核心提示：　　無軸承電機是一種結(jié)構(gòu)新穎的交流電機，其定子中嵌放有兩套不同極對數(shù)的繞組一轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組，通過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，實現(xiàn)了電機非接觸、無潤滑和

　　無軸承電機是一種結(jié)構(gòu)新穎的交流電機，其定子中嵌放有兩套不同極對數(shù)的繞組一轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組，通過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，實現(xiàn)了電機非接觸、無潤滑和無機械摩擦旋轉(zhuǎn)。

　　由于無軸承電機結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高，能同時實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和大功率，已成為高速電機驅(qū)動領(lǐng)域研究的熱點。

　　根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，無軸承電機可分為感應(yīng)型、永磁型、磁阻型三種。為達到轉(zhuǎn)矩與懸浮力的解耦，感應(yīng)型無軸承電機采用氣隙磁場定向的控制方式，永磁型無軸承電機采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制方式|3，磁阻型無軸承電機采用定子磁場定向方式W.這些高性能控制方法都需檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，獲得磁場定向所需磁通的精確空間位置，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力解耦控制，確保轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮運行。傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)子的空間位置和速度都是采用機械式傳感器來檢測，因而有安裝、連接、可靠性等問題。對于無軸承電機而言，使用機械式位置/速度傳感器有著更大的局限性，因為傳感器本身在機械上難以或無法實現(xiàn)高速、超高速化，從而會嚴重限制無軸承電機固有的優(yōu)良高速性能的發(fā)揮。

　　研究無軸承電機的無傳感器運行已成為無軸承電機技術(shù)進一步發(fā)展的需要，但目前尚未有涉及這個研究命題。對于無軸承電機來說還可以有無徑向位移傳感器運行，但從影響高速化和全面體現(xiàn)無軸承電機特性來說，研究無位置/速度傳感器運行更具實際意義。

　　中國電機工程學院交流傳動中無傳感器運行是指利用電機繞組機，在靜止a-0坐標系中電機定子的轉(zhuǎn)矩繞組電中的有關(guān)電量信息，通過適當?shù)奶幚砉浪愠鲛D(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無機械位置/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方法，其中大多數(shù)都是通過檢測基波反電勢來獲得轉(zhuǎn)子的位置信息M.這類方法雖然簡單，但在零速或低速時會因反電勢過小或根本無法檢測致使低速適應(yīng)性差。另外，由于要利用基波電壓和電流信號來計算轉(zhuǎn)子位置fB速度，因此對電機參數(shù)的變化很敏感，魯棒性差。無軸承電機從靜止到起浮、從低速到高速轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮是電機得以運轉(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精度的影響，所以基于基波信息的位置檢測方法難以滿足無軸承電機的控制需要。

　　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)子位置自檢測新方法。這種方法要求電機具有一定程度的凸極性，需要施加持續(xù)高頻激勵，但可以實現(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。此外這種方法追蹤的是電機轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng)，因而對電機參數(shù)的變化不敏感，魯棒性好。由于無軸承電機一般都須專門設(shè)計，轉(zhuǎn)子的凸極性正好可以通過電機設(shè)計來保證，這實際上是實現(xiàn)了傳感器與電機的集成。所以移植這種轉(zhuǎn)子位置自檢測方法應(yīng)用于無軸承電機控制中具有現(xiàn)實的可行性和重要的工程實際意義。

　　本文首先介紹采用高頻電壓載波注入方法對內(nèi)插式永磁型無軸承電機轉(zhuǎn)子空間凸極實現(xiàn)跟蹤的原理，討論轉(zhuǎn)子位置自檢測的方法，建立了內(nèi)插式永磁型無軸承電機無傳感器運行控制模型，利用Matlab進行轉(zhuǎn)子空間凸極效應(yīng)自檢測的驗證和無傳感器運行仿真，給出了轉(zhuǎn)子懸浮運行時動、靜態(tài)性能，驗證本文所提出方法的正確性和可行性。

　　對稱，即，軸電感大小不等，這就為通過注入高頻載波信號來跟蹤轉(zhuǎn)子凸極提供可能。利用凸極效應(yīng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的跟蹤時需要分析高頻電壓激勵下電機的電流響應(yīng)，為此需建立高頻電壓激勵下永磁型無軸承電機數(shù)學模型。

　　（1）高頻激勵下永磁型無軸承電機的數(shù)學模型永磁型無軸承電機本質(zhì)上是一臺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or、y表示坐標系中分量；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，可通過逆變器將高頻電壓信號直接迭加在無軸承電機轉(zhuǎn)矩繞組的基波電壓激勵上。設(shè)高頻電壓信號的角頻率為叫，幅值為1，則在靜止a-0坐標系中注入高頻電壓信號可表示為定子轉(zhuǎn)矩繞組輸入總電壓則可表示為注入高頻電壓信號的頻率一般遠遠高于運行的基波頻率，對于高頻信號激勵電機呈現(xiàn)為近似純感抗，式（1）、（2）的電機模型可以簡化為根據(jù)式⑶、（5）可求得高頻電壓激勵下電機的電流響應(yīng)為分析式（6）可以看出，只有負相序電流分量包含有轉(zhuǎn)年珩等：永磁型無軸承電機的無傳感器運行研究，ju）k2IRN2N4子的位置信息但必須用適當?shù)男盘柼幚砑夹g(shù)將它提取出來以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的檢測。

　　（2）基于空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測方法為了提取高頻電流響應(yīng)信號負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。高頻注入信號頻率遠比基波頻率高，載波頻率又遠比高頻注入信號頻率高，故基波頻率和載波頻率信號都可通過常規(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)電流信號的負相序分量。高頻電流信號濾波流程框圖如所示。

　　高頻響應(yīng)電流濾波流程濾除無關(guān)信號后，被跟蹤的信號將是一個相位由轉(zhuǎn)子或磁通角調(diào)制的旋轉(zhuǎn)電流矢量，可利用所示轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器來實現(xiàn)其空間位置的檢測。跟蹤觀測器用外差法解調(diào)出空間凸極調(diào)制的負序高頻電流。通過簡單的信號分析可得到如下矢量角誤差表達這樣，通過調(diào)節(jié)使矢量角誤差趨于零，就可使轉(zhuǎn)子位置的估計值式收斂于真實值氏。取式對時間的微分，就能獲得轉(zhuǎn)子角速度處。

　　3永磁型無軸承電機控制模型永磁型無軸承電機的控制分為電磁轉(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)子磁場定向矢量控制方式；懸浮力控制則是通過轉(zhuǎn)子徑向位移偏移量檢測算出懸浮力，再生成懸浮繞組的輸入電流信號來實現(xiàn)控制，所以獲得準確、可用于實時計算的懸浮力表達式是對懸浮繞組控制的關(guān)鍵。

　　同步速旋轉(zhuǎn)坐標系中永磁型無軸承電機懸浮力可表示為廣於」

　　在懸浮力控制中，可以通過檢測轉(zhuǎn)子位移的偏移誤差來生成懸浮力值/巧，再按下式計算出懸浮繞組電流的值~h從式（10）中可以看出，對于一臺內(nèi)插式永磁型軸承電機，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懸浮力信號求得，從而達到控制轉(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在內(nèi)的無軸承電機控制系統(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4、心、/4、后，輸入到轉(zhuǎn)矩繞組實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的中國電機工程學院解耦控制。在懸浮力控制中，檢測出的轉(zhuǎn)子實際徑向位移與徑向位移相比較后，誤差信號通過PID調(diào)節(jié)獲得懸浮力值0，再通過式計算出懸浮繞組的電流<、G.這兩相電流信號經(jīng)2少/3少轉(zhuǎn)換成三相電流信號‘、、/二后，控制電機懸浮繞組電流以產(chǎn)生出期望的懸浮力，實現(xiàn)各種狀態(tài)下的穩(wěn)定懸浮運行。

　　4永磁型無軸承電機無傳感器運行研究在導(dǎo)出的空間凸極跟蹤轉(zhuǎn)子位置自檢測方法和永磁型無軸承電機懸浮力解析表達后，可在控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過仿真來驗證永磁型無軸承電機無傳感器運行的可行性和正確性。仿真所用內(nèi)插式永磁型無軸承電機參數(shù)參見附錄。

　　高頻響應(yīng)電流矢量的空間運動軌跡。這是一個隨轉(zhuǎn)子空間凸極位置變化而旋轉(zhuǎn)的橢圓，長軸為（ip+Z），短軸為（/p-/），長軸與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，轉(zhuǎn)子位置角為時間的函數(shù)，其增大方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向一致，表明了依賴轉(zhuǎn)子位置的凸極的存在和該轉(zhuǎn)子位置檢測方法的有效性。

　　法在永磁型無軸承電機中應(yīng)用的實用性，進行了高速和低速下有、無機械位置/速度傳感器永磁型無軸承電機運行仿真對比。和分別表示了電機0-60r/min轉(zhuǎn)/分和0-6000r/min的空載起動過程轉(zhuǎn)速變化及轉(zhuǎn)子0（垂直）方向位移變化曲線。靜止時初始氣隙偏心為Aa=Ay0=O.3mm.可以看出，有、無傳感器運行方式特性基本無差異，說明基于空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測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，確保電機從靜止到給定速度均能實現(xiàn)成功起動和穩(wěn)定懸浮運行。為了進一步驗證這種轉(zhuǎn)子空間位置自檢測方為考核無軸承電機無傳感器運行控制系統(tǒng)的抗負載擾動能力，進行了額定轉(zhuǎn)速下的突加額定負載的仿真，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及P方向徑向位移變化的動態(tài)響應(yīng)如所示。仿真結(jié)果對比表明，基于空間凸極跟蹤檢測的位置估算方法在負載擾動的動態(tài)條件下也能有效地保證無軸承電機轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，獲得和有機械位置傳感器系統(tǒng)一樣良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。但同時也要看出，由于動態(tài)過程中轉(zhuǎn)子位置觀測仍會出現(xiàn)估算偏差，對轉(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：永磁型無軸承電機的無傳感器運行研究bookmark6為解決機械式速度/位置傳感器在無軸承電機中應(yīng)用的局限性，本文提出了一種基于電機空間凸極跟蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測方法。該方法采用高頻電壓信號注入技術(shù)，擺脫了傳統(tǒng)基波信息檢測、參數(shù)辨識等處理方式，因而能夠在全速度范圍內(nèi)有效地檢測轉(zhuǎn)子的空間位置，實現(xiàn)電機的穩(wěn)定懸浮運行。仿真結(jié)果表明，在凸極程度較高的內(nèi)埋式永磁型無軸承電機中，應(yīng)用這種轉(zhuǎn)子位置自檢測方法能獲得較高的轉(zhuǎn)子位置觀測精度，確保無軸承電機實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和磁懸浮力的有效解耦，保障各種運行條件下的良好運行性能。這是一種將位置/速度傳感器集成于電機內(nèi)部的無傳感器調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)新思路，對于無軸承電機的實用化定將有深遠意義。