基于電磁耦合補償反饋抑制的無刷直流電機控制仿真

殷若鵬，尤冬石，劉亞龍

（1中國石油西氣東輸管道公司鄭州管理處，鄭州　450008；2中國石油西氣東輸管道公司浙江管理處，杭州　310008；3中國石油西氣東輸管道公司山西管理處，太原　030001）

基于電磁耦合補償反饋抑制的無刷直流電機控制仿真

殷若鵬1，尤冬石2，劉亞龍3

（1中國石油西氣東輸管道公司鄭州管理處，鄭州450008；2中國石油西氣東輸管道公司浙江管理處，杭州310008；3中國石油西氣東輸管道公司山西管理處，太原030001）

永磁無刷直流電機的電氣自動化控制是保障電機可靠工作的關鍵，無刷直流電機受到電磁耦合器時隙擾動導致控制指向性不好，電流輸出失穩。提出一種基于電磁耦合補償反饋跟蹤抑制的無刷直流電機控制技術，首先進行了永磁無刷直流電機的等效電路模型設計，分析了無刷直流電機的感應電能傳輸原理，進行電機控制算法改進設計，分析控制約束參量模型并進行了控制目標函數構建。采用電磁耦合補償反饋跟蹤技術實現電磁耦合器時隙擾動誤差補償，提高電機輸出的穩定性。仿真結果表明，該電機自動化控制模型具有較好的輸出增益，對輸出的電流、電壓、功率等參量的調制性能較好。

電磁耦合；電氣自動化控制；無刷直流電機

0　引 言

永磁直流電機按照有無電刷可分為永磁無刷直流電機和永磁有刷直流電機。永磁無刷直流電機根據電磁耦合器的電磁場感應特性，結合磁損耗抑制進行交流發電，永磁無刷直流電動機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機，具有體積小、效率高、結構簡單、用銅量少等優點，廣泛運用在各種大型和小型的電氣設備中，比如船舶、航空、機械等行業都具有廣泛的應用。永磁無刷直流電機的電氣自動化控制是保障電機可靠工作的關鍵，無刷直流電機受到電磁耦合器時隙擾動導致控制指向性不好，電流輸出失穩，需要進行電機的優化控制，研究永磁無刷直流電機的電磁耦合控制算法具有重要意義。

當前，對永磁無刷直流電機的控制方法主要有基于模糊神經網絡的控制方法、基于模糊PID控制的電機控制方法、基于小波分析的電機控制方法等［1-3］，上述方法通過構建永磁無刷直流電機的電壓、電流等約束參量模型，通過控制目標函數研究實現電機優化控制，取得了一定的成果，其中，文獻［4］提出一種基于電壓增益自適應線性反饋補償的永磁無刷直流電機的耦合控制算法，以功率損耗與效率為約束參量模型實現優化控制，結合粒子群算法進行控制優化，提高了輸出增益，但是該算法計算開銷較大，實現困難。文獻［5］提出一種基于驅動器功率因子自適應加權的永磁無刷直流電機的控制方法，采用蟻群覓食的仿生技術，進行控制算法改進，采用共振激勵控制，提高了電機的輸出功率增益，但該控制方法的收斂性不好，容易受到不確定因素的擾動較大，需要進行控制算法的改進［6-8］。針對上述問題，本文提出一種基于電磁耦合補償反饋跟蹤抑制的無刷直流電機控制技術，首先進行了永磁無刷直流電機的等效電路模型設計，分析了無刷直流電機的感應電能傳輸原理，進行電機控制算法改進設計，分析控制約束參量模型并進行了控制目標函數構建。采用電磁耦合補償反饋跟蹤技術實現電磁耦合器時隙擾動誤差補償，提高電機輸出的穩定性。最后通過仿真實驗進行了性能測試和分析，得出有效性結論。

1　永磁無刷直流電機的輸出模型等效電路分析和被控對象描述

1.1永磁無刷直流電機的輸出模型等效電路分析

為了實現對永磁無刷直流電機的優化控制，降低輸出誤差，提高電機的輸出功率增益，需要進行永磁無刷直流電機的原理分析和等效電路設計，以實現電能的高效傳輸。永磁無刷直流電機的線圈序列采用磁共振模式，將接收的電能經過共振線圈實現感應電能的傳輸，得到永磁無刷直流電機的電能傳輸原理圖如圖1所示，圖中永磁無刷直流電機的次級共振環節帶有“SS”補償功能，采用“T”型等效構建永磁無刷直流電機的電能傳輸系統拓撲結構如圖2所示。

圖1　永磁無刷直流電機的電能傳輸原理Fig.1 Electric energy transmission principle of permanent magnet brushless DC motor

圖2　永磁無刷直流電機的電能傳輸系統拓撲結構Fig.2 Topology of the power transmission system of permanent magnet brushless DC motor

在上述構建的永磁無刷直流電機的電能傳輸系統拓撲結構的基礎上，進行被控對象的參量分析和控制目標函數構建。

1.2被控對象描述和控制約束參量分析

依據永磁無刷直流電機的接收線圈進行控制模型的參數分析，在最大功率傳輸目標函數控制下，電機的電磁感應線圈的電感計算公式為：

其中，n為永磁無刷直流電機線圈匝數；a為永磁無刷直流電機矩形天線的邊長；b為永磁無刷直流電機的互感優化值；d為永磁無刷直流電機的電磁感應線圈布線使用的線圈導體的直徑。同理，得到電機控制的開關電路和諧振感應強度為：

其中，n、a、b意義同上；x為電機的初級側和次級側垂直距離；μ為線圈處于諧振狀態的磁場常數，且μ=4π×10-7H/m；I為線圈中的前導時隙。

當線圈處于諧振狀態時，無刷直流電機受到電磁耦合器時隙擾動，此時電機的電磁耦合器諧振角頻率為ω0。假設電磁耦合線圈電流有效值為Ip，則初級側線圈1的輸出電流為Is，然后計算電感Llp、Lls，在共振線圈2上計算永磁無刷直流電機的初級補償電流Ir、負載Ro，得到永磁無刷直流電機諧振條件下補償控制的輸出有效值分別為：

對前導時隙擾動下漏感進行自適應反饋補償，得到電機控制模型的反射阻抗為Zrl：

在并聯情況下，根據Lyapunove穩定性控制原理，得到永磁無刷直流電機的軸向偏移阻抗值Zrl、Zsr、Zps分別為：

根據上述對永磁無刷直流電機的控制對象描述，結合控制約束參量分析，通過電流補償方法追蹤的AD采樣模塊中，異步存儲器空間連續讀取0x00字節的待配置電機的控制參量數據，SPI存儲器可以是8位和16位的，從串行的TWI存儲器進行程序加載，進行電機控制。

2　電機控制模型改進設計

綜上可知，在完成了電機的等效電路分析和約束參量分析的基礎上，則需進行電機控制優化設計。在永磁無刷直流電機的漏感和自感傳輸過程中，無刷直流電機受到電磁耦合器時隙擾動導致控制指向性不好，電流輸出失穩。傳統方法采用神經網絡控制方法，控制精度不高，為了克服傳統方法的弊端［9-11］，本文提出一種基于電磁耦合補償反饋跟蹤抑制的無刷直流電機控制技術，采用電磁耦合補償反饋跟蹤技術實現電磁耦合器時隙擾動誤差補償，提高電機輸出的穩定性。根據電壓呈現超負荷計算漏感和勵磁電感Cp和Cs，電機矢量控制目標函數在諧振條件下的值取決于漏感和工作頻率，得到永磁無刷直流電機的電磁耦合器的定/轉子鐵芯磁阻的關系式為：

這里，基于已經建立的等效電路，以此將重點分析直流電機的電磁轉矩，結合電磁耦合器“T”型電路，得到永磁無刷直流電機的電磁耦合輸出的各部分阻抗分別為：

結合上文進行的有關電磁耦合的增益和負載計算的研究成果，此處采用自適應反饋跟蹤控制律進行電氣自動化控制，此時永磁無刷直流電機的電壓增益主要由負載、頻率決定。繞組表面處的永磁體體積決定了流過電磁耦合器兩側的電流。通過電容輸出補償，計算其余線圈的電壓增益，分別為：

其中，在時隙擾動下，控制干擾向量的不確定誤差輸出參量分別為：

在電磁耦合器中，模糊控制系統包括了電機的磁滯損耗、渦流損耗和傳導損耗。通過時滯二自由度控制，進行磁滯損耗抑制，得到電磁耦合器的功率損耗決定了電機的控制輸出增益，采用電磁耦合反饋補償跟蹤抑制，得到模糊時滯特性參數，此時輸出的功率損耗為：

由損耗可以計算永磁無刷直流電機抗干擾模糊控制的效率：

此時，永磁無刷直流電機的勵磁繞組線圈的輸出功率為：

在擾動誤差干擾下，電機的傳輸效率為：

式中，ε為一個小的常數。永磁體磁場下fu（χ）定義為：

其中，σ為一個諧振條件下補償電容常數。通過優化控制，永磁無刷直流電磁耦合器傳動矢量控制狀態方程為：

式（31）中，gNa為電磁耦合器的時滯系數，αm為電磁轉矩的最優輸出轉速，gL為電機的線圈轉動慣量，h為產生的磁通電場。至此，利用上文研發提出的控制模型改進設計，將可有效抑制電機的時隙干擾，并且提高了電機的輸出增益和穩定性。

3　仿真實驗與結果分析

為了測試本文設計的電機控制模型的應用性能，進行仿真實驗，實驗中首先進行參數設定，考慮由永磁體形成的非正弦磁密，永磁無刷直流電機的稀土永磁材料的磁密取值即在1.2～3.5之間，轉矩輸出為10 N·m，永磁無刷直流電機的軸向偏移Px=0.96k″xB1.5maxf1.5，磁導率μ0=4π×10-7H/m，其它參數設定如表1所示。

表1　永磁無刷直流電機控制參數設置Tab.1 Permanent magnet brushless DC motor control parameter setting

基于上文參數設定的實驗背景，進行永磁無刷直流電機控制仿真，采用有限元分析方法，分析永磁無刷直流電機的3D磁場分布，得到仿真結果如圖3所示。從圖3可見，采用本文方法進行永磁無刷直流電機控制，3D磁場分布均衡，展示了較好的控制性能。

圖3　永磁無刷直流電機的磁場分布仿真結果Fig.3 Simulation results of magnetic field distribution of permanent magnet brushless DC motor

為了進一步定量分析本文控制算法的實現性能，以輸出的電流、電壓、功率等參量的調制性能為測試指標，采用本文方法和傳統方法，得到對比結果如圖4所示。

圖4　永磁無刷直流電機的控制參量的調制性能對比Fig.4 Comparison of modulation performance of control parameters of permanent magnet brushless DC motor

從圖4可見，采用本文方法進行電機控制，具有較好的輸出控制性能，電流、電壓、功率等參量的調制性能較好，抗干擾能力較強，提高了電機控制的品質，穩定性好，魯棒性較高。

4　結束語

本文研究了永磁無刷直流電機的電氣自動化控制方法，無刷直流電機受到電磁耦合器時隙擾動導致控制指向性不好，電流輸出失穩。本文提出一種基于電磁耦合補償反饋跟蹤抑制的無刷直流電機控制技術，首先進行了永磁無刷直流電機的等效電路模型設計，分析了無刷直流電機的感應電能傳輸原理，而后提出了電機控制算法改進設計，研究了控制約束參量模型并給出了控制目標函數構建。采用電磁耦合補償反饋跟蹤技術實現電磁耦合器時隙擾動誤差補償，提高電機輸出的穩定性。仿真結果表明，該電機自動化控制模型具有較好的輸出增益，對輸出的電流、電壓、功率等參量的調制性能較好，展示了較好的應用價值。

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Control simulation of brushless DC motor based on electromagnetic coupling
compensation feedback suppression

YIN Ruopeng1，YOU Dongshi2，LIU Yalong3
（1 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Zhengzhou Management Office，Zhengzhou 450008，China；2 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Zhejiang Management Office，Hangzhou 310008，China；3 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Shanxi Management Office，Taiyuan 030001，China）

The permanent magnet brushless DC motor’s electric automation control is the key to ensure the reliable operation of the motor，the brushless DC motor is caused by the slot disturbance of the electromagnetic coupler and the control direction is not good. Propose the brushles DC motor control technology based on feedback compensation of electromagnetic coupling to suppress the tracking. First of all，design a permanent magnet brushless DC motor equivalent circuit model，analyze the no brush DC motor inductive power transmission principle，give out improvement design of the motor control algorithm，analyze control constrained parametric model and constructs the control objective function.The electromagnetic coupling compensation feedback tracking technique is used to compensate the time slot disturbance error compensation which could improve the stability of the output of the motor.The simulation results show that the model has a good output gain，and the modulation performance of the output current，voltage，power and other parameters is better.

electromagnetic coupling；electric automation control；brushless DC motor

TP273

A

2095-2163（2016）03-0074-04

2016-05-12

殷若鵬（1989-），男，學士，助理工程師，主要研究方向：電氣自動化；尤冬石（1990-），男，學士，助理工程師，主要研究方向：天然氣儲運工程；劉亞龍（1989-），男，學士，助理工程師，主要研究方向：天然氣儲運工程。