基于高频注入法的无轴承异步电机转子位移观测
来源：未知
发布日期：2019-09-23 17:34【大 中 小】
引 言
无轴承电机是根据磁悬浮轴承与普通交流电机定 子结构的相似性，提出的一种适合于高速旋转的新型 电机。在无轴承电机的定子槽中嵌放有两套绕组，即 转矩绕组和悬浮绕组。通过两套绕组所产生的气隙磁 场的叠加，可使电机部分气隙区域的磁场增强，部分气 隙区域的磁场减弱，可产生作用与转子的径向磁悬浮 力。无轴承控制技术可用于各种交流电机，因无轴 承异步电机具有健壮紧凑的结构，已成为国内外研究 的热点之一。要实现无轴承异步电机转子的稳定悬浮 运行，需要对转子径向位移进行实时检测和反馈。采 用位移传感器检测转子径向位移会增加系统成本，而 且存在安装困难。因此，开展研究无轴承异步电机转 子径向位移的自传感检测技术研究，具有重要理论和 实际意义
行辨识，从而推算出转子位移。 目前，高频信号注入法在普通交流电机无速度传 感器控制中已有较多应用; 在无轴承电机无位移传感 器方面亦有报道，在所采用的数学模型和提取信号方 法方面有所不同。文章在无轴承异步电机逆系统解耦 控制基础上，利用转矩绕组和悬浮绕组之间的互感变 化规律，在转矩绕组注入高频电压信号，通过提取悬浮 绕组高频电流信号，进而实现对径向位移的估算。
1 基于高频信号注入法的位移估计原理
1． 1 基本原理
根据无轴承异步电机的电感矩阵方程，可得到 在两相同步旋转。
1． 2 转子径向位移信号的估算
首先将测得的悬浮绕组电流经带通滤波器提取出 高频感应电流信号; 然后经移相器和乘法器进行解调; 最后通过低通滤波器，得到包含转子径向位移信息的 直流信号。
2 无位移传感器控制系统仿真分析
无轴承异步电机无位移传感器控制系 统结构，包括四极转矩控制系统和两极悬浮控制系统。 在转矩控制系统中，为实现转速和磁链解耦控制，采用 逆系统方法实现解耦控制，具体设计方法此处不再 详述。转矩逆系统的输出变量为 d-q 坐标系下的定子 电压，在 d 轴注入高频正弦电压信号。在悬浮控制系 统中，根据第 1． 2 节所述的方法，提取转子的径向位移 信号，将位移估计值用于位移闭环反馈信号，从而实现 无轴承异步电机无位移传感器控制。
( 1) 起动过程中，转速出现了超调，超调量约为 40 r /min，但在 0． 15 s 内稳定运行在给定的 1 500 r /min;
( 2) 电机在起浮阶段，转子的 α 和 β 轴方向位移 都略有超调，但超调量均小于辅助轴承间隙 0． 2 mm。
( 3) 电机启动瞬间，α 轴和 β 轴方向估算的位移偏差 较大; 当电机稳定运行时，误差几乎为 0。的局部放大图可以更加精确地看出，高频信号注入法估算 的位移略小于实际位移。这是由于在高频信号注入法中， 滤波器的加入给系统带来了时间延迟，使得估算的位移滞 后实际位移。但是，此误差数量级很小，对无轴承异步电 机控制系统控制性能的影响可以忽略不计;
3 结束语
为了解决无轴承异步电机中机械式位移传感器安 装困难、成本增加等问题，根据转矩绕组与悬浮绕组之 间的互感耦合特性，研究了基于高频信号注入法的转 子径向位移估算方法。首先在转矩绕组注入高频电压 信号; 然后通过检测提取悬浮绕组中的高频互感电流 信号，用以估算转子径向位移，进而设计出转子径向位 移估算器。控制系统仿真结果表明: 采用文中所提出 的方法，可以较高的精度估算出转子径向位移信号，并 且能实现无轴承异步电机的无位移传感器系统稳定悬 浮运行控制。另外，相比人工智能方法和观测器法，基 于高频信号注入法进行转子位移观测，具有对电机参 数变化不敏感的特点。
