磁化类零轴承电机扼制程序的研讨

　　悬浮绕组控制原理由于转矩绕组采用 id＝0 的转子磁场定向矢量控制，则同步速旋
转 坐 标 系 中 PMTBM 的 悬 浮 力 可 表 示 为 ［ 5 ］ ： FxFy" ＝ M （ id ＋ if ） iqiq － （ id ＋
if" ） ixiy" （ 1 ） 式 中 Fx ， Fy 转 子 所 受 悬 浮 力 在 同 步 速 坐 标 系 d ， q 轴 上 的 分 量 值
id，iq，ix，iy 转矩绕组电流和悬浮绕组电流在同步速坐标系 d，q 轴上的相应分量 if 永磁
体的等效励磁电流 M 定子两套绕组间的互感系数，M＝9μ0N4N2rl8δ02πN4，N2 转矩绕组
和悬浮绕组的每相串联有效匝数 r 定子内径 l 铁心长度 δ0 气隙长度 μ0 空气磁导率由于转
矩控制采用 id＝0 的矢量控制方式，在悬浮力控制中可通过检测转子位移的偏移误差，
以生成悬浮力参考值 Fx＊，Fy＊，再按：ix＊iy"＊＝1Mi2f＋i2qcosφsinφsinφ－cos"φFx＊
Fy"＊（2）式中 φ＝tan－1（iq／if）计算出悬浮绕组电流的参考值。由式（2）可见，对
于一台 PMTBM 而言，M 和 if 为常数，在获得转矩绕组电流 iq 后，悬浮绕组参考电流便
可通过悬浮力参考信号求得，从而达到控制转子径向悬浮力的目的。
　　系统控制原理给出包括转矩控制、悬浮力控制在内的 PMTBM 控制系统框图。在采用
id＝0 控制方式的电磁转矩控制中，有：id＊＝0，iq＊＝T＊／pψpm（3）两相参考电流
信号经过转换变为三相电流信号 i4u＊，i4v＊，i4w＊，输入到电机转矩绕组中，以实现
转矩控制。在悬浮力控制中，检测出的转子径向位移与参考径向位移相比较，误差通过
PID 调节器获得参考悬浮力信号 Fx＊，Fy＊，再通过式（2）计算出悬浮绕组的参考电流
ix＊，iy＊。两相参考电流信号经过转换变为三相电流信号 i2u＊，i2v＊，i2w＊，输入到
悬浮绕组中，以产生期望的悬浮力。
　　控制系统设计 PMTBM 控制系统综合了电机运行、电力电子、自动控制以及检测等技
术，其系统的合理设计是无轴承电机稳定悬浮的保障。
　　系统硬件设计为进行 PMTBM 的运行实验研究，设计了基于 TMS320LF2407ADSP 为
控制核心的全数字控制系统，示出其基本构成框图。由于无轴承电机具有转矩及悬浮两套
绕组，需要两套控制器，而 DSP2407 内嵌了两个事件管理器，恰好可满足转矩绕组和悬
浮绕组独立控制的需求。其中转矩绕组控制器用于实现电机的转矩控制，完成电机旋转驱
动的各项任务，包括转速测量、转速和电流环调节、转矩绕组转子磁场定向控制算法的实
现等环节；悬浮绕组控制器主要实现转子径向位移控制，包括转子位移检测、位移和悬浮
绕组电流环调节等，两套控制器之间需要传递转子磁场幅值及其相位。
　　系统软件设计示出系统控制程序框图。它由主程序、周期定时中断子程序组成。主程序
中完成对系统初始化设置和变量定义，使能捕获单元中的正交编码电路以实现检测速度 ，
对两套绕组电流和转子位移的数据采样通道进行定义，且设置定时器 T1 作为系统的控制
周期，即 Ts＝100μs.最后启动 T1，系统进入循环等待中断。当 T1 发生周期中断时，程序
指针跳出循环等待，执行 T1 周期中断服务子程序。首先对转矩绕组和悬浮绕组电流进行
A／D 采样，并通过转速环得到电机转速、转角及转矩绕组电流参考值后，计算转子磁场
定向的相位，同时通过位移环调节得到悬浮绕组电流参考值，再通过电流调节和
SVPWM 调制得到两套绕组的控制信号，实现对无轴承电机转矩和悬浮力的控制。
　　实验结果在建立 PMTBM 硬件系统和软件编程后，可在的基础上通过实验来验证
PMTBM 控制系统运行的可行性和正确性。实验所用 PMTBM 参数：额定电压为 220V，额
定电流为 2A，额定功率为 400W，转矩绕组极对数为 2，转矩绕组每相电阻为 1.91Ω，转
矩绕组电感为 0.0065H，主磁极磁通为 0.1602Wb，悬浮绕组极对数为 1，悬浮绕组每相电
阻为 1.6Ω，悬浮绕组电感为 0.0048H，转动惯量为 0.244×10－3kgm2，限位轴承间隙为
0.35mm.示出转子采用静态悬浮的实验装置。图中样机转子轴伸端处承受了外挂 Y 方向的
径向重负荷，转子位移传感器 X，Y 所测径向位移的位置见。