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探析无轴承开关磁阻电机控制系统的设计与实现

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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 探析无轴承开关磁阻电机控制系统的设计与 实现 作者:黄泽 来源:《科技视界》2015 年第 06 期 【摘 要】随着科学技术的发展,将无轴承技术应用于开关磁阻电机中可有效发挥其高速 适应性,且可有效控制和改善振动与噪音等问题。本文简要阐述无轴承开关磁阻电机的结构和 运行原理,并根据实际需要制定控制策略,设计出控制系统,并进行试验证明这一系统的正确 性。 【关键词】无轴承;开关磁阻电机;控制系统 0 引言 无轴承电机是在上世纪末发展而来的一种新型磁悬浮电机[1]。随着电力技术的发展,将 无轴承技术应用到开关磁阻电机领域,有利于拓展无轴承电机的研发广度,发挥其高速适应 性,还能控制和改善由于不对称磁拉力引起的振动和噪声问题。因而,基于这些特点,在航空 高速、超高速发动机方面无轴承开关磁阻电机有着广泛应用。目前,我国对该项技术领域研发 刚起步,所以深化此课题的研究具有重要意义。 1 电机的绕组结构和原理 12/8 无轴承开关磁阻电机轴的截面,绕相包括 a、b、c 三个部分,以 a 相来探讨。a 相绕 相包括主绕相 Nma 和悬浮绕相 Nsa1 和 Nsa2。Nma 是由四个相对定子齿的线圈串联形成的, 其产生的磁场为转子悬浮提供了一个偏置磁场。Nsa1 是由绕在相对两个定子齿的线圈串联形 成,其功能是打破既有气隙 1 和 2 两处主绕相磁场的平衡,进而产生 α 向的磁拉力;Nsa2 的结 构和 Nsa2 一致。 2 控制策略 无轴承开关磁阻电机是不会产生三相同时不运行的情况,否则电流为零时无法产生悬浮 力,因此首要任务就是解决如何选择绕相的导通宽度。由实验样机的子齿数 Nr=8,得到绕相 的电感曲线周期 T=360° /8=45° ,所以三相绕相的导通宽度必须≥15°才可确保在任何时候至少有 一相在运行。但是当导通宽度>15° 时,则一定有两相同时运行的时刻,两相同时从工作理论上 来说,虽然可增加悬浮力,但是也会增加负转矩的负面效应,且还需进一步考虑悬浮力如何在 两相绕相间的分配的情况,大幅增加了控制的难度,因此,要选择三相绕组轮流导通为 15° 的 基本原则。 如何控制悬浮的大小,关键在于如何控制主绕相电流和悬浮绕相电流的大小[2]。如果采 用主绕相电流控制成方波形状且固定绕相开关角的方法可进场此操作,开通角固定在-7.5° 时各 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 相的电流、电感及 c 相的绕相的瞬时转矩情况。要产生大小一致的悬浮力,当转子齿远离定子 齿时,悬浮绕相的电流比定转子齿轴线的重合时要大。此时转子从-7.5° 转换到 0° 的过程中,磁 阻会逐步减小,因此需要产生大小一致的悬浮力时悬浮电流也会随之变小;当转子从 0° 到 7.5° 过程中,磁阻也会慢慢增大,因此要产生大小一致的悬浮力时的悬浮电流会增大。电机作空转 矩负载运行时,其导通区间必须在[-7.5° ,7.5° ]绕相在电感上升区域内导通时会形成正转矩, 反之则形成负转矩。当导通区间在[-7.5° ,7.5° ]时,电感上升的区间和下降区间是相同的,所 以正负转矩区间是各一半的,平均磁转矩是零。 3 控制系统的构成 部分电机参数是:主绕相匝数为 22,悬浮绕相为 18,定转子齿极弧度值为 15° ,定子轴 向的长度为 9.5cm,定子铁心内径为 7.7cm,转子半径为 3.825cm,定转子齿间的平均气隙为 0.25mm。电机的转轴左侧应用调心球轴承实现支撑,但不可悬浮。为避免转子在未产生悬浮 时,与定子齿发生撞击,转轴右侧可应用辅助轴承实现支撑,辅助轴承和转轴之间的均化间隙 保持在 0.15mm,转轴可做直线自由运动。辅助轴承的一侧电机端盖上装有检测转子径向位移 的四个灵敏度是 16V/mm 的电涡流传感器。另外,为了避免温漂等因素影响到测量精度,可应 用在同一直线上的传感器的信号差分功能来实现位置信号的反馈。 无轴承开关磁阻电机的控制系统包括三个个部分:(1)主绕相控制:在 DSP 计算完转子 的实际速度和位置角之后,可采用 PI 改变实时转矩大小的主绕相电流,进而实现速度的调节 并根据计转子位置角和主绕相电流输出三相主绕相的开关信号;(2)悬浮绕相控制:物流传 感器检测到转子偏离中小位置时,会模拟 PID 控制器,立刻调节。并根据相应数值,DSP 会根 据悬浮力计算出悬浮绕相开关的信号。(3)调节单元:为确保无轴承开关磁阻电机的稳定悬 浮,在控制系统中,可采取位置闭环控制和速度闭环控制。由于 PID 的控制较为简单,容易实 现,位移反馈则采取 PID 调节,可得到所需的悬浮力。 4 实验验证 所有验证实验都在空转矩条件下完成。转子因自身重力,等同于被增加一个质量和大小相 同、方向垂直向下的径向负荷[3]。无轴承开关磁阻电机转速在 500r/min 和 1200r/min 的情况。 前项数值的电机转子在 α 向时的单边位移在 50μm 左右,而 β 向在大约在 40μm。后项数值在 这两个方向的位移值均为 40μm。稳定悬浮时,可以明确看出辅助轴承处于静止状态时,不会 随着转子的运转而进行运转的,这就表明转子在主绕相电流和悬浮绕相电流的共同作用下,可 克服其自身的重力而被稳定的悬浮起来,不会和辅助轴承产生任何形式的碰撞。 5 结语 本文主要探讨了无轴承开关磁阻电机的绕相结构和悬浮的有关原理,并根据实际情况制定 科学合理的控制策略,再进行控制系统的设计,并通过实验进行验证,实现了稳定悬浮的目 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 标。证明本文研究的理论的正确性和实践的可操作性,提高了数模混合控制电机的安全性和有 效性,为实现无轴承开关磁阻电机奠定了理论基础。 【参考文献】 [1]张计涛.无轴承开关磁阻电机及其控制研究[D].北京交通大学,2012(6):14-16. [2]曹鑫,邓智泉,杨钢,等.无轴承开关磁阻电机麦克斯韦应



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