CN106849802A - 一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法。本方法在无轴承异步电机基波模型基础上，通过在无轴承异步电机定子两端注入电流来构造转子位置偏差角，进一步通过PI控制器对偏差角进行调节，得到电机气隙磁场旋转速度，进而估计电机转速。本发明能够准确跟踪转子转速，避免了传统机械式速度传感器的安装对无轴承异步电机高速运行带来的不利影响。采用一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法具有不依赖电机的各种非理想特性、不易引入其他谐波信号、构造简单等优点，便于工程实现。

Description

一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法

技术领域

本发明涉及电气传动中的稳定控制技术领域，特别是涉及一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法。

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(bearingless induction motor，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，无轴承异步电机速度传感器的安装，阻碍了其高速运行，除此之外，还增大了无轴承异步电机的轴向尺寸。因此开展对无轴承异步电机的无传感器研究，对其低成本实用化运行具有重要的理论价值和现实意义。

为了解决机械式速度传感器带来的弊端，经过多年研究，无轴承异步电机无速度传感器矢量控制取得了一定的成就，研究人员提出了磁链观测法、定转子电阻在线辨识法、基于单维离散滑模的模型参考自适应转速辨识方法等，但这些方法都利用了无轴承异步电机的非理想特性，易受电机结构以及参数的影响，因此在实际控制***中很难得到真正应用。为了弥补以上方法的不足，又有学者提出了高频信号注入法，其基本原理是利用注入的高频电压信号估计转子位置偏差角。但是，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***变得更加复杂，同时也增加了成本投入，因此限制了无轴承异步电机向实用化方向发展。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法，具体通过以下技术手段实现上述技术目的：

一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法,其特征在于,包括悬浮控制过程，中间控制过程和转矩控制过程，其中悬浮控制过程包括如下步骤：

步骤一：将电涡流传感器测得的无轴承异步电机转子的径向位移偏移量x、y与转子在x、y方向上的给定径向位移偏移量x^*、y^*作为比较器的输入，其输出值经PID控制器调节后产生无轴承异步电机转子在x、y方向上的给定径向悬浮力F_x ^*、F_y ^*；

步骤二：将给定径向悬浮力F_x ^*、F_y ^*经力/电流转换器转换后得到无轴承异步电机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/2r坐标变换得到无轴承异步电机径向悬浮力绕组的三相给定电流值i^* _2A、i^* _2B和i^* _2C；

步骤三：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，得到无轴承异步电机悬浮绕组三相电流值i_2A、i_2B和i_2C，用于控制电机转子的悬浮。

其中中间控制过程，包括如下步骤：

步骤1：求无轴承异步电机的电磁转矩，

将无轴承异步电机转矩绕组的三相电流值i_1A、i_1B、i_1C经过3s/2r坐标变换后得到d-q坐标系下d轴上的电流分量i_1d、q轴上的电流分量i_1q，再将q轴上的电流分量i_1q和无轴承异步电机的气隙磁链Ψ₁代入式T_e＝p₁ψ₁i_1q，得无轴承异步电机的电磁转矩T_e，其中p₁为转矩绕组的极对数；

步骤2：构造无轴承异步电机的转子位置偏差角，

对无轴承异步电机的电磁转矩T_e进行变换、低频滤波处理，得到所测得的实际位置偏差角ε；

所述对无轴承异步电机转子的电磁转矩T_e进行变换、低频滤波处理方法如下：

在d-q轴坐标系的d’轴方向施加一个低频电流i_c＝I_csin(ω_ct)，其中I_c为幅值，ω_c为角速度，则电流i_c在q轴上产生分量i_cq，即有i_cq＝i_csinε；

由i_cq引起的无轴承异步电机的电磁转矩响应为：

T_ec＝p₁ψ₁i_c sinε

将上式两边同乘以电流i_c,可得，

对上式进行低通滤波处理，则有：

其中lp(T_eci_c)为T_eci_c经低通滤波器处理后的值；

进一步可得当ε足够小时，可得

步骤3：求气隙磁场旋转速度，

将无轴承异步电机转子的给定位置偏差角ε^*与所测得的实际位置偏差角ε经过比较器得到偏差ε^*-ε，将偏差ε^*-ε作为PI控制器的输入信号，得到无轴承异步电机转子的气隙磁场旋转速度ω₁；

步骤4：得到无轴承异步电机的自检测转速，

无轴承异步电机的转速ω_r＝ω₁-ω_s，ω_s为无轴承异步电机转差，其中，T_r1为无轴承异步电机转子的时间常数；i_s1q为无轴承异步电机转矩绕组电流在q轴的励磁分量；L_1m为无轴承异步电机转矩绕组互感；i_s1d为无轴承异步电机转矩绕组电流在d轴的励磁分量。

其中转矩控制过程，包括如下步骤：

步骤A：将无轴承异步电机转子的给定转速ω_r ^*与无轴承异步电机转速ω_r作为比较器的输入，其输出经PID调节后得到无轴承异步电机转子的给定电磁转矩T_e ^*，

步骤B：将无轴承异步电机给定气隙磁链Ψ₁ ^*和给定电磁转矩T_e ^*作为气隙磁场定向解耦控制的输入，可得到无轴承异步电机转矩绕组的给定电流在α、β轴上的分量i^* _1sα、i^* _1sβ；

步骤C：将i^* _1sα、i^* _1sβ进行3s/2r坐标变换，得到无轴承异步电机转矩绕组的三相给定电流i^* _1A、i^* _1B、i^* _1C；

步骤D：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逆变后得到无轴承异步电机转矩绕组三相电流值i_1A、i_1B、i_1C，由转矩绕组的三相电流值控制电机的旋转。

其中，T_r1为无轴承异步电机转子的时间常数；i_s1q为无轴承异步电机转矩绕组电流在q轴的励磁分量；L_1m为无轴承异步电机转矩绕组互感；i_s1d为无轴承异步电机转矩绕组电流在d轴的励磁分量。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的控制方法能够有效解决以往方法利用无轴承异步电机的非理想特性，易受电机结构以及参数影响，鲁棒性差的问题。

2、本发明通过对无轴承异步电机的电磁转矩T_e进行变换、低频滤波处理来构造转子位置偏差角，实现对无轴承异步电机转速的检测。该方法不易引入其他谐波信号，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。简化了控制***的结构，保证了无轴承异步电机转子的稳定悬浮，实现了无轴承异步电机在无速度传感器情况下转子的稳定悬浮运行。

3、本发明能够避免机械式速度传感器对无轴承异步电机高速运行带来的不利影响，减小了无轴承异步电机的轴向尺寸，促进无轴承异步电机向小型化、实用化和低成本方向发展。

附图说明

图1为本发明一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法的***结构框图。

图2为本发明d-q轴坐标系及注入信号示意图。

图3为本发明偏差角控制框图。

图4为本发明一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法与高频信号注入法的转子偏移位移对比图。

其中，x^*、y^*分别为无轴承异步电机转子在x、y方向上的给定径向位移偏移量，x、y分别为电涡流传感器测得的无轴承异步电机转子的径向位移偏移量；F_x ^*、F_y ^*分别为无轴承异步电机转子在x、y方向上的给定径向悬浮力；i^* _2sa、i^* _2sβ为无轴承异步电机转子的径向悬浮力绕组的给定控制电流分量；i^* _2A、i^* _2B、i^* _2C为无轴承异步电机径向悬浮力绕组的三相给定电流值；i_2A、i_2B、i_2C为无轴承异步电机悬浮绕组三相电流值；i_1A、i_1B、i_1C为无轴承异步电机转矩绕组的三相电流值；i^* _1A、i^* _1B、i^* _1C为无轴承异步电机转矩绕组的三相给定电流；i^* _1sα、i^* _1sβ为无轴承异步电机转矩绕组的给定电流在α、β轴上的分量；T_e ^*为无轴承异步电机转子的给定电磁转矩；Ψ₁ ^*为无轴承异步电机给定气隙磁链；ω_r ^*为无轴承异步电机转子的给定转速；i_1d、i_1q分别为d-q坐标系下d轴、q轴上的电流分量；ω₁为无轴承异步电机气隙磁场旋转速度；ω_r为无轴承异步电机转速；ω_s为无轴承异步电机转差；i_c为d-q轴坐标系的d’轴方向上的低频电流；i_q为零值；i_cq为电流i_c在q轴上产生的分量；i_cd为电流i_c在d轴上产生的分量；ε^*为无轴承异步电机转子的给定位置偏差角；ε为实际位置偏差角；T_e为无轴承异步电机的电磁转矩；T_ec为无轴承异步电机的电磁转矩响应；Ψ₁为无轴承异步电机的气隙磁链。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1，一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法,其特征在于,包括悬浮控制过程，中间控制过程和转矩控制过程，其中悬浮控制过程包括如下步骤：

步骤一：将电涡流传感器测得的无轴承异步电机转子的径向位移偏移量x、y与转子在x、y方向上的给定径向位移偏移量x^*、y^*作为比较器的输入，其输出值经PID控制器调节后产生无轴承异步电机转子在x、y方向上的给定径向悬浮力F_x ^*、F_y ^*；

步骤二：将给定径向悬浮力F_x ^*、F_y ^*经力/电流转换器转换后得到无轴承异步电机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/2r坐标变换得到无轴承异步电机径向悬浮力绕组的三相给定电流值i^* _2A、i^* _2B和i^* _2C；

步骤三：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，得到无轴承异步电机悬浮绕组三相电流值i_2A、i_2B和i_2C，用于控制电机转子的悬浮。

其中中间控制过程，包括如下步骤：

步骤1：求无轴承异步电机的电磁转矩，

将无轴承异步电机转矩绕组的三相电流值i_1A、i_1B、i_1C经过3s/2r坐标变换后得到d-q坐标系下d轴上的电流分量i_1d、q轴上的电流分量i_1q，再将q轴上的电流分量i_1q和无轴承异步电机的气隙磁链Ψ₁代入式T_e＝p₁ψ₁i_1q，得无轴承异步电机的电磁转矩T_e，其中p₁为转矩绕组的极对数；

步骤2：构造无轴承异步电机的转子位置偏差角，

对无轴承异步电机的电磁转矩T_e进行变换、低频滤波处理，得到所测得的实际位置偏差角ε；

如图3，所述对无轴承异步电机转子的电磁转矩T_e进行变换、低频滤波处理方法如下：

在d-q轴坐标系的d’轴方向施加一个低频电流i_c＝I_csin(ω_ct)，其中I_c为幅值，ω_c为角速度，如图2所示，则电流i_c在q轴上产生分量i_cq，即有i_cq＝i_csinε；

由i_cq引起的无轴承异步电机的电磁转矩响应为：

T_ec＝p₁ψ₁i_c sinε

将上式两边同乘以电流i_c,可得，

对上式进行低通滤波处理，则有：

其中lp(T_eci_c)为T_eci_c经低通滤波器处理后的值；

进一步可得当ε足够小时，可得

步骤3：求气隙磁场旋转速度，

将无轴承异步电机转子的给定位置偏差角ε^*与所测得的实际位置偏差角ε经过比较器得到偏差ε^*-ε，将偏差ε^*-ε作为PI控制器的输入信号，得到无轴承异步电机转子的气隙磁场旋转速度ω₁；

步骤4：得到无轴承异步电机的自检测转速，

无轴承异步电机的转速ω_r＝ω₁-ω_s，ω_s为无轴承异步电机转差，其中，T_r1为无轴承异步电机转子的时间常数；i_s1q为无轴承异步电机转矩绕组电流在q轴的励磁分量；L_1m为无轴承异步电机转矩绕组互感；i_s1d为无轴承异步电机转矩绕组电流在d轴的励磁分量。

其中转矩控制过程，包括如下步骤：

步骤A：将无轴承异步电机转子的给定转速ω_r ^*与无轴承异步电机转速ω_r作为比较器的输入，其输出经PID调节后得到无轴承异步电机转子的给定电磁转矩T_e ^*，

步骤B：将无轴承异步电机给定气隙磁链Ψ₁ ^*和给定电磁转矩T_e ^*作为气隙磁场定向解耦控制的输入，可得到无轴承异步电机转矩绕组的给定电流在α、β轴上的分量i^* _1sα、i^* _1sβ；

步骤C：将i^* _1sα、i^* _1sβ进行3s/2r坐标变换，得到无轴承异步电机转矩绕组的三相给定电流i^* _1A、i^* _1B、i^* _1C；

步骤D：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逆变后得到无轴承异步电机转矩绕组三相电流值i_1A、i_1B、i_1C，由转矩绕组的三相电流值控制电机的旋转。

如图4所示，为本发明一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法与高频信号注入法的转子偏移位移对比图。从图中可以看出，本发明所提方法不仅能使无轴承异步电机转子最大径向偏移距离缩小，且能够使无轴承异步电机转子在更短的时间内稳定悬浮在中心位置处，体现了本发明所提方法的优越性。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法,其特征在于,包括悬浮控制过程，中间控制过程和转矩控制过程，其中悬浮控制过程包括如下步骤：

步骤一：将电涡流传感器测得的无轴承异步电机转子的径向位移偏移量x、y与转子在x、y方向上的给定径向位移偏移量x^*、y^*作为比较器的输入，其输出值经PID控制器调节后产生无轴承异步电机转子在x、y方向上的给定径向悬浮力F_x ^*、F_y ^*；

步骤二：将给定径向悬浮力F_x ^*、F_y ^*经力/电流转换器转换后得到无轴承异步电机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/2r坐标变换得到无轴承异步电机径向悬浮力绕组的三相给定电流值i^* _2A、i^* _2B和i^* _2C；

步骤三：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，得到无轴承异步电机悬浮绕组三相电流值i_2A、i_2B和i_2C，用于控制电机转子的悬浮；

其中中间控制过程，包括如下步骤：

步骤1：求无轴承异步电机的电磁转矩，

将无轴承异步电机转矩绕组的三相电流值i_1A、i_1B、i_1C经过3s/2r坐标变换后得到d-q坐标系下d轴上的电流分量i_1d、q轴上的电流分量i_1q，再将q轴上的电流分量i_1q和无轴承异步电机的气隙磁链Ψ₁代入式T_e＝p₁ψ₁i_1q，得无轴承异步电机的电磁转矩T_e，其中p₁为转矩绕组的极对数；

步骤2：构造无轴承异步电机的转子位置偏差角，

对无轴承异步电机的电磁转矩T_e进行变换、低频滤波处理，得到所测得的实际位置偏差角ε；

步骤3：求气隙磁场旋转速度，

将无轴承异步电机转子的给定位置偏差角ε^*与所测得的实际位置偏差角ε经过比较器得到偏差ε^*-ε，将偏差ε^*-ε作为PI控制器的输入信号，得到无轴承异步电机转子的气隙磁场旋转速度ω₁；

步骤4：得到无轴承异步电机的自检测转速，

无轴承异步电机的转速ω_r＝ω₁-ω_s，其中，ω_s为无轴承异步电机转差；

其中转矩控制过程，包括如下步骤：

步骤A：将无轴承异步电机转子的给定转速ω_r ^*与无轴承异步电机转速ω_r作为比较器的输入，其输出经PID调节后得到无轴承异步电机转子的给定电磁转矩T_e ^*，

步骤B：将无轴承异步电机给定气隙磁链Ψ₁ ^*和给定电磁转矩T_e ^*作为气隙磁场定向解耦控制的输入，可得到无轴承异步电机转矩绕组的给定电流在α、β轴上的分量i^* _1sα、i^* _1sβ；

步骤C：将i^* _1sα、i^* _1sβ进行3s/2r坐标变换，得到无轴承异步电机转矩绕组的三相给定电流i^* _1A、i^* _1B、i^* _1C；

步骤D：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逆变后得到无轴承异步电机转矩绕组三相电流值i_1A、i_1B、i_1C，由转矩绕组的三相电流值控制电机的旋转。

2.根据权利要求1所述一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述步骤2中对无轴承异步电机转子的电磁转矩T_e进行变换、低频滤波处理方法如下：

在d-q轴坐标系的d’轴方向施加一个低频电流i_c＝I_csin(ω_ct)，其中I_c为幅值，ω_c为角速度，则电流i_c在q轴上产生分量i_cq，即有i_cq＝i_csinε；

由i_cq引起的无轴承异步电机的电磁转矩响应为：

T_ec＝p₁ψ₁i_c sinε

将上式两边同乘以电流i_c,可得，

$T_{ec}{i}_c=p_1{\mathrm{\ψ}}_1{i}_c^{2}sin\mathrm{\ϵ}=p_1{\mathrm{\ψ}}_1{I}_c^{2}sin\mathrm{\ϵ}\frac{1-2cos\left(2{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)}{2}$

对上式进行低通滤波处理，则有：

$lp\left(T_{ec}{i}_c\right)=p_1{\mathrm{\ψ}}_1{I}_c^{2}sin\mathrm{\ϵ}$

其中lp(T_eci_c)为T_eci_c经低通滤波器处理后的值；

进一步可得当ε足够小时，可得

3.根据权利要求1所述一种无轴承异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述步骤4中ω_s，其中，T_r1为无轴承异步电机转子的时间常数；i_s1q为无轴承异步电机转矩绕组电流在q轴的励磁分量；L_1m为无轴承异步电机转矩绕组互感；i_s1d为无轴承异步电机转矩绕组电流在d轴的励磁分量。