磁悬浮离心式高速永磁电机控制技术应用研究

段树华，李新，李小霞

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲，412001）

0 引言

本论文采用无传感器矢量控制方法，通过估算转子位置和转速，来实现永磁电机的控制。本论文还研究了谐波和轴向张力抑制。高速磁浮离心永磁变频器在高速运转时，会产生大量的谐波，对电机的稳定性和寿命造成影响。因此，本论文采用了多级滤波和谐波抑制技术，有效地降低了谐波的产生和影响。同时，本论文还针对电机的轴向张力问题，提出了一种基于电流反馈的轴向张力抑制方法，有效地提高了电机的稳定性和寿命，本论文将研究成果应用于高速磁悬浮离心永磁装置的试验与验证中。通过实验验证，本论文的研究成果在提高电机性能和稳定性方面取得了显著的成果，为高速磁浮离心永磁变频器的应用和推广提供了重要的技术支持和保障。高速磁浮离心永磁变频器是一种高效、高速的电机，其控制要求更高。本论文通过研究永磁电机无传感器矢量控制、谐波和轴向张力抑制、永磁电机发电方式等方面，提高了电机的性能和稳定性，为高速磁浮离心永磁变频器的应用和推广提供了重要的技术支持和保障。

1 磁悬浮永磁直驱传动系统

■1.1 变频直驱传动系统

采用 DFE 换频器（二极管整流换频器），在离心永磁直驱的基础上，直接驱动高速永磁电机转动，进而使其转动，进而使压缩机叶轮工作。无升降机的驱动链条具有高的效率。传动系统如图1 所示。

图1 变频直驱传动系统图

■1.2 磁悬浮轴承基本结构

该磁力支承系统主要由若干径向、轴向支承与相应的位置换能器与控制器构成（见图2）。

图2 磁悬浮轴承结构示意图

2 高速永磁无传感器控制策略

■2.1 永磁电机数学模型

式(1)和式(2)中：di,qi,ud；uq是d 轴及q 轴上定子电流 A 及电压 V 的成分。其中，dL是垂直轴线上的同步性电感量，qL是交叉轴线上的同步性电感量。ωe是以拉德/秒表示的马达的电角速度。p表示的是一个差分算符。φf是以 Wb 表示的电动机永磁体的磁通。

■2.2 扩展反电动势位置观测器

由式(1)转换得到永磁同步电机两相静止坐标系下数学模式如式(3):

式(4)中：uα、uβ、iα、iβ为测量值，对于观测装置的输入，其反向电位是无法直接测定的，因此可以用实测数据和估算数据相结合的方法来求得。采用 PI 调整方法对逆EMF 进行了估算，具体如公式(5)所示。

公式(5)：其中，kp,ki是调整因子的正则化和积分参数，iα，iβ和eω 分别是iα，iβ和eω 对应的观察值。在图3中显示了一个根据扩充的反 EMF 观测器的构造方块图。其中eα和eβ代表了反电势eα和eβ的计算值。

图3 扩展反电动势观测器

■2.3 最大转矩电流比控制

即，永磁同步电机的电流应该满足：

可求得MTPA 控制方式下交直轴电流之间的关系；

对任何转矩都有对应的di、qi合成，从而使得单位电流可以输出最大的转矩，从而实现最小的定子电流，更低的系统损耗。

■2.4 弱磁控制

当使用变频调速器时， PMSM 的电压和电流受到电压极限椭圆公式(8)和电流极限椭圆公式(9)的约束，要扩大系统转速调节范围，同时又不增大变频调速器的系统容量，必须在恒功率区对其进行弱磁场调节，以实现对其转速的弱化提升。

从等式(8)和(9)可以看出，在中（-Φf/Ld,0）作为中心，并且随着马达旋转速度的增加而缩短直径减小的椭圆形。它的电流限制是一个圆，其中心（0,0）具有最大值为 Ismax（0,0）的半径，见图4。从公式(8)中进行分析，在速度ωe上升到某一值时。

中国书店藏90余件敦煌文献中，确定有东晋写本1件，南北朝写本12件，隋写本2件。其中有27件残片合装成册，题为“敦煌残拾”，原为方懿枚所藏。佛典占据总数的一半以上，此外有变文、经疏、忏悔文、羯磨文等。非佛教文献包括道教的行道仪、社司转帖、赈契、诗歌、书仪、民俗作品等。藏文写本包括3件吐蕃统治时期抄写的《无量寿宗要经》与1件泥金绀青纸写经1 后者是否出于敦煌藏经洞，目前学界存在不同观点，尚待进一步研究。 。

图4 弱磁控制交直轴电流变化图

电机弱磁控制是一种常见的控制技术，可以在不牺牲电机输出功率的前提下，降低电机的能耗和噪声。在实际应用中，常常需要考虑以下几个关键点：

（1）压达到最大电压 Usmax

在弱磁控制中，为了降低电机的能耗，需要尽可能减小电机的电流。但是，电机输出功率与电流的平方成正比，因此减小电流会导致输出功率下降。为了保持输出功率不变，需要在控制电流的同时增加电压。当电压达到最大值时，即可保持输出功率不变的情况下实现最低能耗。

（2） 将（Ld·id+ψf)2+(Lq·iq)2 部分的值降低，实现弱磁升速

在电机弱磁控制中，需要控制电机磁场的强度，以实现输出功率不变的情况下降低能耗。为此，可以通过改变电机的电流分量来控制磁场的强度。具体来说，可以将（Ld·id+ψf)2+(Lq·iq)2 部分的值降低，从而实现弱磁升速。

（3） 在弱磁控制中，交流轴的电流的变化表现在图4 中

在弱磁控制中，需要对电机交流轴的电流进行控制。这些电流的变化可以通过图4 来展示，从而更好地了解电机的工作状态。具体来说，图4 中的曲线表示了交流轴电流随时间变化的情况，可以用于判断电机是否处于弱磁控制状态。

（4） O-A 的曲线表示了直至输出电压最大为止的常定扭矩范围

在电机弱磁控制中，常常需要控制电机的扭矩输出。为此，可以利用O-A 曲线来表示直至输出电压最大为止的常定扭矩范围。这个范围可以用于判断电机是否工作在最优的弱磁控制状态下。

（5）使用最大扭矩与电流的比率来进行控制

在电机弱磁控制中，需要控制电机的扭矩输出。具体来说，可以利用最大扭矩与电流的比率来进行控制。这个比率可以用于确定电机的扭矩输出是否达到最优状态，从而实现最佳的弱磁控制效果。

综上所述，电机弱磁控制是一种常见的控制技术，可以在不牺牲电机输出功率的前提下，降低电机的能耗和噪声。在实际应用中，需要注意以上几个关键点，以实现最优的弱磁控制效果，带有磁场减弱的 MPTA 的方块图见图5。

图5 MPTA 与弱磁控制框图

■2.5 无传感器矢量控制策略

在图6 中显示了该无感测向量控制的工作原理和方块图，它是由速度外环与电流内环组成的双闭环来实现的。

图6 无传感器矢量控制框图

该设备适用于永磁电机的矢量和转速调节。电动机电压Va1是将电动机电流信号ia1、ib1、ic1合并而得到的。使用Va1，Vb1，Vc1，通过对马达的速度和速度观察器，可以得到马达的速度信号 ωr和电压的相位角信号1θ ，这样就可以实现对马达的无量纲化控制。采用最大转矩－最大电流比（MTPA）提高电机工作特性，采用弱磁场拓展电机工作区间。由 SVPWM 矢量调制获得开关控制信号Sa1、S1b、Sc1。

3 谐波与轴伸抑制

由于转子电感值极低，其定子绕组内容易出现大的谐波，从而导致转子铁芯损失大，且转子温度上升，因而对其温度变化的影响至关重要。转子的温度调控是磁力支承的关键，已有的工作结果显示，脉冲宽度调控下，转子涡流损失的影响显得尤其关键，平板型转子系统中，定子相带谐波、气隙磁导谐波以及开关频率诱导的时域谐波是其最大的三个谐波。

对于电磁支承式永磁电动机的低次谐波及轴向延伸现象，现有的解决方法包括高切换频率及 LC 滤波器两种，见图7。结果表明：在直流侧，转子磁场沿周向涡电流的分布与电动机的极对数一致，其电流的幅值和损失与 PMW 的载波比密切相关；因此，随着切换频率的提高，转子涡电流损失降低。LC 型滤波方法可以很好地抑制在开关频率的整数倍范围内的电流，从而可以有效地减少定子回路中的谐波，减少转子回路中的磁通损失。

图7 谐波抑制方案示意图

4 试验与应用

通过对该系统的实验研究，对该系统的控制方法进行了实验研究，单位的永磁体马达的参数见表1。

表1 机组永磁电机参数

■4.1 谐波与轴升

该装置采取了以高切换频率为基础的谐波抑制和轴向补偿。针对目前的磁浮装置，提出了电流谐波小于5%、7次及以下的低次谐波小于3%、轴延伸率小于0.25 毫米的设计方案。对其进行了试验，发现在各种切换频率下，其谐波和轴向延伸情况如图8 所示。在图表中，左边的纵线是电流的谐波值，右边的纵线是轴的长度，横线是切换频率。由图8 可见，当切换频率提高时，对谐波及轴向能量的利用率下降。

图8 谐波、轴伸与开关频率关系曲线

■4.2 发电模式

作为一种很有价值的能源，其主要来源就是变频调速系统中的直流母线。电力供应的断开将引起电磁轴承的脱落，严重威胁到压气机的轴承的使用寿命。为了保证电力系统的稳定、持续运行，需要对电力系统进行保护。

变频调速装置是实现电动机速度、功率输出的重要装置。该系统要求有能力支持并稳定电动机的 DC 端电压，直至其速度降低至一个更小的安全速度。在此过程中，要求变频调速系统的输出是一个平稳的、转速估算和控制是一个平稳的过程。这样既可以保证装置的稳定与可靠，又可以防止装置受到电压的起伏与暂态电流的冲击。

在电网掉电的情况下，变频器需要能够保持输出稳定，速度估计与控制稳定，以确保设备的安全可靠。这是非常重要的，因为在电网掉电的情况下，设备需要能够独立运行。变频器能够控制电机的运行和停止，同时也能确保设备的稳定性和可靠性。磁悬浮控制器的电源来源和变频器的控制都非常重要，它们直接关系到设备的稳定性和可靠性。因此，在使用磁悬浮设备时，必须注意确保电源的稳定性和连续性，同时也要注意变频器的控制，以确保设备的安全可靠。

5 结束语

随着技术的进步，大范围的可调转速、可精确定位、可实现对低磁场环境的有效抑制。这就需要对电动机进行精确地控制。此外，由于电磁支承所需的较小的轴向延伸率，对转子温度的控制也有较高的要求。因此，随着 MHD 控制器在实际工程中的广泛使用，其对 MHD 控制器的控制与保护能力的要求也随之提高。另外，还需要对永磁电动机的发电方式以及它在供电支持中的应用进行深入的研究。

除此之外，高速电机本体散热设计、阻感设计、输出滤波器设计等方面还有待进一步研究。这些方面的研究，将有助于提高高速电机的性能和可靠性。

总的来说，随着工业化的加速和技术的不断进步，高速永磁电机的应用前景越来越广阔。然而，要想更好地应对各种挑战和需求，我们需要不断强化研究和开发工作，不断提高技术水平，以满足市场和社会的需求。