基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)?？刂?/h1>
2015-01-13 01:55:28王沖
微特電機(jī) 2015年12期
王 沖
(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安223003)
0 引 言
隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)作為方便快捷的代步工具已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)汽車(chē)保有量已經(jīng)超過(guò)1.4 億輛，隨之也帶來(lái)能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大不可忽視的問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)高性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)和清潔的新能源汽車(chē)對(duì)于我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換裝置是不可或缺的一部分。相比于傳統(tǒng)的蓄電池，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)以其比能量高、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、免維護(hù)等特點(diǎn)，得到了各國(guó)學(xué)者的青睞［1］。但是傳統(tǒng)軸承因?yàn)榇嬖谀Σ聊p，會(huì)對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生一定的制約。相比于單純使用磁軸承支承，新型的無(wú)軸承電機(jī)將電機(jī)與磁軸承集成一體，不僅克服了磁軸承軸向空間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足，還具有轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、無(wú)需潤(rùn)滑和密封等優(yōu)點(diǎn)，更適合作為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)［2］。文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)鐵心無(wú)軸承電機(jī)/發(fā)電機(jī)，并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和懸浮力進(jìn)行了有限元分析。文獻(xiàn)［4］提出一種外轉(zhuǎn)子型的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)/發(fā)電機(jī)，飛輪直接安裝在外轉(zhuǎn)子表面;并設(shè)計(jì)了樣機(jī)，進(jìn)行了轉(zhuǎn)子懸浮測(cè)試。文獻(xiàn)［5］提出一種單繞組無(wú)軸承飛輪電機(jī)，并分析了徑向懸浮力動(dòng)態(tài)電流補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)［6］提出一種應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)軸承交流單極電機(jī)，并分析了懸浮力模型。但是，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)軸承電機(jī)在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的中的應(yīng)用尚處于樣機(jī)設(shè)計(jì)階段，對(duì)于控制系統(tǒng)的研究還并不多見(jiàn)，而電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)狀況多、模型易失配，要求控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化以及不確定的外部干擾具有較強(qiáng)的魯棒抑制能力。
本文介紹了無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)懸浮力產(chǎn)生的原理，并建立了數(shù)學(xué)模型;對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)模控制進(jìn)行改進(jìn)，采用兩自由度的內(nèi)?？刂品椒?并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)和懸浮力子系統(tǒng)的內(nèi)?？刂破鳎肕ATLAB/Siumlink 仿真平臺(tái)搭建仿真模型，并與傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)方式進(jìn)行對(duì)比。最后，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，轉(zhuǎn)子能夠在沒(méi)有機(jī)械接觸的情況下穩(wěn)定懸浮。
1 徑向懸浮力產(chǎn)生的原理
如圖1 所示，無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由定子軛、定子齒、轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體和轉(zhuǎn)軸組成，定子齒均勻分布在定子軛內(nèi)表面，轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組采用集中繞組的形式，同時(shí)疊繞在定子齒上。其中，三相轉(zhuǎn)矩繞組A 相、B 相和C 相分別由A1，A2，A3，A4線圈，B1，B2，B3，B4 線圈和C1，C2，C3，C4 線圈串聯(lián)構(gòu)成。懸浮力繞組a1 和a2 構(gòu)成a 套懸浮力繞組，b1 和b2 構(gòu)成b 套懸浮力繞組，c1 和c2 構(gòu)成c套懸浮力繞組，每套懸浮力繞組都能獨(dú)立產(chǎn)生xoy平面的內(nèi)的任意懸浮力。永磁體以表貼式安裝在轉(zhuǎn)子表面，轉(zhuǎn)子鐵心套在轉(zhuǎn)軸上。
圖1 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體截面圖
無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)懸浮力產(chǎn)生的原理主要是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子周?chē)臍庀洞琶墚a(chǎn)生的。如圖1 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到30°時(shí)，向a1 懸浮力繞組中通入如圖1 所示方向的電流，原有的氣隙磁密平衡被打破，使得氣隙1 處的磁通密度增加，氣隙2 處的磁通密度減小，產(chǎn)生沿著x 軸正方向的可控懸浮力;同理，當(dāng)給懸浮力繞組a2 通電時(shí)也會(huì)使得轉(zhuǎn)子周?chē)臍庀洞琶懿黄胶?，從而產(chǎn)生沿著y 軸方向的可控懸浮力，兩者合成就可以得到所需的懸浮力。所以，當(dāng)我們對(duì)通入a 套懸浮力繞組中的電流的大小和方向進(jìn)行調(diào)整時(shí)，就可以得到在xoy 平面內(nèi)任意方向的可控懸浮力。圖2 是每套懸浮力繞組通電時(shí)產(chǎn)生的相位圖［7］。
2 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型
2.1 轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
在無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，其轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)工作原理和數(shù)學(xué)模型與傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似。其三相繞組的電壓方程:
式中:ua，ub和uc為轉(zhuǎn)矩繞組相電壓;ia，ib和ic為轉(zhuǎn)矩繞組相電流;ea，eb和ec為轉(zhuǎn)矩繞組相電動(dòng)勢(shì);R為轉(zhuǎn)矩繞組電阻;L 為轉(zhuǎn)矩繞組自感;M 為轉(zhuǎn)矩繞組兩相間互感。
采用Y 型聯(lián)結(jié)時(shí)，ia+ib+ic=0，式(1)可簡(jiǎn)化:
電磁轉(zhuǎn)矩方程式可表示:
式中，Ω 是電機(jī)的機(jī)械角速度。
電壓平衡方程:
式中:U 是輸出電壓;E 是電樞繞組反電動(dòng)勢(shì);Id是電樞繞組電流;R 是電樞繞組電阻;ΔU 是功率開(kāi)關(guān)管壓降。
2.2 懸浮力子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子主要受到兩種懸浮力。一種是由轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的不平衡磁拉力。當(dāng)轉(zhuǎn)子未發(fā)生偏心時(shí)，轉(zhuǎn)子周?chē)琶軐?duì)稱(chēng)分布，轉(zhuǎn)子受到的合力為零;當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心時(shí)，轉(zhuǎn)子周?chē)琶懿辉倨胶?，所受合力不為零，即產(chǎn)生了沿著氣隙長(zhǎng)度減小方向的不平衡磁拉力。第二種是懸浮力繞組通電產(chǎn)生的電磁力。因?yàn)檗D(zhuǎn)子不再處于中心位置，所以需要給懸浮力繞組通電，產(chǎn)生電磁力以克服偏心產(chǎn)生的不平衡磁拉力，這樣才能使轉(zhuǎn)子的所受合力始終指向中心位置。不平衡磁拉力和電磁力相互作用，才能夠保持轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸?。?］。
由于轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的不平衡磁拉力:
式中:lm為永磁體厚度;g 為平均氣隙長(zhǎng)度;μ0為真空磁導(dǎo)率;S 為磁路的有效截面積;Br為剩磁密度。
懸浮力繞組a11通電時(shí)的電磁力:
根據(jù)對(duì)電磁力Fa11的分析推導(dǎo)過(guò)程，可得懸浮力繞組a12通電時(shí)產(chǎn)生的電磁力:
由式(6)、式(7)可得懸浮力繞組a1對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力合力:
式中:N 為懸浮力繞組匝數(shù);ia為懸浮力繞組通入的電流。
轉(zhuǎn)子沿著x 軸方向的合力為式(5)所示的不平衡磁拉力和式(8)所示的懸浮力共同作用形成，可以表示:
設(shè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量m，不考慮外加干擾力分量(主要為轉(zhuǎn)子重力)，則無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程:
3 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)
3.1 內(nèi)?？刂?/h3>
內(nèi)?？刂剖且环N以過(guò)程數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的先進(jìn)控制策略，與傳統(tǒng)的反饋控制相比，其優(yōu)點(diǎn)是具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力且能兼顧穩(wěn)定性。
控制系統(tǒng)的抗擾性和跟隨性是衡量交流調(diào)速系統(tǒng)的的兩大重要技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的單自由度內(nèi)?？刂破髟趨?shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)跟隨性和抗擾性進(jìn)行平衡，在參數(shù)調(diào)節(jié)上增加了難度。圖3 是一種兩自由度內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)，其中，Gp(s)為被控對(duì)象;Gm(s)為數(shù)學(xué)模型(s)為內(nèi)?？刂破?(s)為前饋控制器;R(s)，U(s)和Y(s)分別為參考輸入、控制輸出和系統(tǒng)輸出;d(s)為外部干擾。(s)調(diào)整系統(tǒng)的抗擾性，(s)調(diào)整系統(tǒng)的跟隨性［8］。
3.2 轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)部分與傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)其建?？梢缘玫綗o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖4 所示。［9］。
圖4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
從圖4 中可以看出，在電流環(huán)內(nèi)存在反電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生的交叉反饋，這意味著轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對(duì)電流環(huán)有一定的影響。但是在實(shí)際過(guò)程中，電流環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程比轉(zhuǎn)速變化和反電動(dòng)勢(shì)變化要快得多。即當(dāng)電流調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)，反電勢(shì)只有很小的變化，因此在電流調(diào)節(jié)器快速調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以認(rèn)為反電勢(shì)E基本不變。則可以對(duì)電流環(huán)做簡(jiǎn)化處理，得到如圖5 所示的電流環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。
圖5 電流環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖
圖6 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖
將簡(jiǎn)化后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與兩自由度內(nèi)模控制相結(jié)合可以到如圖7 所示的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)框圖。
圖7 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)模控制系統(tǒng)框圖
設(shè)計(jì)低通濾波器:
則對(duì)應(yīng)的內(nèi)?？刂破骱颓梆伩刂破鞣謩e:
3.3 懸浮力子系統(tǒng)內(nèi)模控制器設(shè)計(jì)
根據(jù)式(10)、式(11)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，在忽略外部干擾的情況下，可以得到懸浮力子系統(tǒng)的傳遞函數(shù):
則設(shè)計(jì)x 軸內(nèi)?？刂破骷扒梆伩刂破?
同理，y 軸內(nèi)?？刂破骷扒梆伩刂破?
無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。
圖8 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
4 仿真結(jié)果及試驗(yàn)
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的有效性，利用MATLAB/Simulink 工具箱搭建控制系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果顯示，圖9 為電機(jī)轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線，電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，在0.4 s時(shí)下降到1 000 r/min，實(shí)行減速運(yùn)行。由圖9 可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)速幾乎無(wú)超調(diào)，能迅速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速(小于0.1 s)，在0.4 s 突加負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)生階躍變化時(shí)，跟蹤時(shí)間短，系統(tǒng)的抗擾性和跟隨性良好。圖10 為轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，保證了電機(jī)能夠在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，由于摩擦轉(zhuǎn)矩的影響，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩不為零，在0.4 s 負(fù)載突變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也隨之階躍變化。
圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線
圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線
圖11(a)和圖11(c)分別為使用所設(shè)計(jì)的內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)和傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)下x 軸徑向位移階躍響應(yīng)曲線;圖11(b)和圖11(d)為使用上述兩種控制系統(tǒng)下y 軸徑向位移階躍響應(yīng)曲線。從圖11 中可以看出，使用內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的徑向位移響應(yīng)曲線比使用PID 控制系統(tǒng)的徑向位移響應(yīng)曲線更加平穩(wěn)，位移發(fā)生突變時(shí)幾乎無(wú)超調(diào)。當(dāng)x 軸方向位移給定突變時(shí)或y 方向位移給定突變時(shí)，徑向位移之間并沒(méi)有相互影響，驗(yàn)證了徑向力之間的動(dòng)態(tài)解耦效果。且當(dāng)在0.4 s 突加負(fù)載和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，x軸方向和y 軸方向位移也不受影響，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和徑向力之間實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)解耦，保證了無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。
圖11 兩種控制系統(tǒng)下的徑向位移響應(yīng)曲線
最后通過(guò)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，樣機(jī)本體為無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，采用TMS320F2812 DSP 進(jìn)行控制。試驗(yàn)結(jié)果如下，圖12 是轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，從圖12 中可以看出，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間為0. 12 s，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，轉(zhuǎn)速相對(duì)比較平穩(wěn)。圖13 是轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)子位置圖，可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子能夠懸浮于中心。圖14 是轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后x，y 軸的位移響應(yīng)曲線，從圖中可見(jiàn)，x，y 軸的位移波動(dòng)大約在200 μm 左右，波動(dòng)不是很大，并且與圖13 相一致。由此可見(jiàn)，電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮，懸浮性相對(duì)良好。
5 結(jié) 語(yǔ)
無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種新型的高性能電機(jī)，作為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)中飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、狀況多變等情況，提出使用內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)控制無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，以提高系統(tǒng)的跟隨性和魯棒性。本文介紹了無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)徑向懸浮力產(chǎn)生的原理，并構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型并結(jié)合兩自由度內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)，分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和懸浮力子系統(tǒng)的內(nèi)?？刂破鳌Ｍㄟ^(guò)仿真結(jié)果我們可以看出，相比于經(jīng)典PID 控制系統(tǒng)，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)具有更加優(yōu)越的抗干擾性能，為系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性提供了保障，使系統(tǒng)具有更好的跟隨性和魯棒性。最后，樣機(jī)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。
［1］ 張邦力，胡漢春，何青，等. 飛輪儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能狀態(tài)控制研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(6):100－102.
［2］ 劉奕辰，朱熀秋. 無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.微電機(jī)，2014，47(8):74－78.
［3］ OOSHIMA M，KITAZAWA S，CHIBA A，et al.Design and analyses of a coreless－stator－type bearingless motor/generator for clean energy generation and storage systems［J］. IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(10):3461－3463.
［4］ OOSHIMA M，KOBAYASHI S，TANAKA H. Magnetic suspension performance of a bearingless motor/generator for flywheel energy storage systems［C］//IEEE Power and Energy Society General Meeting，2010:1－4.
［5］ YUAN Y，SUN Y，HUANG Y.Radial force dynamic current compensation method of single winding bearingless flywheel motor［J］.IET Power Electronics，2015，8(7):1224－1229.
［6］ SEVERSON E，NILSSEN R，UNEDLAND T，et al. Suspension force model for bearingless AC homopolar machines designed for flywheel energy storage［C］//2013 7th IEEE，GCC Conference and Exhibition，2013:274－279.
［7］ 陳雷剛，朱熀秋.無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)徑向懸浮力精確數(shù)學(xué)模型［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(36):75－81.
［8］ 周志超.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制及其在變槳距系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.
［9］ 李志坤，讓余奇.基于內(nèi)?？刂频闹绷鳠o(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.艦船電子工程，2009，29(2):188－191.
猜你喜歡
卷取機(jī)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)優(yōu)化卷形四川冶金(2018年1期)2018-09-25 02:39:26 基于FPGA的雙繞組無(wú)刷直流電機(jī)軟件設(shè)計(jì)電子制作(2017年1期)2017-05-17 03:54:12 基于AL1676的單繞組LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)照明工程學(xué)報(bào)(2016年3期)2016-06-01 12:18:01 容錯(cuò)逆變器直接轉(zhuǎn)矩控制策略通信電源技術(shù)(2016年1期)2016-04-16 04:57:26 基于三步隱式Adams法的同步電機(jī)阻尼繞組電流計(jì)算電測(cè)與儀表(2016年2期)2016-04-12 00:24:42 基于內(nèi)?？刂频腟SSC前饋解耦控制策略研究四川電力技術(shù)(2015年5期)2015-12-19 11:04:52 10KV配變繞組材質(zhì)鑒別初探云南電力技術(shù)(2015年2期)2015-08-23 01:31:52 基于三自由度內(nèi)模解耦控制的VSC-MTDC性能分析電測(cè)與儀表(2015年16期)2015-04-12 00:44:32 一種基于內(nèi)模控制的光伏逆變器功率控制策略電測(cè)與儀表(2015年20期)2015-04-09 11:53:56 高頻開(kāi)關(guān)電源模糊內(nèi)模PID控制器設(shè)計(jì)電測(cè)與儀表(2015年21期)2015-04-09 11:52:12
王 沖
(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安223003)
0 引 言
隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)作為方便快捷的代步工具已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)汽車(chē)保有量已經(jīng)超過(guò)1.4 億輛，隨之也帶來(lái)能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大不可忽視的問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)高性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)和清潔的新能源汽車(chē)對(duì)于我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換裝置是不可或缺的一部分。相比于傳統(tǒng)的蓄電池，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)以其比能量高、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、免維護(hù)等特點(diǎn)，得到了各國(guó)學(xué)者的青睞［1］。但是傳統(tǒng)軸承因?yàn)榇嬖谀Σ聊p，會(huì)對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生一定的制約。相比于單純使用磁軸承支承，新型的無(wú)軸承電機(jī)將電機(jī)與磁軸承集成一體，不僅克服了磁軸承軸向空間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足，還具有轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、無(wú)需潤(rùn)滑和密封等優(yōu)點(diǎn)，更適合作為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)［2］。文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)鐵心無(wú)軸承電機(jī)/發(fā)電機(jī)，并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和懸浮力進(jìn)行了有限元分析。文獻(xiàn)［4］提出一種外轉(zhuǎn)子型的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)/發(fā)電機(jī)，飛輪直接安裝在外轉(zhuǎn)子表面;并設(shè)計(jì)了樣機(jī)，進(jìn)行了轉(zhuǎn)子懸浮測(cè)試。文獻(xiàn)［5］提出一種單繞組無(wú)軸承飛輪電機(jī)，并分析了徑向懸浮力動(dòng)態(tài)電流補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)［6］提出一種應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)軸承交流單極電機(jī)，并分析了懸浮力模型。但是，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)軸承電機(jī)在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的中的應(yīng)用尚處于樣機(jī)設(shè)計(jì)階段，對(duì)于控制系統(tǒng)的研究還并不多見(jiàn)，而電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)狀況多、模型易失配，要求控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化以及不確定的外部干擾具有較強(qiáng)的魯棒抑制能力。
本文介紹了無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)懸浮力產(chǎn)生的原理，并建立了數(shù)學(xué)模型;對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)模控制進(jìn)行改進(jìn)，采用兩自由度的內(nèi)?？刂品椒?并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)和懸浮力子系統(tǒng)的內(nèi)?？刂破鳎肕ATLAB/Siumlink 仿真平臺(tái)搭建仿真模型，并與傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)方式進(jìn)行對(duì)比。最后，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，轉(zhuǎn)子能夠在沒(méi)有機(jī)械接觸的情況下穩(wěn)定懸浮。
1 徑向懸浮力產(chǎn)生的原理
如圖1 所示，無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由定子軛、定子齒、轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體和轉(zhuǎn)軸組成，定子齒均勻分布在定子軛內(nèi)表面，轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組采用集中繞組的形式，同時(shí)疊繞在定子齒上。其中，三相轉(zhuǎn)矩繞組A 相、B 相和C 相分別由A1，A2，A3，A4線圈，B1，B2，B3，B4 線圈和C1，C2，C3，C4 線圈串聯(lián)構(gòu)成。懸浮力繞組a1 和a2 構(gòu)成a 套懸浮力繞組，b1 和b2 構(gòu)成b 套懸浮力繞組，c1 和c2 構(gòu)成c套懸浮力繞組，每套懸浮力繞組都能獨(dú)立產(chǎn)生xoy平面的內(nèi)的任意懸浮力。永磁體以表貼式安裝在轉(zhuǎn)子表面，轉(zhuǎn)子鐵心套在轉(zhuǎn)軸上。
圖1 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體截面圖
無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)懸浮力產(chǎn)生的原理主要是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子周?chē)臍庀洞琶墚a(chǎn)生的。如圖1 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到30°時(shí)，向a1 懸浮力繞組中通入如圖1 所示方向的電流，原有的氣隙磁密平衡被打破，使得氣隙1 處的磁通密度增加，氣隙2 處的磁通密度減小，產(chǎn)生沿著x 軸正方向的可控懸浮力;同理，當(dāng)給懸浮力繞組a2 通電時(shí)也會(huì)使得轉(zhuǎn)子周?chē)臍庀洞琶懿黄胶?，從而產(chǎn)生沿著y 軸方向的可控懸浮力，兩者合成就可以得到所需的懸浮力。所以，當(dāng)我們對(duì)通入a 套懸浮力繞組中的電流的大小和方向進(jìn)行調(diào)整時(shí)，就可以得到在xoy 平面內(nèi)任意方向的可控懸浮力。圖2 是每套懸浮力繞組通電時(shí)產(chǎn)生的相位圖［7］。
2 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型
2.1 轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
在無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，其轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)工作原理和數(shù)學(xué)模型與傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似。其三相繞組的電壓方程:
式中:ua，ub和uc為轉(zhuǎn)矩繞組相電壓;ia，ib和ic為轉(zhuǎn)矩繞組相電流;ea，eb和ec為轉(zhuǎn)矩繞組相電動(dòng)勢(shì);R為轉(zhuǎn)矩繞組電阻;L 為轉(zhuǎn)矩繞組自感;M 為轉(zhuǎn)矩繞組兩相間互感。
采用Y 型聯(lián)結(jié)時(shí)，ia+ib+ic=0，式(1)可簡(jiǎn)化:
電磁轉(zhuǎn)矩方程式可表示:
式中，Ω 是電機(jī)的機(jī)械角速度。
電壓平衡方程:
式中:U 是輸出電壓;E 是電樞繞組反電動(dòng)勢(shì);Id是電樞繞組電流;R 是電樞繞組電阻;ΔU 是功率開(kāi)關(guān)管壓降。
2.2 懸浮力子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子主要受到兩種懸浮力。一種是由轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的不平衡磁拉力。當(dāng)轉(zhuǎn)子未發(fā)生偏心時(shí)，轉(zhuǎn)子周?chē)琶軐?duì)稱(chēng)分布，轉(zhuǎn)子受到的合力為零;當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心時(shí)，轉(zhuǎn)子周?chē)琶懿辉倨胶?，所受合力不為零，即產(chǎn)生了沿著氣隙長(zhǎng)度減小方向的不平衡磁拉力。第二種是懸浮力繞組通電產(chǎn)生的電磁力。因?yàn)檗D(zhuǎn)子不再處于中心位置，所以需要給懸浮力繞組通電，產(chǎn)生電磁力以克服偏心產(chǎn)生的不平衡磁拉力，這樣才能使轉(zhuǎn)子的所受合力始終指向中心位置。不平衡磁拉力和電磁力相互作用，才能夠保持轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸?。?］。
由于轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的不平衡磁拉力:
式中:lm為永磁體厚度;g 為平均氣隙長(zhǎng)度;μ0為真空磁導(dǎo)率;S 為磁路的有效截面積;Br為剩磁密度。
懸浮力繞組a11通電時(shí)的電磁力:
根據(jù)對(duì)電磁力Fa11的分析推導(dǎo)過(guò)程，可得懸浮力繞組a12通電時(shí)產(chǎn)生的電磁力:
由式(6)、式(7)可得懸浮力繞組a1對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力合力:
式中:N 為懸浮力繞組匝數(shù);ia為懸浮力繞組通入的電流。
轉(zhuǎn)子沿著x 軸方向的合力為式(5)所示的不平衡磁拉力和式(8)所示的懸浮力共同作用形成，可以表示:
設(shè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量m，不考慮外加干擾力分量(主要為轉(zhuǎn)子重力)，則無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程:
3 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)
3.1 內(nèi)?？刂?/h3>
內(nèi)?？刂剖且环N以過(guò)程數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的先進(jìn)控制策略，與傳統(tǒng)的反饋控制相比，其優(yōu)點(diǎn)是具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力且能兼顧穩(wěn)定性。
控制系統(tǒng)的抗擾性和跟隨性是衡量交流調(diào)速系統(tǒng)的的兩大重要技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的單自由度內(nèi)?？刂破髟趨?shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)跟隨性和抗擾性進(jìn)行平衡，在參數(shù)調(diào)節(jié)上增加了難度。圖3 是一種兩自由度內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)，其中，Gp(s)為被控對(duì)象;Gm(s)為數(shù)學(xué)模型(s)為內(nèi)?？刂破?(s)為前饋控制器;R(s)，U(s)和Y(s)分別為參考輸入、控制輸出和系統(tǒng)輸出;d(s)為外部干擾。(s)調(diào)整系統(tǒng)的抗擾性，(s)調(diào)整系統(tǒng)的跟隨性［8］。
3.2 轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)部分與傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)其建?？梢缘玫綗o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖4 所示。［9］。
圖4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
從圖4 中可以看出，在電流環(huán)內(nèi)存在反電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生的交叉反饋，這意味著轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對(duì)電流環(huán)有一定的影響。但是在實(shí)際過(guò)程中，電流環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程比轉(zhuǎn)速變化和反電動(dòng)勢(shì)變化要快得多。即當(dāng)電流調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)，反電勢(shì)只有很小的變化，因此在電流調(diào)節(jié)器快速調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以認(rèn)為反電勢(shì)E基本不變。則可以對(duì)電流環(huán)做簡(jiǎn)化處理，得到如圖5 所示的電流環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。
圖5 電流環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖
圖6 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖
將簡(jiǎn)化后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與兩自由度內(nèi)模控制相結(jié)合可以到如圖7 所示的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)框圖。
圖7 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)模控制系統(tǒng)框圖
設(shè)計(jì)低通濾波器:
則對(duì)應(yīng)的內(nèi)?？刂破骱颓梆伩刂破鞣謩e:
3.3 懸浮力子系統(tǒng)內(nèi)模控制器設(shè)計(jì)
根據(jù)式(10)、式(11)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，在忽略外部干擾的情況下，可以得到懸浮力子系統(tǒng)的傳遞函數(shù):
則設(shè)計(jì)x 軸內(nèi)?？刂破骷扒梆伩刂破?
同理，y 軸內(nèi)?？刂破骷扒梆伩刂破?
無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。
圖8 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
4 仿真結(jié)果及試驗(yàn)
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的有效性，利用MATLAB/Simulink 工具箱搭建控制系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果顯示，圖9 為電機(jī)轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線，電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，在0.4 s時(shí)下降到1 000 r/min，實(shí)行減速運(yùn)行。由圖9 可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)速幾乎無(wú)超調(diào)，能迅速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速(小于0.1 s)，在0.4 s 突加負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)生階躍變化時(shí)，跟蹤時(shí)間短，系統(tǒng)的抗擾性和跟隨性良好。圖10 為轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，保證了電機(jī)能夠在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，由于摩擦轉(zhuǎn)矩的影響，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩不為零，在0.4 s 負(fù)載突變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也隨之階躍變化。
圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線
圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線
圖11(a)和圖11(c)分別為使用所設(shè)計(jì)的內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)和傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)下x 軸徑向位移階躍響應(yīng)曲線;圖11(b)和圖11(d)為使用上述兩種控制系統(tǒng)下y 軸徑向位移階躍響應(yīng)曲線。從圖11 中可以看出，使用內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的徑向位移響應(yīng)曲線比使用PID 控制系統(tǒng)的徑向位移響應(yīng)曲線更加平穩(wěn)，位移發(fā)生突變時(shí)幾乎無(wú)超調(diào)。當(dāng)x 軸方向位移給定突變時(shí)或y 方向位移給定突變時(shí)，徑向位移之間并沒(méi)有相互影響，驗(yàn)證了徑向力之間的動(dòng)態(tài)解耦效果。且當(dāng)在0.4 s 突加負(fù)載和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，x軸方向和y 軸方向位移也不受影響，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和徑向力之間實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)解耦，保證了無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。
圖11 兩種控制系統(tǒng)下的徑向位移響應(yīng)曲線
最后通過(guò)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，樣機(jī)本體為無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，采用TMS320F2812 DSP 進(jìn)行控制。試驗(yàn)結(jié)果如下，圖12 是轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，從圖12 中可以看出，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間為0. 12 s，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，轉(zhuǎn)速相對(duì)比較平穩(wěn)。圖13 是轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)子位置圖，可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子能夠懸浮于中心。圖14 是轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后x，y 軸的位移響應(yīng)曲線，從圖中可見(jiàn)，x，y 軸的位移波動(dòng)大約在200 μm 左右，波動(dòng)不是很大，并且與圖13 相一致。由此可見(jiàn)，電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮，懸浮性相對(duì)良好。
5 結(jié) 語(yǔ)
無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種新型的高性能電機(jī)，作為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)中飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、狀況多變等情況，提出使用內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)控制無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，以提高系統(tǒng)的跟隨性和魯棒性。本文介紹了無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)徑向懸浮力產(chǎn)生的原理，并構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型并結(jié)合兩自由度內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)，分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和懸浮力子系統(tǒng)的內(nèi)?？刂破鳌Ｍㄟ^(guò)仿真結(jié)果我們可以看出，相比于經(jīng)典PID 控制系統(tǒng)，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)具有更加優(yōu)越的抗干擾性能，為系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性提供了保障，使系統(tǒng)具有更好的跟隨性和魯棒性。最后，樣機(jī)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。
［1］ 張邦力，胡漢春，何青，等. 飛輪儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能狀態(tài)控制研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(6):100－102.
［2］ 劉奕辰，朱熀秋. 無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.微電機(jī)，2014，47(8):74－78.
［3］ OOSHIMA M，KITAZAWA S，CHIBA A，et al.Design and analyses of a coreless－stator－type bearingless motor/generator for clean energy generation and storage systems［J］. IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(10):3461－3463.
［4］ OOSHIMA M，KOBAYASHI S，TANAKA H. Magnetic suspension performance of a bearingless motor/generator for flywheel energy storage systems［C］//IEEE Power and Energy Society General Meeting，2010:1－4.
［5］ YUAN Y，SUN Y，HUANG Y.Radial force dynamic current compensation method of single winding bearingless flywheel motor［J］.IET Power Electronics，2015，8(7):1224－1229.
［6］ SEVERSON E，NILSSEN R，UNEDLAND T，et al. Suspension force model for bearingless AC homopolar machines designed for flywheel energy storage［C］//2013 7th IEEE，GCC Conference and Exhibition，2013:274－279.
［7］ 陳雷剛，朱熀秋.無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)徑向懸浮力精確數(shù)學(xué)模型［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(36):75－81.
［8］ 周志超.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制及其在變槳距系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.
［9］ 李志坤，讓余奇.基于內(nèi)?？刂频闹绷鳠o(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.艦船電子工程，2009，29(2):188－191.
猜你喜歡
四川冶金(2018年1期)2018-09-25 02:39:26
電子制作(2017年1期)2017-05-17 03:54:12
照明工程學(xué)報(bào)(2016年3期)2016-06-01 12:18:01
通信電源技術(shù)(2016年1期)2016-04-16 04:57:26
電測(cè)與儀表(2016年2期)2016-04-12 00:24:42
四川電力技術(shù)(2015年5期)2015-12-19 11:04:52
云南電力技術(shù)(2015年2期)2015-08-23 01:31:52
電測(cè)與儀表(2015年16期)2015-04-12 00:44:32
電測(cè)與儀表(2015年20期)2015-04-09 11:53:56
電測(cè)與儀表(2015年21期)2015-04-09 11:52:12
