动压气浮轴承永磁同步电机无传感器控制启动策略研究_李玉猛.pdf

第 卷 第 期 年 月空间控制技术与应用 :引引用用格格式式：李玉猛，马官营，惠欣，等 动压气浮轴承永磁同步电机无传感器控制启动策略研究 空间控制技术与应用，（）：，（）：（）：动压气浮轴承永磁同步电机无传感器控制启动策略研究李玉猛，马官营，惠 欣，王 月北京控制工程研究所，北京 摘 要：针对动压气浮轴承永磁同步电机无传感器控制，研究了启动控制策略，设计了三段法 静止状态下转子位置未知，通过预定位使转子转动到可知位置 低速下，反电势信号幅值很小难以得到过零脉冲信号来获取转速信息，因此设计了速度开环加速阶段 开环加速到一定转速时，利用反电势过零脉冲信号进行速度闭环，实现了转速同步控制 恒流驱动时，电机的开环加速曲线可近似为线性规律，并通过仿真和试验进行了验证 开环加速阶段完成后，利用获得的反电势信号实现了闭环控制，电机加速至给定转速，试验结果证明启动策略是可行的关键词：动压气浮轴承永磁同步电机；无传感器控制；启动策略；恒流驱动中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；录用日期：基金项目：装备预研基金项目（）通信作者：引 言动压气浮轴承运行起来无机械接触、仅存在气体介质润滑，因而具有长寿命、高可靠性的优点，适合用于高精度、低噪声陀螺等精密仪器中 动压气体轴承永磁电机不存在定、转子间的机械接触，其寿命在很大程度上取决于电机的启停次数 水平方位下，通过建立运动式分析了 型动压气浮轴承启动力矩和浮起转速之间的关系，在轴承启动过程中，阻力矩呈现出先减小后缓慢增大的变化趋势，随着时间的积累，轴承接触面积先略有增大然后减小，当接触面积为 时，轴承浮起 轴承表面粗糙度对轴承的启动特性也会产生一定的影响，但可通过降低轴承峰顶标准差来提高轴承表面粗糙度加工等级，进而改善轴承启动特性 此外，在不同方位下，动压气浮轴承受到的静摩擦力存在差异，这会影响陀螺电机的启动特性永磁同步电机无位置传感器控制方法众多，根据适用于转速区间的不同可大致分为 类，一类适用于中高转速，另一类适用于零速或低速 类方法相比较而言，低速或零速时对永磁同步电机进行无位置传感器控制要更复杂些 现在常用的无位置传感器控制方法主要包括：滑模观测器法、模型参考自适应法、高频信号注入法、卡尔曼滤波法等 虽然智能控制算法具有一定的普遍适用性，其可以应用于隐极电机，也可以应用于凸极电机，但算法实现相对复杂，因而难以工程化应用 与智能算法相比，高频信号注入法实施起来比较简单，其工作原理是利用转子的凸极性来估计转子位置，然而陀螺用动压气浮轴承永磁同步电机大多采用隐极式转子，同时定子采用无铁心结构，所以该方法并不适用在永磁同步电机众多电气参数中，反电势是一个基本上不随工作特性变化的信号，所以基于反电势的无位置传感器控制得到了广泛应用 然而在低第 期李玉猛等：动压气浮轴承永磁同步电机无传感器控制启动策略研究转速阶段，永磁同步电机的反电势信号幅值很小而难以得到过零脉冲信号，进而不能得到转子位置信息进行正确换相，所以需要设计专用的启动策略本文针对基于反电势的无位置传感器控制，研究了动压气浮轴承永磁同步电机的无传感器启动控制策略，并通过仿真和试验进行了验证 启动控制策略研究对于无传感器控制，永磁同步电机自启动一般采用变压变频的开环启动方法，但电流难以得到有效控制，容易产生过流现象 对于动压气浮轴承永磁同步电机，轴承未浮起前其主要受滑动摩擦力矩，摩擦力矩的大小与轴承表面的磨损程度相关；轴承浮起后其主要受风阻力矩，阻力矩的大小与转速成正比 为了便于控制启动电流的大小，本文采用恒流变频控制策略对动压气浮永磁同步电机进行启动，其控制方案框图如图 所示 启动过程中，速度环处于开环状态，但电流环工作在闭环状态，因此电机定子电流的大小可以得到有效控制，从而避免出现过流 另外，为了保证启动可靠性，电机驱动电流要大于其最大启动电流 通过动压轴承电机启停试验总结得出，电机的最大启动电流约为 ，因此本文设计启动电流不小于 ，以便留有裕量 当电机开环加速到一定转速（本文转速设计值为 ）时，反电势信号幅值已足够大，可以保证得到过零脉冲信号来获取转速信息，进而切入速度闭环实现同步控制图 动压气浮轴承永磁同步电机无传感器控制框图 在动压气浮轴承永磁同步电机启动策略实施过程中，本文采用了三段法，即预定位、开环加速和同步控制 预定位电机启动时，转子位置是未知的，其可能在电角度内的任意位置，为了保证转子能够可靠转动到可知的位置，本文采用了 步定位法根据电磁场原理，永磁同步电机的电磁转矩可计算为()（）()（）式中：转子磁动势，()；每极定子合成磁动势幅值，；基波绕组因数；每相绕组有效匝数；定子铁芯直径；定子铁芯轴向长度；运行磁通密度；转子极数；有效气隙长度；定子电流幅值；空气磁导率；极弧角；定转子磁动势之间的夹角，即转矩角第 步给动压气浮永磁同步电机定子绕组施加的电流如图（）所示，这时定子合成磁动势的方向在 相轴线的反方向上 根据转矩式（），当转子磁动势与定子磁动势的夹角为，即转子磁动势的方向与 相轴线对齐时，如图（）中位置所示，无论定子电流多大，电机产生的电磁转矩始终为零，所以转子不会转动 当转子在其他位置时，如图（）中位置处，只要定子电流足够大，定转子磁动势相互作用产生的电磁转矩就能够牵引转子朝定子合成磁动势的方向运动，并最终定位在图（）空间控制技术与应用第 卷中位置处 图中 图 预定位第 步 由式（）可知，当定子合成磁动势和转子磁动势夹角为 时，可产生最大的电磁转矩，这有利于转子定位 因此，在完成第 步预定位后，转子停止在 相轴线或其反方向时，给动压气浮永磁同步电机定子绕组施加的电流如图（）所示，此时定子合成磁动势的方向与 相绕组轴线成 夹角 无论第 步定位完成后转子停止在图（）的位置处或位置处，在定转子磁动势相互作用下，电机转子最终均定位在图（）的位置处 因此，预定位完成后转子会停止在可知的位置，这有利于动压气浮永磁同步电机的开环加速动压气浮陀螺永磁同步电机的运动式可描述为 （）式中，为电机转动惯量，为机械角加速度，为轴承受到的摩擦力矩，为粘滞摩擦系数，为电机机械转速 转子静止和低转速下，粘滞摩擦转矩可忽略根据牛顿定理，电机转动的机械角位置可计算为（）考虑到定位阶段，电机转动的机械角范围较小，为方便分析，可将机械角加速度看作恒值转子电角度与机械角度之间的关系为（）由式（）至（）可求得 （）（）由前面的分析可知，预定位阶段转子运动的极限角度为 电角度，所以当定子电流幅值一定时，结合经验获得摩擦转矩，可近似估计定位时间图 预定位第 步 开环加速理想情况下，永磁同步电机的空载反电势可表示为 （）（）|（）式中，为空载反电势幅值，为电机电气角第 期李玉猛等：动压气浮轴承永磁同步电机无传感器控制启动策略研究速度根据电机工作原理，永磁同步电机的最佳驱动方式为正弦波驱动，因此本文采用了电流源型正弦波驱动控制 在开环加速启动过程中，定子电流幅值保持不变，其表达式可写为 （）（）|（）将式（）代入式（）可得 （）式中，对于给定的电机为一常数对于动压气浮陀螺永磁同步电机，转速较低时，电机受到的粘滞摩擦力矩非常小，可以近似忽略不计，所以式（）可简化为 （）启动过程中，动压气浮永磁同步电机受到的阻力矩主要为转子与轴承之间的机械摩擦力矩，在轴承表面加工精度良好的情况下，可近似认为摩擦力矩恒定 另外，通过程序设计使转矩角为常值，且在速度开环加速过程中保持不变 因此，从式（）可以看出，在定子电流幅值一定的情况下，电机的角加速度为恒值，所以电机的开环加速规律可近似为线性的 同步控制当动压气浮永磁同步电机开环加速到一定转速时，反电势信号幅值已足够大，可以通过比较电路得到反电势过零脉冲信号 通过计算反电势过零脉冲信号的周期即可得到转速信息，因而可切入速度闭环对于无铁芯动压气浮永磁同步电机来说，定子电感非常小，因此可以忽略定子磁链产生的影响通过端电压式可计算 相绕组的反电势，公式可表示为（）式中，为 相绕组电流，为定子每相绕组电阻，为 相绕组反电势，为电路分压系数图 给出了端电压、反电势、相电流和过零脉冲信号测试波形 本文电机相绕组阻值为 ，因而电阻压降最大为 为了使比较器输入电压不高于供电电压，对计算反电势进行了分压，分压系数为 基于式（），端电压幅值为 时，可计算反电势幅值为 ，与实测值 非常接近 获得反电势信号后，经过比较电路，得到了反电势过零脉冲信号图 电机电信号 仿真与试验结果根据前面的分析，基于 软件搭建了数学模型进行了软件仿真，得到的开环加速曲线如图 所示 同时，采用电流型正弦波驱动电路连接动压气浮永磁同步电机进行了测试，得到了实际开环加速过程中的转速曲线，如图 所示从图 可以看出，仿真和试验得到的电机开环转速曲线基本上随时间成线性增长，这验证了前面理论分析的正确性 实际试验中，开环加速过程电机受到的阻力矩是变化的，一是动压气浮轴承浮起过程中，接触面积逐渐减小导致转子受到的机械摩擦阻力矩减小；二是轴承浮起后，风阻力矩随转速不断增加 由于没有位置信息反馈，转子的实际位空间控制技术与应用第 卷置有可能超前或滞后给定角度，从而使得电机产生的电磁转矩出现局部波动，这会导致转速出现振荡，但整体上呈线性增长图 开环加速速度曲线 开环加速过程中，电机定子电流波形如图 所示，电流幅值保持不变，频率随时间线性增加图 开环加速定子电流波形 同时，借助于反力矩测试仪，获得了动压气浮永磁同步电机在开环加速过程中的转矩曲线，如图 所示 从图中曲线可以看出，开环加速过程电机产生的电磁转矩呈振荡波动趋势，但转矩均大于，其平均转矩约为 ，这保证了电机可持续加速开环加速阶段结束后，为了保证得到真正的反电势信号，设计中添加了滑行等待阶段，即开环加速结束后，电机不施加激励信号，使其处于自由滑行状态，此时电机的端电压信号中主要是反电势信号 图 给出了切入同步控制过程电机的反电势和过零脉冲信号，此时反电势信号的幅值约为 ，因而可以得到可靠的反电势过零脉冲信号 通过过零脉冲信号可获取电机实际转速，借此来切入速度闭环，实现同步控制 图 给出了转速稳定后电机的反电势和过零脉冲信号图 开环加速转矩曲线 图 切入同步控制瞬间电机反电势和过零脉冲信号 图 转速稳定后电机反电势和过零脉冲信号 试验中，动压气浮永磁同步电机从静止、开环加速至同步转速的速度曲线如图 所示 从图中转速曲线可以看出，开环加速完成后，电机控制可正常切入至速度闭环控制，因此电机可以稳定控制在第 期李玉猛等：动压气浮轴承永磁同步电机无传感器控制启动策略研究给定转速图 开环和闭环阶段电机转速曲线 结 论本文针对基于反电势的动压气浮永磁同步电机无位置传感器控制，研究了启动策略，设计了三段法，即预定位、开环加速和同步控制 经过预定位，电机转子可转动到预定的位置，这样可以保证电机在开环加速时获得尽可能大的启动转矩 通过理论推导可知，当定子电流幅值恒定，且阻力矩保持不变的情况下，永磁同步电机的开环加速规律近似成线性变化，并通过仿真和试验进行了验证 当电机开环加速到一定转速后，利用反电势过零脉冲信号获取转速信息切入速度闭环，进而实现同步控制，将电机稳定控制在给定转速上参 考 文 献 韦俊新，刘德钧，李德才，等 长寿命、低功耗、低噪声液浮陀螺仪技术分析 中国惯性技术学报，（）：，（）：王京锋，刘景林，许卫刚 动压气体轴承陀螺电机技术发展综述 微电机，（）：，（）：王京锋，刘景林，卜石 动压气体轴承陀螺电机启停可靠性分析研究 微特电机，（）：，（）：任天明，冯明，忽敏学，等 陀螺电机用 型动压气体轴承启动摩擦特性分析 中国惯性技术学报，（）：，（）：孙丽，张俊 陀螺用 型动压气浮轴承电机启动特性 空间控制技术与应用，（）：，（）：王力，黄科元，黄守道，等 改进的永磁同步电机无传感器快速启动方法 电力电子技术，（）：，（）：秦峰，贺益康，贾洪平 基于转子位置自检测复合方法的永磁同步电机无传感器运行研究 中国电机工程学报，（）：，（）：邓建国，蔡亚辉，黄守道，等 压缩机用永磁同步电机无传感器全速度运行策略研究 中国机械工程，（）：，（）：刘