無軸承電機徑向力控制技術分析及應用研究

王雅璐

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 211156）

近年來，電力行業的生產技術水平在不斷提高，其中電機作為電力技術的重要代表，電機控制技術的發展速度也較快，功能也更為豐富。其中無軸承電機結合了磁懸浮軸承和電機的功能，具有無摩擦、無磨損、無污染、無須潤滑、免維護運行、高耐久性、高速以及高精度的優點。相較于磁懸浮軸承，無軸承電機降低了系統復雜性和轉子軸向長度，無軸承電機在機床主軸、渦輪分子泵、飛輪儲能、人工心臟以及要求高潔凈度環境的半導體產業等領域具有廣泛的應用前景。本文系統分析了無軸承電機徑向力控制技術，并介紹了具體的控制方法實現原理，在實際的無軸承電機生產制造過程中可以進行應用。

1 無軸承電機

1.1 無軸承電機概述

電機在工業生產和社會生活中都具有重要的應用，基本已經滲透應用到了社會中的多個不同行業，并提供了可靠的動力來源。傳統的電機設備在實際使用過程中，可能會存在一定的不足之處，為了克服傳統電機在使用過程中的缺點，應對電機技術進行改進。隨著現代電機生產制造技術水平的提高，無軸承電機將會是今后電機技術領域中的重要發展趨勢，圖1為無軸承感應電機的實物圖。無軸承永磁同步電機是具有無軸承特點的永磁同步電機，在具有上述無軸承電機優點的同時還具有結構簡單、運行可靠、高效率、高功率密度和扭矩密度、高魯棒性以及適用于高速等優點。

圖1 無軸承感應電機

1.2 無軸承電機中的控制技術

為了保障無軸承電機的安全可靠運行，應在無軸承電機的控制系統中采取先進的軟件控制算法，提高無軸承電機控制系統的應用性能，更好地保證無軸承電機的使用安全。在無軸承電機控制系統中，需要結合自動化控制技術、數學建模技術、數學優化算法、軟件系統仿真技術等，對無軸承電機在后期運行在可能會遇到的問題進行仿真分析，達到提高無軸承電機設計質量的目的。通過軟件仿真技術，可以在軟件系統中觀測到無軸承電機中的各個運行變量曲線，并和所預期的曲線進行比對，觀測無軸承電機控制模型中的參數是否需要進行調整、控制算法是否需要改變等。經過對控制系統進行不斷的調節，最終達到優化無軸承電機控制系統的目的。

2 無軸承電機徑向力控制技術分析

2.1 無軸承電機控制技術應用的必要性

在無軸承電機中，采用控制技術具有較強的必要性，是保證無軸承電機運行穩定的關鍵措施。無軸承永磁同步電機是一個多變量、非線性、強耦合的系統，解耦控制是實現無軸承永磁同步電機穩定工作的難點。轉子磁場定向控制可以實現電磁轉矩與徑向懸浮力之間的解耦控制。但是，理論分析證明，在徑向位移x，y之間也存在較強的非線性耦合問題，這會影響轉子懸浮的穩態誤差與響應速度等靜態與動態性能。由于電機系統參數的變化，轉子徑向偏心力的線性補償對于系統控制性能的提高有限，因此需要采用可以實現對轉子徑向偏心力精確補償的控制方法。并且可以解決無軸承永磁同步電機中存在的α，β方向上位移之間非線性耦合的問題，提高無軸承永磁同步電機轉子懸浮的控制精度和動態響應速度等。

2.2 無軸承電機徑向力控制原理

在分析和設計無軸承電機控制系統前，需要把握好無軸承電機中具體的徑向力控制原理，根據控制原理設計電機中的硬件結構。在無軸承電機中，轉矩繞組磁鏈與轉子角位置觀測器包括轉矩繞組磁鏈觀測器和轉子角位置觀測器。轉矩繞組磁鏈觀測器通過采集的無軸承永磁同步電機定子繞組相電流和相電壓，使用電壓-電流磁鏈辨識法得到所需的磁鏈值。轉子角位置觀測器為基于鎖相環的滑模觀測器，通過采集的無軸承永磁同步電機定子繞組相電流和相電壓，使用滑模觀測算法得到擴展反電動勢的觀測值和經過鎖相環系統提取轉子的位置信息。

2.3 無軸承電機徑向力控制步驟

在無軸承永磁同步電機徑向力精確補償解耦控制方法中，包含如下步驟：步驟一是徑向位移傳感器提供轉子位置信號x，y與參考位置比較得到位置誤差信號ex，ey。步驟二是位置控制器對位置誤差信號ex,ey進行放大，得到徑向力。步驟三是徑向位移傳感器提供的轉子位置信號x，y以及轉子角位置觀測信號θ作為神經網絡的輸入，得到轉子偏心補償力fsx，fsy。步驟四是對步驟二中的徑向力fα和fβ和步驟三中的偏心補償力fsx，fsy疊加得到參考徑向力經過力/電流轉換輸出參考電流轉矩繞組磁鏈觀測器為力/電流轉換提供其計算所必須的轉矩繞組磁鏈信息。步驟五是參考電流經過電流PI控制器輸出電壓信號作為電壓型逆變器的輸入，產生懸浮繞組所需的驅動電流。

3 無軸承電機徑向力控制技術的應用

3.1 無軸承電機徑向力控制技術的應用優勢

本文所分析的無軸承電機徑向力控制技術，在實際的應用中具有明顯的優勢，主要的優勢包括以下幾點：（1）使用神經網絡可以以任意精度近似任意連續系統的能力，對永磁同步電機轉子偏心力進行精確補償，實現轉子在α，β方向上位移之間的非線性解耦，提高了無軸承永磁同步電機轉子懸浮的控制精度與動態響應速度等性能。（2）無軸承永磁同步電機轉子懸浮子系統的控制基于αβ靜止坐標系，避免了dq旋轉坐標系和αβ靜止坐標系之間復雜的坐標變換，減少了運算量的同時簡化了控制系統結構。（3）使用獨立的扭矩繞組磁鏈和轉子角位置觀測器，實現了轉矩繞組和懸浮繞組之間的獨立控制，使轉矩繞組控制策略的選擇具有更多的自由性。

3.2 無軸承電機徑向力控制技術的應用要點

無軸承電機徑向力控制技術在實際應用過程中，應把握相關的技術要點，提高無軸承電機徑向力的控制效率。無軸承永磁同步電機轉子在α，β方向上的位移之間存在較強的非線性耦合，如果在控制中不進行偏心力的補償解耦，會降低系統整體的動態和靜態控制性能。傳統線性偏心力補償的方式忽略了x，y位移之間耦合的非線性以及電機系統參數的變化，因此對懸浮子系統控制性能的提高有限。此外，神經網絡能夠以任意精度近似任意連續系統，通過樣本離線訓練得到的神經網絡系統可以對x，y位移之間非線性耦合進行精確的在線識別，進而通過對轉子偏心力進行精確補償的方式實現x，y位移之間的非線性解耦，提高轉子懸浮系統的控制精度與響應速度。

3.3 無軸承電機徑向力控制技術的應用趨勢

在無軸承電機徑向力控制系統的設計中，主要包括無軸承電機機械系統設計和電磁系統的設計等，在無軸承電機設計過程中，應把握好具體的電機參數，如電機的尺寸大小、電機中氣隙的長度等，這些都將會對無軸承電機的運行產生直接的影響。

在目前的無軸承電機徑向力控制技術體系中，還存在著較大的技術提升空間，可以采取更好的控制算法。隨著用戶對無軸承電機控制性能要求的提高，今后在無軸承電機徑向力控制技術方面，將會采用效果更好的控制技術，以使無軸承電機能夠更好地服務于實際應用。

4 結語

隨著電機控制技術的發展，很多先進的控制技術都已經應用在實際電機裝置的生產過程中。本文所分析的無軸承電機徑向力控制技術，可以為無軸承電機控制系統的設計提供一定的參考價值。