核心提示：　　無(wú)軸承電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)新穎的交流電機(jī)，其定子中嵌放有兩套不同極對(duì)數(shù)的繞組一轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組，通過(guò)控制兩套繞組電流不僅產(chǎn)生出電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，還能產(chǎn)生磁懸浮力使轉(zhuǎn)子懸浮，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)非接觸、無(wú)潤(rùn)滑和

　　無(wú)軸承電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)新穎的交流電機(jī)，其定子中嵌放有兩套不同極對(duì)數(shù)的繞組一轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組，通過(guò)控制兩套繞組電流不僅產(chǎn)生出電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，還能產(chǎn)生磁懸浮力使轉(zhuǎn)子懸浮，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)非接觸、無(wú)潤(rùn)滑和無(wú)機(jī)械摩擦旋轉(zhuǎn)。

　　由于無(wú)軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和大功率，已成為高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

　　根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，無(wú)軸承電機(jī)可分為感應(yīng)型、永磁型、磁阻型三種。為達(dá)到轉(zhuǎn)矩與懸浮力的解耦，感應(yīng)型無(wú)軸承電機(jī)采用氣隙磁場(chǎng)定向的控制方式，永磁型無(wú)軸承電機(jī)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式|3，磁阻型無(wú)軸承電機(jī)采用定子磁場(chǎng)定向方式W.這些高性能控制方法都需檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，獲得磁場(chǎng)定向所需磁通的精確空間位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力解耦控制，確保轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)子的空間位置和速度都是采用機(jī)械式傳感器來(lái)檢測(cè)，因而有安裝、連接、可靠性等問(wèn)題。對(duì)于無(wú)軸承電機(jī)而言，使用機(jī)械式位置/速度傳感器有著更大的局限性，因?yàn)閭鞲衅鞅旧碓跈C(jī)械上難以或無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速、超高速化，從而會(huì)嚴(yán)重限制無(wú)軸承電機(jī)固有的優(yōu)良高速性能的發(fā)揮。

　　研究無(wú)軸承電機(jī)的無(wú)傳感器運(yùn)行已成為無(wú)軸承電機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需要，但目前尚未有涉及這個(gè)研究命題。對(duì)于無(wú)軸承電機(jī)來(lái)說(shuō)還可以有無(wú)徑向位移傳感器運(yùn)行，但從影響高速化和全面體現(xiàn)無(wú)軸承電機(jī)特性來(lái)說(shuō)，研究無(wú)位置/速度傳感器運(yùn)行更具實(shí)際意義。

　　中國(guó)電機(jī)工程學(xué)院交流傳動(dòng)中無(wú)傳感器運(yùn)行是指利用電機(jī)繞組機(jī)，在靜止a-0坐標(biāo)系中電機(jī)定子的轉(zhuǎn)矩繞組電中的有關(guān)電量信息，通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砉浪愠鲛D(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械位置/速度傳感器的高性能控制。目前已有很多論文提出了各種轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)方法，其中大多數(shù)都是通過(guò)檢測(cè)基波反電勢(shì)來(lái)獲得轉(zhuǎn)子的位置信息M.這類(lèi)方法雖然簡(jiǎn)單，但在零速或低速時(shí)會(huì)因反電勢(shì)過(guò)小或根本無(wú)法檢測(cè)致使低速適應(yīng)性差。另外，由于要利用基波電壓和電流信號(hào)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置fB速度，因此對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化很敏感，魯棒性差。無(wú)軸承電機(jī)從靜止到起浮、從低速到高速轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮是電機(jī)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的根本保證，這都極大程度地受到速度和位置在全速度范圍檢測(cè)精度的影響，所以基于基波信息的位置檢測(cè)方法難以滿足無(wú)軸承電機(jī)的控制需要。

　　為了在包括零速在內(nèi)任何速度下都能夠獲得精確的轉(zhuǎn)子位置信息，一些提出了轉(zhuǎn)子空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)新方法。這種方法要求電機(jī)具有一定程度的凸極性，需要施加持續(xù)高頻激勵(lì)，但可以實(shí)現(xiàn)包括零速在內(nèi)的全速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的有效檢測(cè)。此外這種方法追蹤的是電機(jī)轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng)，因而對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化不敏感，魯棒性好。由于無(wú)軸承電機(jī)一般都須專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子的凸極性正好可以通過(guò)電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)保證，這實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)了傳感器與電機(jī)的集成。所以移植這種轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法應(yīng)用于無(wú)軸承電機(jī)控制中具有現(xiàn)實(shí)的可行性和重要的工程實(shí)際意義。

　　本文首先介紹采用高頻電壓載波注入方法對(duì)內(nèi)插式永磁型無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子空間凸極實(shí)現(xiàn)跟蹤的原理，討論轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)的方法，建立了內(nèi)插式永磁型無(wú)軸承電機(jī)無(wú)傳感器運(yùn)行控制模型，利用Matlab進(jìn)行轉(zhuǎn)子空間凸極效應(yīng)自檢測(cè)的驗(yàn)證和無(wú)傳感器運(yùn)行仿真，給出了轉(zhuǎn)子懸浮運(yùn)行時(shí)動(dòng)、靜態(tài)性能，驗(yàn)證本文所提出方法的正確性和可行性。

　　對(duì)稱(chēng)，即，軸電感大小不等，這就為通過(guò)注入高頻載波信號(hào)來(lái)跟蹤轉(zhuǎn)子凸極提供可能。利用凸極效應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的跟蹤時(shí)需要分析高頻電壓激勵(lì)下電機(jī)的電流響應(yīng)，為此需建立高頻電壓激勵(lì)下永磁型無(wú)軸承電機(jī)數(shù)學(xué)模型。

　　（1）高頻激勵(lì)下永磁型無(wú)軸承電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁型無(wú)軸承電機(jī)本質(zhì)上是一臺(tái)永磁同步電壓方程和磁鏈方程可表示為/1分別為轉(zhuǎn)矩繞組的電壓、電流、磁鏈，下標(biāo)or、y表示坐標(biāo)系中分量；為轉(zhuǎn)矩繞組電阻；4表示永磁體在轉(zhuǎn)矩繞組中所生磁鏈的轉(zhuǎn)子d軸上分量；1=為平均電感，=為半差電感，b為轉(zhuǎn)子同步速坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)矩繞組自感兩分量；為a軸與d軸間的電角度，即轉(zhuǎn)子的空間位置角；D=d/d“在電壓源逆變器供電的情況下，可通過(guò)逆變器將高頻電壓信號(hào)直接迭加在無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的基波電壓激勵(lì)上。設(shè)高頻電壓信號(hào)的角頻率為叫，幅值為1，則在靜止a-0坐標(biāo)系中注入高頻電壓信號(hào)可表示為定子轉(zhuǎn)矩繞組輸入總電壓則可表示為注入高頻電壓信號(hào)的頻率一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)行的基波頻率，對(duì)于高頻信號(hào)激勵(lì)電機(jī)呈現(xiàn)為近似純感抗，式（1）、（2）的電機(jī)模型可以簡(jiǎn)化為根據(jù)式⑶、（5）可求得高頻電壓激勵(lì)下電機(jī)的電流響應(yīng)為分析式（6）可以看出，只有負(fù)相序電流分量包含有轉(zhuǎn)年珩等：永磁型無(wú)軸承電機(jī)的無(wú)傳感器運(yùn)行研究，ju）k2IRN2N4子的位置信息但必須用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)將它提取出來(lái)以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。

　　（2）基于空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法為了提取高頻電流響應(yīng)信號(hào)負(fù)相序分量相角中所包含的轉(zhuǎn)子位置信息，必須濾除基波電流、載波頻率電流和高頻響應(yīng)電流中的正序分量。高頻注入信號(hào)頻率遠(yuǎn)比基波頻率高，載波頻率又遠(yuǎn)比高頻注入信號(hào)頻率高，故基波頻率和載波頻率信號(hào)都可通過(guò)常規(guī)的帶通濾波器（BPF）予以濾除。高頻響應(yīng)電流正相序分量與負(fù)相序分量的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此可以先將高頻響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換到與高頻注入電壓同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，使高頻響應(yīng)電流的正相序分量呈現(xiàn)成直流，利用高通濾波器將其濾除，從而最終得到高頻響應(yīng)電流信號(hào)的負(fù)相序分量。高頻電流信號(hào)濾波流程框圖如所示。

　　高頻響應(yīng)電流濾波流程濾除無(wú)關(guān)信號(hào)后，被跟蹤的信號(hào)將是一個(gè)相位由轉(zhuǎn)子或磁通角調(diào)制的旋轉(zhuǎn)電流矢量，可利用所示轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)其空間位置的檢測(cè)。跟蹤觀測(cè)器用外差法解調(diào)出空間凸極調(diào)制的負(fù)序高頻電流。通過(guò)簡(jiǎn)單的信號(hào)分析可得到如下矢量角誤差表達(dá)這樣，通過(guò)調(diào)節(jié)使矢量角誤差趨于零，就可使轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)值式收斂于真實(shí)值氏。取式對(duì)時(shí)間的微分，就能獲得轉(zhuǎn)子角速度處。

　　3永磁型無(wú)軸承電機(jī)控制模型永磁型無(wú)軸承電機(jī)的控制分為電磁轉(zhuǎn)矩控制和懸浮力控制兩部分，其中轉(zhuǎn)矩控制采用通常G=0的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方式；懸浮力控制則是通過(guò)轉(zhuǎn)子徑向位移偏移量檢測(cè)算出懸浮力，再生成懸浮繞組的輸入電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，所以獲得準(zhǔn)確、可用于實(shí)時(shí)計(jì)算的懸浮力表達(dá)式是對(duì)懸浮繞組控制的關(guān)鍵。

　　同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中永磁型無(wú)軸承電機(jī)懸浮力可表示為廣於」

　　在懸浮力控制中，可以通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位移的偏移誤差來(lái)生成懸浮力值/巧，再按下式計(jì)算出懸浮繞組電流的值~h從式（10）中可以看出，對(duì)于一臺(tái)內(nèi)插式永磁型軸承電機(jī)，A、A、為常數(shù)，在獲得轉(zhuǎn)矩繞組電流Q后，懸浮繞組電流便可通過(guò)懸浮力信號(hào)求得，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)子徑向懸浮力的目的。

　　給出了包括轉(zhuǎn)矩控制、懸浮力控制和轉(zhuǎn)子位置及速度自檢測(cè)在內(nèi)的無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。由于采用的控制策略，有、<經(jīng)2少/3少轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩繞組三相電流信號(hào)4、心、/4、后，輸入到轉(zhuǎn)矩繞組實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的中國(guó)電機(jī)工程學(xué)院解耦控制。在懸浮力控制中，檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子實(shí)際徑向位移與徑向位移相比較后，誤差信號(hào)通過(guò)PID調(diào)節(jié)獲得懸浮力值0，再通過(guò)式計(jì)算出懸浮繞組的電流<、G.這兩相電流信號(hào)經(jīng)2少/3少轉(zhuǎn)換成三相電流信號(hào)‘、、/二后，控制電機(jī)懸浮繞組電流以產(chǎn)生出期望的懸浮力，實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)下的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。

　　4永磁型無(wú)軸承電機(jī)無(wú)傳感器運(yùn)行研究在導(dǎo)出的空間凸極跟蹤轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法和永磁型無(wú)軸承電機(jī)懸浮力解析表達(dá)后，可在控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證永磁型無(wú)軸承電機(jī)無(wú)傳感器運(yùn)行的可行性和正確性。仿真所用內(nèi)插式永磁型無(wú)軸承電機(jī)參數(shù)參見(jiàn)附錄。

　　高頻響應(yīng)電流矢量的空間運(yùn)動(dòng)軌跡。這是一個(gè)隨轉(zhuǎn)子空間凸極位置變化而旋轉(zhuǎn)的橢圓，長(zhǎng)軸為（ip+Z），短軸為（/p-/），長(zhǎng)軸與a軸間的夾角即轉(zhuǎn)子空間位置角慫。由于轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置角為時(shí)間的函數(shù)，其增大方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，表明了依賴(lài)轉(zhuǎn)子位置的凸極的存在和該轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法的有效性。

　　法在永磁型無(wú)軸承電機(jī)中應(yīng)用的實(shí)用性，進(jìn)行了高速和低速下有、無(wú)機(jī)械位置/速度傳感器永磁型無(wú)軸承電機(jī)運(yùn)行仿真對(duì)比。和分別表示了電機(jī)0-60r/min轉(zhuǎn)/分和0-6000r/min的空載起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速變化及轉(zhuǎn)子0（垂直）方向位移變化曲線。靜止時(shí)初始?xì)庀镀臑锳a=Ay0=O.3mm.可以看出，有、無(wú)傳感器運(yùn)行方式特性基本無(wú)差異，說(shuō)明基于空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法可以在低速和高速的全速范圍內(nèi)獲得轉(zhuǎn)子位置的正確觀測(cè)，確保電機(jī)從靜止到給定速度均能實(shí)現(xiàn)成功起動(dòng)和穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種轉(zhuǎn)子空間位置自檢測(cè)方為考核無(wú)軸承電機(jī)無(wú)傳感器運(yùn)行控制系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，進(jìn)行了額定轉(zhuǎn)速下的突加額定負(fù)載的仿真，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及P方向徑向位移變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如所示。仿真結(jié)果對(duì)比表明，基于空間凸極跟蹤檢測(cè)的位置估算方法在負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)條件下也能有效地保證無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，獲得和有機(jī)械位置傳感器系統(tǒng)一樣良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。但同時(shí)也要看出，由于動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)仍會(huì)出現(xiàn)估算偏差，對(duì)轉(zhuǎn)子懸浮產(chǎn)生一定影響，故仍需深入研究空間凸極跟蹤中轉(zhuǎn)子位置年珩等：永磁型無(wú)軸承電機(jī)的無(wú)傳感器運(yùn)行研究bookmark6為解決機(jī)械式速度/位置傳感器在無(wú)軸承電機(jī)中應(yīng)用的局限性，本文提出了一種基于電機(jī)空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法。該方法采用高頻電壓信號(hào)注入技術(shù)，擺脫了傳統(tǒng)基波信息檢測(cè)、參數(shù)辨識(shí)等處理方式，因而能夠在全速度范圍內(nèi)有效地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的空間位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。仿真結(jié)果表明，在凸極程度較高的內(nèi)埋式永磁型無(wú)軸承電機(jī)中，應(yīng)用這種轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法能獲得較高的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)精度，確保無(wú)軸承電機(jī)實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和磁懸浮力的有效解耦，保障各種運(yùn)行條件下的良好運(yùn)行性能。這是一種將位置/速度傳感器集成于電機(jī)內(nèi)部的無(wú)傳感器調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新思路，對(duì)于無(wú)軸承電機(jī)的實(shí)用化定將有深遠(yuǎn)意義。