張 煒,朱熀秋

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

無軸承電機(jī)具有無摩擦、無需潤(rùn)滑、工作壽命長(zhǎng)及高速高精度等優(yōu)點(diǎn)，在特種傳動(dòng)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。其中，由于無軸承永磁薄片電機(jī)(Bearingless Permanent Magnet Slice Motor，BPMSM)轉(zhuǎn)子軸向厚度比直徑小，可以利用永磁氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的被動(dòng)磁阻力實(shí)現(xiàn)軸向和傾斜方向上的被動(dòng)懸浮，將主動(dòng)懸浮力控制減少到徑向二自由度，大大降低了電機(jī)的控制難度。由BPMSM制成的渦輪泵利用附帶永磁轉(zhuǎn)子的葉輪可以實(shí)現(xiàn)在完全密閉的泵室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，在超純流體運(yùn)輸領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。目前，基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的解耦控制策略已相對(duì)成熟的應(yīng)用于無軸承永磁薄片電機(jī)[2]，而這一方法的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子初始位置。

現(xiàn)有的許多不同的方法大都是基于傳統(tǒng)永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法[3-6]，其概括起來可以分為3類：高頻信號(hào)注入法；低頻電壓矢量注入法；基于di/dt類型方法。高頻信號(hào)注入法是給定子繞組內(nèi)注入高頻電壓信號(hào)，利用電機(jī)的凸極效應(yīng)或電感的飽和效應(yīng)，檢測(cè)電流幅值在各相定子繞組內(nèi)的差異性來獲得轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置信息，但這種方法并不適用于表貼式的永磁同步電機(jī)，且依賴于精確的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)。低頻電壓矢量注入法是在定子繞組內(nèi)注入低頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量，根據(jù)注入的電壓矢量和采樣得到的定子電流可得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，從而完成轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)。但轉(zhuǎn)子在初始定位過程中，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子在平衡位置左右震蕩的問題，易縮短電機(jī)壽命。基于di/dt類型方法是利用di/dt和折半查找的方法快速確定轉(zhuǎn)子的初始位置。但由于轉(zhuǎn)子位置在辨識(shí)過程中需要進(jìn)行固定，辨識(shí)結(jié)果容易受到齒槽效應(yīng)的影響。根據(jù)上述方法所提出的缺陷，一些文獻(xiàn)又提出了改進(jìn)措施[7-8]，但都是基于以上3類方法進(jìn)行的優(yōu)化與結(jié)合，檢測(cè)步驟更加復(fù)雜，實(shí)施難度并未降低。此外文獻(xiàn)[9]提出一種基于增量式光電編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)子初始位置信息的方法。通過施加一定的電流矢量，利用定子磁勢(shì)與永磁轉(zhuǎn)子d軸重合轉(zhuǎn)矩為零，不重合產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的特性，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始角度測(cè)量。但在定位過程中較長(zhǎng)的算法執(zhí)行時(shí)間增加了電機(jī)控制的復(fù)雜性，同時(shí)易造成轉(zhuǎn)子不同程度的振動(dòng)現(xiàn)象。

除此之外，傳統(tǒng)的無軸承永磁電機(jī)為避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子磨損定子齒壁，在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)一般安有輔助軸承，以保證電機(jī)啟動(dòng)前轉(zhuǎn)子與定子處于不接觸的狀態(tài)，這無疑增加了電機(jī)尺寸，不利于無軸承電機(jī)向?qū)嵱没较虬l(fā)展。更多的研究人員開始將目光關(guān)注在只需要考慮2個(gè)徑向的自由度就能夠?qū)崿F(xiàn)五個(gè)空間自由度全懸浮的無軸承永磁薄片電機(jī)[10]上，但依然沒有實(shí)質(zhì)性的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)與懸浮同步。因此，需要尋找到一個(gè)簡(jiǎn)單有效地方法快速檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置，盡可能大的發(fā)揮無軸承電機(jī)無磨損，無潤(rùn)滑的優(yōu)勢(shì)。

本文提出了一種簡(jiǎn)單有效地?zé)o軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置快速檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)前轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)。利用無軸承電機(jī)特有的檢測(cè)轉(zhuǎn)子徑向位移的硬件結(jié)構(gòu)——電渦流傳感器，通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)相對(duì)于中心位置的偏移量來確定某一極的永磁體指向，初步假定同步坐標(biāo)系d軸正方向。然后在此基礎(chǔ)上，給懸浮力繞組通電，根據(jù)轉(zhuǎn)子表現(xiàn)出來的偏移變化量，進(jìn)一步精確判定永磁體N/S極分別所指方向，修正d軸正方向，從而得到正確的轉(zhuǎn)子初始位置信息，保證電機(jī)轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)與懸浮同步。

1 無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮機(jī)理

本文研究的BPMSM包含兩套繞組，分別是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的一對(duì)極轉(zhuǎn)矩繞組PM=1和產(chǎn)生懸浮力的二對(duì)極懸浮力繞組PB=2，轉(zhuǎn)矩繞組除產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩外，還為懸浮力的產(chǎn)生提供偏置磁場(chǎng)。

徑向懸浮力產(chǎn)生原理如圖1所示，僅當(dāng)轉(zhuǎn)矩繞組通電時(shí)，將產(chǎn)生2極磁通(用實(shí)線表示)，此時(shí)轉(zhuǎn)子表面所受徑向力合力為零；僅當(dāng)懸浮力繞組通電時(shí)，產(chǎn)生4極磁通(用虛線表示)，轉(zhuǎn)子表面所受徑向力合力也為零，均不會(huì)產(chǎn)生懸浮力。在電機(jī)運(yùn)行過程中，兩套繞組同時(shí)通電，產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生可控徑向懸浮力。若按照?qǐng)D1(a)所示方向給繞組通電，x軸正半軸氣隙處的磁密增加，x軸負(fù)半軸氣隙處的磁密減小，產(chǎn)生沿x軸正方向的徑向懸浮力。當(dāng)懸浮力繞組中通入相反的電流時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生x負(fù)方向的徑向懸浮力。同理，產(chǎn)生沿y軸正方向的徑向懸浮力原理如圖1(b)所示。

圖1 無軸承永磁薄片電機(jī)徑向懸浮力產(chǎn)生原理

2 轉(zhuǎn)子初始位置定位原理

由于無軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子上表貼有永磁體，若要保證電機(jī)啟動(dòng)前轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)，即在轉(zhuǎn)矩繞組不通電的情況下，僅依靠永磁體和懸浮力繞組電流產(chǎn)生穩(wěn)定的徑向懸浮力。準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)上述條件的關(guān)鍵。

利用永磁體與鐵磁體之間始終趨向于磁阻最小的特性，電機(jī)未通電流時(shí)，平行充磁的2極永磁體轉(zhuǎn)子緊貼在電機(jī)定子齒壁上，偏移方向?yàn)橛来朋w某一磁極指向，但并不能確定是哪一極,如圖2所示。由轉(zhuǎn)子在偏移方向的偏移量gx、gy可以確定其位置角度λ，計(jì)算公式為

圖2 轉(zhuǎn)子靜止時(shí)位置及初始角度計(jì)算

(1)

然而，通常無軸承永磁薄片電機(jī)由于定子極靴的存在，電渦流位移傳感器的機(jī)械安裝可能無法精確到靜止坐標(biāo)軸上，使得轉(zhuǎn)子位移gx、gy不能準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)量，造成一定的誤差。由于本文采用的試驗(yàn)樣機(jī)是爪極式無軸承永磁薄片電機(jī)且所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是基于該電機(jī)測(cè)得，如圖3所示。轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)徑的氣隙長(zhǎng)度g0為1 mm，其六個(gè)鐵心柱分別繞有A、B、C三相懸浮力繞組，每相鄰兩個(gè)鐵心柱在圓周上的夾角為π/3(即A相與B相之間的夾角2π/3)，六個(gè)位移傳感器均勻分布在電機(jī)定子側(cè)。圖3中電渦流傳感器1～6分別處于每?jī)蓚€(gè)鐵心柱的中間，能夠測(cè)量6路信號(hào)，經(jīng)差分比較計(jì)算以后送出3路位移信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)處理。假設(shè)傳感器1、4測(cè)量得到的位移差為d1，傳感器2、5測(cè)量得到的位移差為d2，傳感器3、6測(cè)量得到的位移差為d3，從而轉(zhuǎn)子偏移的位置角度值λ′可以計(jì)算為

(2)

因計(jì)算值范圍為(-π/2,π/2)，所以還需要計(jì)算得到的位置角位于哪一個(gè)角度區(qū)間內(nèi)，如圖3所示。

圖3 爪極式無軸承永磁薄片電機(jī)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子初始位置

根據(jù)圖3確定好薄片轉(zhuǎn)子偏移的角度值位于哪一個(gè)角度區(qū)間后，再由式(3)可以得到薄片轉(zhuǎn)子在靜止X-Y坐標(biāo)系下的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置角度值λ。

(3)

圖4 轉(zhuǎn)子在XY軸上的偏移量與角度區(qū)間

圖5給出了在360°電角度周期范圍內(nèi)，每間隔10°電角度，轉(zhuǎn)子理論偏移量計(jì)算值與電渦流傳感器在靜止坐標(biāo)系XY軸的實(shí)際偏移量測(cè)量值對(duì)比圖。從圖中可看出位置檢測(cè)在X軸誤差Δx<0.063 m，在Y軸誤差Δy<0.058 m，檢測(cè)平均誤差為|Δg|≈0.036 m，此轉(zhuǎn)子位移測(cè)量誤差很小，足夠滿足轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的需求。

圖5 轉(zhuǎn)子在XY軸上的偏移量與實(shí)際位置角度

3 轉(zhuǎn)子初始位置定位流程

圖6 無軸承永磁薄片電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始定位流程圖

由于緊貼在定子齒壁的永磁體磁極不是N極就是S極。所以定位時(shí)正常計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子角度λ的變化次數(shù)不可能超過兩次，當(dāng)超過兩次檢測(cè)轉(zhuǎn)子偏移量Δg仍未發(fā)生變化時(shí)，則證明由絕對(duì)偏移量gx、gy得到的位置角度λ計(jì)算存在誤差，需要重新檢測(cè)轉(zhuǎn)子偏移位置，確定偏移角度λ。同時(shí)由于電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙很小，永磁體與定子齒間的磁阻力很大，同樣可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子懸浮失敗的可能。當(dāng)初步假定d軸正方向后，給電機(jī)定子繞組施加足夠的懸浮電流矢量，轉(zhuǎn)子可能無法回到中心位置，而是沿著定子齒壁快速產(chǎn)生一段小的旋轉(zhuǎn)，使得永磁體另一磁極緊貼在定子齒壁上。轉(zhuǎn)子未發(fā)生真正懸浮，而懸浮力電流仍在持續(xù)增加中，可能導(dǎo)致過流而損壞電機(jī)，因此同樣需要復(fù)位重新檢測(cè)轉(zhuǎn)子偏移位置，確保轉(zhuǎn)子真正懸浮。

由圖6所示，一旦磁極指向檢測(cè)正確，轉(zhuǎn)子開始懸浮后，為了避免其他意外情況的發(fā)生，需要在啟動(dòng)前通入適量的id電流來保持轉(zhuǎn)子初始角度λ不發(fā)生任何變化。

圖7給出了經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)子一周范圍內(nèi)實(shí)際角度與檢測(cè)角度對(duì)比結(jié)果及誤差，實(shí)線表示轉(zhuǎn)子的實(shí)際角度，虛線表示轉(zhuǎn)子檢測(cè)角度，點(diǎn)軌跡表示轉(zhuǎn)子檢測(cè)角度與實(shí)際角度之間的誤差，從圖中可以看出，出現(xiàn)了極少數(shù)的檢測(cè)誤差超過50°的情況，角度檢測(cè)完全不一致。這是由于轉(zhuǎn)子在某一特定角度，使得轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁極與定子齒壁的距離恰好相等，造成兩個(gè)磁極的中間部分緊貼在定子齒壁上造成的。經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)子平均檢測(cè)誤差為4.78°，產(chǎn)生這些微小誤差的主要原因可能包括：電流采集系統(tǒng)采樣誤差、電渦流傳感器的安裝誤差、電機(jī)本體氣隙磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱等。但由于誤差足夠小，并不會(huì)對(duì)無軸承永磁薄片電機(jī)正常起動(dòng)控制造成影響。

圖7 轉(zhuǎn)子檢測(cè)位置及其誤差

轉(zhuǎn)子從定位開始到實(shí)現(xiàn)懸浮過程中轉(zhuǎn)子的絕對(duì)偏移量Δg與精確角度λ計(jì)算所用的時(shí)間存在一定關(guān)系。當(dāng)手動(dòng)撥動(dòng)轉(zhuǎn)子初始位置角度分別在λ=0°，30°，45°，60°，90°，并以永磁體的任意磁極方向緊貼在定子齒壁時(shí)，圖8給出了轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)完全懸浮所用時(shí)間的長(zhǎng)短與轉(zhuǎn)子的絕對(duì)偏移量Δg的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)子初始位置角度在λ=0°時(shí)，轉(zhuǎn)子絕對(duì)偏移量Δg在算法執(zhí)行后就開始變化，在約50 ms后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。當(dāng)轉(zhuǎn)子初始位置角度分別在λ=45°，60°和90°時(shí)，轉(zhuǎn)子絕對(duì)偏移量Δg在40 ms后開始變化，在約90 ms后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。當(dāng)轉(zhuǎn)子初始位置角度在λ=30°時(shí)，轉(zhuǎn)子絕對(duì)偏移量Δg在60 ms后開始變化，在約110 ms后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。由此表明由位移傳感器計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子角度基本與實(shí)際的某一磁極指向相一致。同時(shí)轉(zhuǎn)子絕對(duì)偏移量Δg在不同的時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，說明轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)時(shí)角度λ雖然出現(xiàn)了若干次數(shù)的改變，但最終能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法的有效與可行性，基于一臺(tái)4 kW無軸承永磁薄片電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行確定轉(zhuǎn)子初始位置后的懸浮試驗(yàn)。采用基于DSP(TMS320F2812)的數(shù)字控制平臺(tái)，搭建無軸承永磁薄片電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。根據(jù)電機(jī)懸浮控制策略：為保證轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，必須實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)出轉(zhuǎn)子的偏心位移，并作為位移閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋量輸入到DSP中進(jìn)行實(shí)時(shí)有效地反饋控制，QH8500電渦流傳感器利用其線性傳輸特性，將傳感器測(cè)到的與轉(zhuǎn)子表面的距離值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，滿足控制系統(tǒng)的輸入條件，因此采用QH8500電渦流傳感器作為樣機(jī)轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)裝置[11]，其樣機(jī)本體與電渦流傳感器如圖9所示，參數(shù)如表1所示。

圖9 無軸承永磁薄片樣機(jī)及其電渦流傳感器

表1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)

圖10給出了分別手動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置角度為0°和180°，即永磁體N極緊貼靜止坐標(biāo)系X軸正方向和負(fù)方向的定子齒壁時(shí)，懸浮力A相繞組的電流波形。參照?qǐng)D3所示電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于0°位置時(shí)，轉(zhuǎn)子N極與X軸正方向一致，若要使轉(zhuǎn)子懸浮，則需要一個(gè)X軸負(fù)方向的懸浮力，此時(shí)A相電流幅值達(dá)到IA=4.03 A。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于180°位置時(shí)，轉(zhuǎn)子N極與X軸負(fù)方向一致，若要使轉(zhuǎn)子懸浮，則需要一個(gè)X軸正方向的懸浮力，此時(shí)A相電流幅值為IA=3.92 A。綜合實(shí)驗(yàn)所得電流波形，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于任意位置時(shí)都能夠觸發(fā)懸浮力繞組響應(yīng)，迫使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。

圖10 懸浮力A相繞組的電流波形

圖11為電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下即轉(zhuǎn)矩繞組未通電時(shí)轉(zhuǎn)子的軌跡圖及位移波形，其中圖11(a)由上到下依次為x和y方向的徑向位移。此時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)角度為2.81°，由兩圖可看出薄片轉(zhuǎn)子在x軸正方向偏心位移范圍為±180 μm左右，在y軸方向上的偏心位移范圍為±220 μm左右。從而證明了基于電渦流傳感器能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置角度。

圖11 在靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)子的軌跡圖及位移波形

5 結(jié) 語

(1)針對(duì)無軸承永磁薄片電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置不確定的問題，提出了一種基于電渦流傳感器確定轉(zhuǎn)子初始位置的方法。

(2)相比較于傳統(tǒng)永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位方法，該方法僅通過無軸承永磁薄片電機(jī)特有的電渦流傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子偏移量和簡(jiǎn)單算法來確定轉(zhuǎn)子角度，檢測(cè)方法更加簡(jiǎn)單、有效，同時(shí)估算時(shí)間更短，有助于無軸承電機(jī)的發(fā)展。

(3)為進(jìn)一步推進(jìn)無軸承永磁薄片電機(jī)無位置傳感運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展，提供了有效地幫助。

由于該方法僅分析和試驗(yàn)在轉(zhuǎn)子永磁體為1對(duì)極的無軸承永磁薄片電機(jī)中，對(duì)于轉(zhuǎn)子為多對(duì)極的無軸承永磁電機(jī)來說，采用該方法需調(diào)整部分執(zhí)行算法和進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。