高速、超高速运行等特点，被广泛应用在定期维修困难的生命科学领域，易受酸、碱腐蚀的化工领域，以及半导体工业等领域。又因其结构简单、气隙均匀、成本低等优点，使其在机械加工、中小型发电设备、人工心脏泵以及对精度要求较高的数控机床等特种电气驱动/传动领域具有潜在的应用市场。然而，bim位移传感器的安装，阻碍了其高速运行，除此之外，还增大了bim的轴向尺寸。因此开展对bim的无传感器研究，对其低成本实用化运行具有重要的理论价值和现实意义。

为了解决位移传感器的安装带来的弊端，经过多年研究，bim无位移传感器矢量控制取得了一定的成就：利用bim两套绕组之间的互感和转子径向位移成线性关系这一特点，在转矩绕组两端加上高频信号，然后通过检测悬浮绕组中的差分信号来获取转子径向位移，从而达到转子位移自检测目的。还可根据悬浮绕组自感与转子径向位移成线性关系，在悬浮绕组两端加上高频信号，然后由检测到的悬浮绕组差分信号得到转子径向位移。这些方法在一定条件下能够达到检测转子位移的目的，但是，它们存在共同的缺点：注入的高频信号极易和其他高频谐波信号掺杂在一起，不容易分离，需要另外安装信号处理装置，使控制系统变得更加复杂，同时也增加了成本投入，因此限制了bim向实用化方向发展。除此之外，研究人员还提出利用bim的精确数学模型，建立转子位移观测器来实现转子位移自检测，但是该方法对电机参数要求较高，鲁棒性较差。

技术实现要素：

本发明提供了基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法及控制系统，能够有效解决传统方法利用bim的非理想特性，易受电机结构以及参数影响，鲁棒性差的问题；解决了高频信号极易和其他高频谐波信号掺杂在一起、不容易分离，且需要另外安装信号处理装置等缺点；避免机械式位移传感器对bim高速运行带来的不利影响。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法，包括如下步骤：

s1，求无轴承异步电机径向悬浮力绕组由转子质心偏移产生的磁链差ψ″2α、ψ″2β：

s1.1，在两相静止α-β坐标系中，电机电感矩阵方程为：

式中，ψ1α、ψ1β分别表示转矩绕组磁链在α、β轴上的分量，ψ2α、ψ2β分别表示径向悬浮力绕组磁链在α、β轴上的分量，l1、l2分别为转矩绕组、悬浮力绕组的自感，m为转矩绕组和径向悬浮力绕组之间的互感，x、y分别为转子在x轴、y轴上的偏移量，i1α、i1β分别表示转矩绕组电流在α、β轴上的分量，i2α、i2β分别表示径向悬浮力绕组电流在α、β轴上的分量；

s1.2，当转子质心不发生偏移时，电机电感矩阵方程中的x、y为零，此时悬浮力绕组磁链为：

s1.3，若转子质心产生偏移，此时悬浮力绕组磁链为：

s1.4，由转子质心偏移而产生的磁链差ψ″2α、ψ″2β为：

s2，辨识悬浮力绕组磁链：

s2.1，在两相静止α-β坐标系下，以悬浮力绕组定子磁链为状态变量的数学模型为：

式中，ψs2α、ψs2β分别表示径向悬浮力定子绕组磁链在α、β轴上的分量，us2α、us2β分别表示径向悬浮力定子绕组电压在α、β轴上的分量，rs2表示径向悬浮力定子绕组电阻，is2α、is2β分别表示径向悬浮力定子绕组电流在α、β轴上的分量；

s2.2，以悬浮力绕组定子磁链为状态变量的数学模型变形为：

s2.3，采用低通滤波器代替s2.2模型中的纯积分环节，提高辨识精度；

s3，得到转子径向自检测位移：

由转子质心偏移而产生的磁链差ψ″2α、ψ″2β的表达式，可得转子径向位移为：

上述方案中，转矩绕组和径向悬浮力绕组之间的互感系数其中p为微分算子，m为电机转子质量，l、r分别为转子轴向长度、转子半径，μ0为空气磁导率，n1、n2分别为转矩绕组、径向悬浮力绕组匝数。

由基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法确定的控制系统，包括悬浮部分、中间部分和旋转部分，所述悬浮部分得到bim径向悬浮力绕组三相电流值i2a、i2b和i2c，用于控制电机转子的悬浮；所述旋转部分得到bim转矩绕组三相电流值i1a、i1b、i1c，由转矩绕组的三相电流值控制电机的旋转；中间部分将悬浮部分和旋转部分得到的数据经3s/2s坐标变换，得到α、β轴上的分量，由无轴承异步电机转子位移自检测方法求得转子在x、y轴上的径向偏移距离x、y。

本发明的有益效果：

1、本发明通过对电机电感矩阵方程进行变换，得到径向悬浮力绕组磁链，再获得悬浮力绕组磁链差，进而求出转子径向位移；本发明用中间部分代替传统的位移传感器，能避免机械式位移传感器对bim高速运行带来的不利影响，减小bim的轴向尺寸，促进bim向小型化、实用化和低成本方向发展。

2、本发明在无轴承异步电机电压模型法的基础上，采用低通滤波器代替电压模型中的纯积分环节，辨识悬浮力绕组的磁链，进而利用电机电感矩阵和转子径向位移之间的关系，设计出转子位移估计器；由于自检测方法为在线检测方法，能够有效避免和其他高频谐波信号掺杂在一起，不需要另外安装信号处理装置，简化了控制系统的结构；除此之外，还保证了转子的稳定悬浮，实现bim无位移传感器方式下的稳定悬浮运行。本发明有效解决了传统方法利用bim的非理想特性、易受电机结构以及参数影响、鲁棒性差的问题。

3、利用低通滤波器代替电压模型中的纯积分环节的设计，避免了因初始值不为零时，纯积分环节产生累积误差，影响系统辨识精度的缺点。

附图说明

图1为基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法的流程图；

图2为采用改进电压模型法和传统电压模型法时转子径向位移波形对比图，图2(a)为采用改进电压模型法和传统电压模型法时转子x轴径向位移波形对比图，图2(b)为采用改进电压模型法和传统电压模型法时转子y轴径向位移波形对比图；

图3为基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测控制系统框图；

图4为电压模型的实现框图；

图5为改进电压模型的实现框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步进行详细介绍，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测方法，包括步骤：

①计算无轴承异步电机径向悬浮力绕组由转子质心偏移产生的磁链差ψ″2α、ψ″2β：

电机电感矩阵方程为：

式中：l为电机电感，l1、l2分别为转矩绕组、悬浮力绕组的自感，x、y分别为转子在x轴、y轴上的偏移量，m为转矩绕组和径向悬浮力绕组之间的互感系数，且

其中：p为微分算子，m为电机转子质量，l、r分别为转子轴向长度、转子半径，μ0为空气磁导率，n1、n2分别为转矩绕组、径向悬浮力绕组匝数。

在两相静止α-β坐标系中，电机电感矩阵方程(1)变形为：

式中：ψ1α、ψ1β分别表示转矩绕组磁链在α、β轴上的分量，ψ2α、ψ2β分别表示径向悬浮力绕组磁链在α、β轴上的分量，i1α、i1β分别表示转矩绕组电流在α、β轴上的分量，i2α、i2β分别表示径向悬浮力绕组电流在α、β轴上的分量；

当转子质心不发生偏移时，电机电感矩阵方程中的x、y为零，此时悬浮力绕组磁链为：

若转子质心产生偏移，此时悬浮力绕组磁链为：

由转子质心偏移而产生的磁链差ψ″2α、ψ″2β为：

②由转子质心偏移而产生的磁链差ψ″2α、ψ″2β的表达式(6)，可得转子径向位移为：

由式(7)设计出转子位移估计器，采用本发明改进电压模型法和传统电压模型法时转子径向位移波形对比图如图2所示。

③由式(7)可知，要得到转子的径向位移，需对径向悬浮力绕组的磁链进行辨识，采用改进电压模型法对其进行辨识，辨识过程如下：

由bim的数学模型可知，在两相静止α-β坐标系下，以悬浮力绕组定子磁链为状态变量的数学模型为：

式中：ψs2α、ψs2β分别表示径向悬浮力定子绕组磁链在α、β轴上的分量，us2α、us2β分别表示径向悬浮力定子绕组电压在α、β轴上的分量，rs2表示径向悬浮力定子绕组电阻，is2α、is2β分别表示径向悬浮力定子绕组电流在α、β轴上的分量；

以悬浮力绕组定子磁链为状态变量的数学模型(8)变形为：

由于在电压模型法中，当初始值不为零时，其纯积分环节会产生累积误差，因此会造成辨识误差，为解决纯积分环节造成的影响，本发明采用低通滤波器代替公式(9)中的纯积分环节，其实现框图如图4所示；图3为传统电压模型的实现框图，其中，uabc、iabc分别为三相电压和电流给定值，uaβ、iaβ分别三相电压和电流在α、β轴上的分量，ψaβ为悬浮绕组定子磁链。

图5为基于改进电压模型法的无轴承异步电机转子位移自检测控制系统框图，控制系统分为悬浮部分、中间部分和旋转部分。

旋转部分：将bim转子的给定转速ωr*与bim实测转速ωr作为比较器的输入，其输出经pid调节后得到bim转子的给定电磁转矩te*，将bim给定电磁转矩te*和给定气隙磁链ψ1*作为气隙磁场定向解耦控制的输入，可得到bim转矩绕组的给定电流在α、β轴上的分量i*1sα、i*1sβ，将i*1sα、i*1sβ进行3s/2s坐标变换，得到bim转矩绕组的三相给定电流i*1a、i*1b、i*1c，然后将三相给定电流i*1a、i*1b、i*1c经电流反馈型脉冲宽度调制crpwm逆变后得到bim转矩绕组三相电流值i1a、i1b、i1c，由转矩绕组的三相电流值控制电机的旋转。

悬浮部分：将电涡流传感器测得的bim转子的径向位移偏移量x^*、y^*与采用改进电压法得到的转子径向位移偏移量x、y作为比较器的输入，其输出值经pid控制器调节后产生bim转子在x、y方向上的给定径向悬浮力fx*、fy*，将给定径向悬浮力fx*、fy*经力/电流转换器转换后得到bim径向悬浮力绕组的给定控制电流分量i*2sα、i*2sβ，对给定控制电流分量i*2sα、i*2sβ进行3s/2s坐标变换得到bim径向悬浮力绕组的三相给定电流值i*2a、i*2b和i*2c，然后将三相给定电流值i*2a、i*2b和i*2c经过电流反馈型脉冲宽度调制crpwm逆变后，得到bim悬浮绕组三相电流值i2a、i2b和i2c，用于控制电机转子的悬浮。

中间部分将采集到的bim转矩绕组三相电流值i1a、i1b、i1c经3s/2s坐标变换可得到转矩绕组在α、β轴的分量i1α、i1β。同时，将采集到的bim悬浮绕组三相电流值i2a、i2b、i2c和三相电压值u2a、u2b、u2c经3s/2s坐标变换可得到悬浮绕组在α、β轴的分量i2α、i2β和u2α、u2β,然后由公式(9)可求得悬浮绕组磁链ψ2α、ψ2β，最后可由公式(7)求得转子在x、y轴上的径向偏移距离x、y。

以上所述对本发明进行了简单说明，并不受上述工作范围限值，只要采取本发明思路和工作方法进行简单修改运用到其他设备，或在不改变本发明主要构思原理下做出改进和润饰的等行为，均在本发明的保护范围之内。