模塊化磁通切換永磁直線電機的分析與控制*

吉敬華， 劉文慶， 趙文祥

(江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查，目前心血管疾病和心臟病約占所有疾病的30%，嚴重的心臟衰竭已成為心血管外科的嚴峻挑戰(zhàn)。治療心血管疾病和心臟病最有效的方法是進行心臟移植手術(shù)，但可供患者移植的臟源卻很少。因此，人工心臟技術(shù)亟待發(fā)展[1-2]。

電機作為人工心臟泵驅(qū)動系統(tǒng)的主要裝置，其性能的優(yōu)劣嚴重影響著整個心臟泵的性能。傳統(tǒng)的人工心臟泵多采用旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，通過傳動機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。直線電機代替旋轉(zhuǎn)電機則省去了中間的傳動裝置，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點，有助于降低血損[3]。此外，由于直線電機的電磁驅(qū)動力的方向始終與動子的運動方向在同一直線上，動子的徑向力非常小或不存在，極大地減小了運動過程中的摩擦損耗，延長了裝置的使用壽命[4-6]。因此，直線電機作為人工心臟驅(qū)動裝置兼有結(jié)構(gòu)堅固、功率密度高的優(yōu)點，適用于人工心臟的應(yīng)用。

國內(nèi)外對人工心臟直線電機已有少量的研究[7]，但有關(guān)該類電機往復運動控制方面的研究成果很少。本文分析了模塊化磁通切換永磁直線(Modular Flux Switching Permanent Magnet Linear, MFSPML)電機的結(jié)構(gòu)和電磁特性，建立了數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上研究了一種短行程直線電機往復運動控制策略。

1 結(jié)構(gòu)與特性

圖1是本文所研究的兩相MFSPML電機[8]。該電機定子由鐵心、電樞繞組和永磁體組成。動子僅由鐵心組成，由于動子中沒有永磁體、電刷和繞組，因此具有結(jié)構(gòu)簡單和機械強度高的優(yōu)點，亦減小了制作成本。另一方面，所有的永磁體和繞組在定子上，可以采用多種冷卻方式而使通過電樞繞組的電流密度稍微增大，并且可消除安裝時的不穩(wěn)定性，并維持高效率和高功率密度的優(yōu)點。此外，由于結(jié)構(gòu)的高度對稱性，動子上不存在不平衡徑向力，從而減少了直線軸承所承受的應(yīng)力。

圖1 MFSPML電機結(jié)構(gòu)圖

圖2為電機動子速度為0.1m/s時的空載反電動勢波形，從圖中可看出兩相繞組反電動勢近似為正弦波，相位相差90°，適用于永磁無刷交流電機(Brushless AC， BLAC)控制。

圖2 空載反電動勢波形

2 控制要求與控制特征

由圖2可得出空載反電動勢的近似表達式為

(1)

式中：Em——反電動勢幅值。

當電機采用Id=0控制時，繞組所通電流必須和反電動勢保持同相位，故輸入電流可表示為

(2)

式中：Im——輸入電流幅值。

根據(jù)電磁推力的計算式，電機正常運行時的電磁推力可表示為

(3)

式中：Pe——電磁功率；

Fe——電磁推力；

v——動子運動速度。

將式(1)和式(2)帶入式(3)，得電機正常運行時的電磁推力為

(4)

由式(4)可看出，MFSPML電機的電磁推力是恒值。

MFSPML電機的動力學方程為

(5)

式中：Fd——直線電機的負載阻力；

Bv——黏滯摩擦系數(shù)；

m——直線電機動子的質(zhì)量。

人工心臟電機對控制精度的要求比較高，在實際運行中采用直線電機驅(qū)動機構(gòu)能充分發(fā)揮其響應(yīng)快、精度高的特點。尤其在短行程，高頻往復運動場合更能發(fā)揮其優(yōu)點。另外，由于人的心臟跳動頻率受外界條件的影響較大，電機的控制系統(tǒng)必須有較強的抗負載突變的能力。針對人工心臟電機的這些控制要求，本文提出了一種直線電機的控制策略。

控制系統(tǒng)的框圖如圖3所示，系統(tǒng)主要由一個速度環(huán)和一個電流滯環(huán)組成，其工作原理如下。由速度傳感器測得電機的實際運行速度，將其與給定速度V*的偏差V*-V作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，由PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生指令電流的幅值。通常在PI調(diào)節(jié)器和指令電流之間添加一個限幅模塊，其目的是為了限制電機的起動電流，以免起動時因繞組過熱發(fā)生短路故障。由位置傳感器測得電機動子的位移，從而確定指令電流的相位。利用電流傳感器測得電樞繞組中的實際電流，把指令電流i*與實際輸出電流i的偏差i*-i作為電流滯環(huán)比較器的輸入，通過電流滯環(huán)比較器的輸出來驅(qū)動功率器件的導通和關(guān)斷。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

由于電機要作往復運動，給定速度應(yīng)隨著電機運動方向的不同而發(fā)生變化。對于本文研究的電機而言，正向運動時給定速度V*=0.1m/s，反向運動時給定速度V*=-0.1m/s。圖4為MFSPML電機作往復運動時的位移波形?？梢?，電機從o點開始起動作正向運動，此時電機的給定速度為0.1m/s；當電機運動到b點時將給定速度調(diào)整為-0.1m/s，此時電機開始作減速運動；當運動到c點時，速度減小到零，開始作反向加速運動；電機反向運動到e點時，將給定速度調(diào)整為0.1m/s，電機開始作減速運動；當電機運動到f點時，速度減小到零，開始作正向加速運動，從而完成一次往復運動。整個過程中從點o—b段給定速度為0.1m/s。點b—e段給定速度為-0.1m/s。通過以上分析可知，a—b段和d—e段電機位移大于0.2mm,小于3.8mm，而a—b段電機的給定速度為0.1m/s，d—e段電機的給定速度為-0.1m/s。因此需要通過判斷ds/dt(s代表位移)的正負來確定各段給定速度的大小，判定流程圖如圖5所示。

圖4 直線電機往復運動位移波形

圖5 給定速度判定流程圖

3 仿真與驗證

圖6為MFSPML電機場路耦合瞬態(tài)聯(lián)合仿真模型。該仿真模型由MFSPML電機、驅(qū)動電路及控制信號三部分組成。

圖7為恒負載起動和瞬間變負載的仿真結(jié)果。從通電到5.3ms區(qū)間是恒負載起動過程，繞組電流達到最大值，以獲得最大的加速度，減小起動時間。在約5.3ms動子速度基本達到給定速度，5.3～40ms區(qū)間處于恒負載運行狀態(tài)，動子速度基本保持不變。40ms時刻負載從15N 突變到20N，此時繞組電流和電磁推力增加，最后電磁推力與負載平衡，此過程動子速度基本保持不變。

負載為15N，MFSPML電機往復運動的仿真結(jié)果如圖8所示。可以看出41ms時刻，動子速度減小，當速度減小到0時，開始反向加速，與理論分析相吻合，說明了該模型的有效性。

從以上仿真結(jié)果可看出，該直線電機推進系統(tǒng)具有較好的動靜態(tài)性能，可以滿足人工心臟領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

4 結(jié) 語

本文對MFSPML電機的結(jié)構(gòu)和電磁特性進行了研究，建立了數(shù)學模型，推導出了電機在負載突變和往復運動兩種情況下的控制策略。建立了場路耦合仿真模型，對電機推進系統(tǒng)的運動性能進行了仿真分析，并將仿真結(jié)果與理論分析數(shù)據(jù)進行比較。研究表明，當負載發(fā)生突變時，通過本文提出的控制系統(tǒng)，能迅速調(diào)節(jié)輸入電流的大小，使電磁推力等于負載阻力，整個過程動子的速度基本不變，可以實現(xiàn)人工心臟電機往復運動的應(yīng)用要求，為進一步的研究奠定基礎(chǔ)。

圖6 場路耦合瞬態(tài)聯(lián)合仿真模型

圖7 負載突變情況下的仿真波形

圖8 往復運動情況下的仿真波形

【參考文獻】

[1] KASIRAJAN V, TANG D G, KATLAPS G J, et al. The total artificial heart for biventricular heart failure and beyond[J]. Current Opinion in Cardiology, 2012, 27(3)： 301-307.

[2] 黃雷,李彤.CardioWest完全人工心臟的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中華胸心血管外科雜志,2013,29(001)： 56-58.

[3] KIM N J, DIAO C, AHN K H, et al. Parametric study of blade tip clearance, flow rate, and impeller speed on blood damage in rotary blood pump[J]. Artificial Organs, 2009, 33(6)： 468- 474.

[4] 韓明文,劉軍.基于積分分離的永磁同步直線電機PID控制系統(tǒng)[J].電機與控制應(yīng)用,2013,40(1)： 22-24.

[5] 陳幼平,杜志強,艾武,等.一種短行程直線電機的數(shù)學模型及其實驗研究[J].中國電機工程學報,2005,25(7)： 131-136.

[6] 韓明文,劉軍.永磁同步直線電機RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制[J].電機與控制應(yīng)用,2012,39(6)： 29-31.

[7] 李小鵬,李立毅,田庫,等.無刷直流直線電動機[M].北京： 國防工業(yè)出版社,2012.

[8] JI J H, ZHAO W X, LIU G H, et al. High reliability linear drive device for artificial hearts[J]. Journal of Applied Physics, 2012, 111(7)： 07E729-1-3.