摘要：  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。

关键字：  电机，  PID调节器，  无轴承电机

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。

a示出电机转速n=0，转子静态悬浮时转子的水平垂直位移QX，QY变化曲线和悬浮绕组电流i2u，i2v的实验波形。可见，初始时转子端部没有重物作空载静止悬浮，后突加50N的重物，转子位移发生突变，但在位移环控制作用下，转子重新回到气隙中心位置。此时与之垂直的X方向基本无位移变化，与之相对应的悬浮绕组电流通过调节在转子上产生的可控悬浮力抵消了转子偏心产生的单边磁拉力，从而产生了悬浮力控制效果，确保了突加负载下的可靠悬浮。

b示出PMTBM转子转速n=1800r/min时电机的QX，QY变化曲线和i2u，i2v的实验波形。可见，电机能稳定地悬浮运行，具有较好的悬浮性能，转子位移可保持在80μm内。c示出PMTBM转子转速n=0￣2000r/min起动过程中电机的QX，QY变化曲线和i2u，i2v及转速n的实验波形。

可见，转速变化过程中转子悬浮性能基本未受影响，其最大径向位移控制在80μm左右，完全处于350μm的限位轴承允许游隙间，说明转子始终处于稳定的悬浮状态，系统动态悬浮性能良好。

结论针对永磁型无轴承电机控制系统具有的非线性、多变量、强耦合等特点，设计和研制了以TMS320LF2407ADSP为核心的永磁型无轴承电机全数字控制系统。其硬件电路结构简单可靠，软件系统采用模块化设计流程清晰。实验结果表明，在转子悬浮系统的控制作用下，无论在静止状态下突加负载，还是在各种速度下及起动过程中，样机均能处于可靠悬浮状态。系统具有良好的稳定性和实时处理能力，可保障在各种运行条件下的良好运行性能。