基于滑模观测器的永磁无轴承电机控制
陈 东, 贺益康, 年 珩, 黄 雷
(浙江大学电气工程学院,浙江杭州 310027)
摘 要:在永磁无轴承电机转矩系统的磁场定向控制策略的基础上,提出了一种基于滑模观测器的永磁无轴承电机转子位置-速度的观测方法。通过检测转矩绕组电流对转子位置进行估测,实现了无轴承电机的无速度传感器运行。给出了基于滑膜观测器无速度传感器运行控制的永磁无轴承电机系统框图和控制程序流程,并对观测器的效果进行了试验研究,结果表明了该观测器的可行性和实用性。
关键词:永磁电机;磁悬浮;滑模观测器;无位置传感器
中图分类号: TM302∶TM351 文献标识码:A 文章编号:1673-6540(2008)10-0009-05
引 言
无轴承电机是一种在电枢中嵌入极对数相差为1的2套绕组的交流电机。其运行时气隙中会存在2种不同极对数的磁场,相互作用下能产生电磁转矩和维持转子悬浮的径向悬浮力,实现电机的无机械支撑旋转运动[1]。
永磁同步电机(PermanentMagnet Synchro-nousMotor, PMSM)控制方便、高功率密度、高效率,应用广泛。将无轴承技术应用于PMSM领域,可以使永磁电机在具备悬浮能力的同时兼具PMSM的各项优点,从而能够进一步满足高转速和大功率应用场合对电机性能的高要求,使其在高速机床、飞轮储能及涡轮分子泵等领域都有着广泛的应用前景。
要实现永磁无轴承电机(PermanentMagnetSynchroous BearinglessMotor, PMBLM)的稳定悬浮运行,必须对转子的位置和转速进行精确检测[2]。传统的机械式转子位置-速度传感器在超高速运行情况下,存在机械安装、连接及可靠性方面的问题,限制了无轴承电机在高速、超高速领域的应用。将无速度传感器技术应用于无轴承电机不仅可以克服机械传感器所带来的问题,而且可以降低系统成本,具有很强的实用价值。PMSM的转子位置-速度自检测技术大致可分为两种[2]:一种是根据电机的基波模型对转子的位置进行估算;另一种则是通过跟踪转子的空间凸极实现位置-速度自检测。其中第二种方法是通过注入持续高频电压信号来获得转子位置,可以实现低速甚至零速下的位置检测,但其信号处理过程较为
1. 3 PMBLM无速度传感器控制框图
PMBLM无速度传感器控制系统原理如图1所示,主要由滑模观测器、悬浮绕组控制器和转矩绕组控制器三部分组成。
滑模观测器通过检测转矩绕组的电流来观测转子的位置信号和转速信号。
从位移传感器获得的径向位移信号通过静止/旋转坐标系变换后,得到d-q坐标系中的位移量x、y;与参考位移比较后的误差,经过PID调节分别得到可控悬浮力d、q轴分量的参考信号;再通过可控悬浮力的数学模型计算得出悬浮绕组电流的参考值;悬浮电流参考值与来自滑模观测器的位置信号一起输入至悬浮绕组的电流调节器中,经过坐标变换和空间矢量脉宽调制(SVPWM)后,输出控制逆变器的脉宽调制(PWM)触发信号,以实时控制逆变器提供给悬浮绕组的电流,产生期望的可控悬浮力。
转矩绕组采用磁场定向控制策略。电流传感器的采样信号输入滑模观测器中以获得转子的位置和速度信号;速度信号与速度参考值比较后的误差经过PI调节器产生相应的q轴电流参考值;然后与位置观测信号一起输入到电流调节器以产生相应的SVPWM信号,控制逆变器电流,进而实现对电机转速和电磁转矩的有效控制。
2 控制系统的实现
2. 1 系统的硬件设计
为了实现图1的控制策略,以TMS320F2812芯片为核心,设计了全数字控制系统,其硬件结构框图如图2所示。要同时实现无轴承电机的稳定悬浮和旋转调速,必须同时对转矩和悬浮两套绕组的逆变器进行独立控制。由于TMS320F2812芯片带有两个事件管理器,可以同时输出两路PWM信号;芯片的最高时钟频率高达150 MHz,可进行32位的定点计算,能满足观测器控制算法中高精度和大计算量的要求。转矩绕组控制器的硬件系统由速度传感器(用于验证观测器精确度)、电流传感器、信号调理和保护电路、隔离和驱动电路、不控整流器、逆变器等组成,分别完成测量转速、检测电流、信号调理和过流保护、整流和逆变等功能。悬浮绕组控制器的硬件结构与转矩绕组相似,只是无需速度检测,而以检测转子径向位移的两个位移传感器代之。
2. 2 系统的软件设计
图3为系统的控制程序流程图,由主程序和中断服务子程序组成。主程序完成系统的初始化和各相关外设资源的寄存器设置。触发中断后,中断服务子程序依次读取位移和电流的采样信号;速度观测器根据采样电流数据完成位置和转速观测;速度环计算出转矩绕组电流参考值,位移环计算出悬浮绕组电流的参考值;转矩和悬浮电流参考值分别通过各自的电流环和SVPWM模块输出PWM信号,实现无轴承电机对转矩和悬浮力两个子系统的控制。
3 试验研究
在完成硬件系统构建和软件控制程序编制的基础上,通过试验验证了基于滑模观测器的PM-BLM无速度传感器控制的有效性和实用性。试验所用PMBLM的相关参数如下:转子的转动惯量为0. 244×10-3kg•m²,限位轴承最大偏心位移为0. 35 mm,额定功率为400W,额定电流为2A,额定电压为220 V;转矩绕组极对数为2,悬浮绕组极对数为1,转矩绕组相电阻为1. 911Ω,悬浮绕组相电阻为1. 612Ω;主磁极磁通为0. 160 2Wb;转矩绕组电感为0. 008 5H,悬浮绕组电感为0. 004 8H。
图4(a)、(b)、(c)分别给出了当转速参考值为1 500 r/min时的转子径向位移、转速观测和观测误差波形。试验结果表明,当转子位移在±250μm范围内波动时,电机转子位置的观测能够较好地反映在给定转速下转子的位置信息,使转速的观测误差基本稳定在±10 r/min以内。
图4(d)给出了参考转速为±750 r/min,转子正、反转时位置实测和估算波形。图4(d)表明,当转子突然反转时,观测器也能对转速实现准确跟踪,说明在中、高转速稳态运行时,位置观测器具有相当优良的动态运行性能。
4 结 语
本文根据PMBLM在稳定悬浮时与PMSM的相似性,提出了一种用于观测PMBLM转速的滑模观测器,并设计出以TMS320F2812DSP芯片为核心的PMBLM无速度传感器全数字控制系统。试验结果表明,基于滑模观测器的无轴承电机无速度传感器控制系统能够实现转子的稳定悬浮和无速度传感器运行,具有良好的动、静态运行性能。 |
