维普资讯 http://www.cqvip.com 微电机２００７年第４Ｏ卷第４期（总第１６０期） 中图分类号：ＴＭ３４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－６８４８ Ｉ ２００７）０４－００１８－０３ 无轴承感应电机悬浮绕组独立控制仿真研究 曹昌平，卢健康，史仪凯 （西北工业大学机电学院，西安７１００７２） 摘 要：阐述了无轴承感应电机的悬浮原理及悬浮绕组独立控制的基本思想。将无轴承感应电 机等效成２台电机，即转矩电机和悬浮电机，按照电压模型法建立转矩绕组气隙磁链观测器，结 合位移调节器计算出悬浮绕组的电流。建立了无轴承感应电机悬浮绕组独立控制的Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕ— ｌｉｎｋ仿真模型；仿真结果合理。 关键词：无轴承；感应电动机；独立控制；磁链观测器；仿真 Ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ Ｗｉｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ ＣＡＯ Ｃｈａｎｇ—ｐｉｎｇ，ＬＵ Ｊｉａｎ—ｋａｎｇ，ＳＨＩ Ｙｉ—ｋａｉ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｉｄｅａ ｏｆ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ ｗｉｎｄｉｎｇ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ Ｃａｌｌ ｂｅ ｅｑｕａｌ ｔｏ ｔｗｏ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｔｏｒｓ—ｔｏｒｑｕｅ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｍｏｔｏｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｖｏｌｔ— ａｇｅ—ｍｏｄｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈｅ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｄｅｎｔｉｉｆｅｓ ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ ｗｉｎｄｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｆｕｘ ｏｂｓｅｒｖｅｒ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ ｉｗｎｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍａｔｌａｂ／ ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ；Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ；Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０ 引 言 隙磁场定向控制算法需要在两套绕组控制子系统 之间传递转矩绕组的气隙磁链信息，而没有实现 无轴承电机作为一种集驱动与悬浮功能于一 真正意义上的解耦控制。另外，气隙磁场定向控 体的新型磁悬浮电机，除具有传统磁轴承电机无 制因其本身机理的制约存在着最大转矩限制而影 磨损、无润滑、无粉尘等特点以外，由于悬浮控 响到它在负载和大功率条件下的应用，同时其复 制绕组与转矩控制绕组同时叠绕在定子槽内，并 杂解耦算法还缺乏应用上的灵活性 引。因此实现 以转矩控制绕组的旋转磁场作为产生悬浮力的偏 无轴承感应电机悬浮绕组独立控制，是其实用化 置磁场，因此在空间利用率和电磁效率等方面均 的客观要求。要实现无轴承感应电机悬浮绕组的 有所提高，其具有结构简单、易于弱磁、可靠性 独立控制，只需要准确获取转矩绕组气隙磁链的 高的特点而备受关注。目前无轴承感应电机较为 幅值和相位即可 。 典型的控制方法有基于转矩绕组的转子磁场定向、 气隙磁场定向控制两种。基于转矩绕组的转子磁 １基本原理 场定向控制简单且能做到完全解藕，但转子磁通 图１所示为无轴承感应电机的悬浮原理。电机 的检测和转差频率的计算受转子参数影响大，一 的定子有２套绕组：转矩绕组极对数Ｐ 、电角频率 定程度上影响了系统的性能ｕ Ｊ。基于转矩绕组气 ∞，悬浮绕组极对数Ｐ 、电角频率∞ ，当２套绕组 满足Ｐ。＝ｐ ±１、 。＝∞ 时就会产生麦克斯韦力。 收稿日期：２００６－０６－２１ 图ｌ中Ｐ ＝２、Ｐ ：ｌ。从图中可以看出由于悬浮绕 西ｊＥ工业大学研究生创业种子基金资助项目（Ｚ２００６１９） 组和转矩绕组的叠加使得气隙磁场的分布不平衡， 一ｌ８～ 维普资讯 http://www.cqvip.com 无轴承感应电机悬浮绕组独立控制仿真研究曹昌平卢健康史仪凯 从而产生了麦克斯韦力 和Ｆ 。通过控制悬浮绕 组的电流来调节作用在转子上的麦克斯韦力的大 小和方向，以实现电机的悬浮运行。 绕组的定子电压与电流，在电机的数学模型基础 上，通过计算得到气隙磁链的幅值和相位。在 静止坐标系下转矩绕组的气隙磁链方程为： ＝Ｊ Ｉ（ １ 一 １ １ ）ｄｔ—Ｌ１ ｉ１ （４） ＝Ｊ（ １ 一 １ Ｒ１ ）ｄ 一Ｌｌａｉ１ （５） （ａ） （ｂ） 式中，￡， 为转矩绕组定子漏感。将式（４）和式（５）代 人式（３）即可以计算出转矩绕组的控制电流。 悬浮绕组独立控制的框图如图２所示。通过框 图可以看出，相比于传统的无轴承电机的磁场定 向控制系统，该控制系统在结构上简化了很多， 同时控制系统中使用了通用变频器，使得无轴承 电机向实用化方向发展。 图１ 无轴承感应电机的悬浮原理 ２悬浮绕组独立控制分析 相关研究表明：当无轴承电机的悬浮绕组与 转矩绕组的极对数满足Ｐ ＝ｐ。±１、 ＝ 。时，在 ］Ｂ静止坐标系下，沿着 、 方向的麦克斯韦力 分量分别为： Ｆ ＝Ｋ （ ｉ２ ＋ ２ ８） （１） Ｇ＝一Ｋ （ ８ｉ２ 一ｔ‘２ｓｏ ） 式中，Ｋ ＝ （２） 图２无轴承感应电机悬浮绕组独立控制框图 ，下标１、２分别表示转矩 绕组与悬浮绕组，ｒ为转子半径，ｚ为转子铁心有 效长度。 将上式表示为电流方程： ３仿真模型建立 按照图２所示的框图建立图３的仿真模型。将 无轴承电机等效为转矩电机和悬浮电机两部分。转 【 ｇ２ｓａ］ 了１ 【 儿Ｆ Ｊ ３ 由上式可以看出只要能观测出转矩绕组的气隙磁 链幅值和相位，就可以计算悬浮绕组的电流。 通常转矩绕组气隙磁链的观测是通过检测转矩 矩电机利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ电力系统库中的异步电机模型。 建立悬浮电机模型时，认为悬浮绕组不产生转子电 流，只产生悬浮力，不产生转矩。将悬浮绕组控制 系统等效成延时环节，延时时间ｔ ＝０．００１ ｓ。 图３无轴承感应电机悬浮绕组独立控制仿真模型 一１９— 维普资讯 http://www.cqvip.com 微电机２００７年第４ｏ卷第４期（总第１６０期） ４仿真结果分析 仿真时，无轴承感应电机参数给定如下：额 定功率ＰＮ＝５００ Ｗ，额定转速ｎＮ＝１４６．６ ｒａｄ／ｓ＝１ ４００ ｒ／ｍｉｎ，转子质量ｍ＝１．２ ｋｇ，转子转动惯量．， 由仿真结果可以看出，电机在起动过程中由 于转子受到重力作用，Ｙ方向上的转子偏移量比较 大，经过位移控制器调解后偏移量明显减小，当 电机达到稳态转速１ ４００ ｒ／ｍｉｎ，电机转子径向偏 移量小于１０ ｍ，电机实现稳定悬浮运行。同时建 ＝０．０１９ ｋｇ・Ｉｎ ，转矩绕组Ｐ１＝２，Ｒ１。＝０．４３５１ｑ， Ｌｈ＝０．０７１ Ｈ，Ｌ１。ｌ＝０．００２ Ｈ，ＲｌＴ＝０．８１６ Ｑ，Ｌ１ ＝０．０７１ Ｈ，Ｌ１ｄ＝０．００２ Ｈ，Ｌ１ ＝０．０６９ Ｈ，悬浮绕 组Ｐ２＝１，Ｒ２。＝０．３８ Ｑ，Ｌ２。：０．０５８ Ｈ，Ｌ２ ＝ ０．０５７ Ｈ。转子 方向干扰力Ｆ ＝０ Ｎ，Ｙ方向承受 转子重力 ＝１２ Ｎ，假定 、Ｙ方向的初始偏移量 为零，电机空载起动。仿真结果如图４、图５和图 ６所示。 １ 鲁０ —１ １ 鲁０ —１ 图４转矩绕组气隙磁链 图５电机转速 图６转子径向偏移 一２０一 立的转矩绕组气隙磁链观测器能准确观测出转矩 绕组的气隙磁链。 ５ 结 语 无轴承感应电机悬浮绕组独立控制是无轴承 感应电机向实用化和超高速化方向发展有效途径。 本文分析了无轴承感应电机悬浮绕组独立控制的 基本思想，建立了无轴承感应电机悬浮绕组独立 控制的仿真模型。仿真结果合理，为无轴承电机 控制系统的设计以及控制算法的研究提供了方便。 参考文献 １ｊ １Ｊ １Ｊ １Ｊ 邓智泉，张宏全．基于气隙磁场定向的无轴承异步电机非线 性解耦控制［Ｊ］．电工技术学报，２００２，１７（６）：１９－２４． 贺益康，年琦，阮秉涛．感应型无轴承电机的优化气隙磁场 定向控制［Ｊ］．中国电机工程学报，２００４，２４（６）：ｌ１６－１２１． 邓智泉，王晓琳．无轴承异步电机的转子磁场定向控制［Ｊ］． 中国电机工程学报，２００３，２３（３）：８９－９２． Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ａ．Ｃｈｉｂａ，Ｄ．Ｔ．Ｐｏｗｅｒ，Ｍ．Ａ．［￣１ｈ．ｌ／ｌａｎ．Ａｎ Ａｉｒｇａｐ Ｆｌｕｘ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ Ｓｔａｂｌｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｓｐｅｎ－ ｓｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ Ｈｉｓｈ Ｔｏｒｑｕｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏ－ ｔｏｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ＩＡＳ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ，１９９９：１５４３－１５５０． Ｂ．Ｋ．Ｂｏｓｅ，Ｎ＿Ｒ．Ｐａｔｅ１．ａｎｄ Ｋ．Ｒａｊａｓｈｅｋａｒａ．Ａ Ｎｅｕｒｏ－ Ｆｕｚｚｙ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ－Ｌｉｎｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ａ Ｓｔａｔｏｒ ｌＦｕｘ．．Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｖｅｃｔｏｒ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｄｅ Ｉｎｄｕｃｆｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ａｐｒ，１９９７，（４＿４）： ２７０－２７３． Ｍ．Ｎ．Ｕｄｄｉｎ，Ｔ．Ｓ．ｎａｄｗａｎ，ａｎｄ Ｍ．Ａ．Ｒａｈｉｎａｎ．Ｐｅｒｆｏｒｍ－ ｎａＣｅＳ ｏｆ Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｂａｓｅｄ Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｍ．Ｉｎｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔ．，Ｓｅｐｔ．／Ｏｃｔ． ２００２，（３８）：１２１９－１２２５． 张宏荃，王晓琳．基于逆变器开关状态的无轴承异步电机悬 浮系统独立控制［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２００４，３６ （５）：６Ｏ６－６Ｏ９． 邓智泉，王晓琳．无轴承异步电机悬浮子系统独立控制的研 究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３（９）：１０７－ｌｌ１． 作者简介：曹昌平（１９７８一），男，西安人，硕士研究生，从 事电力电子与电力拖动自动控制系统的研究。
