永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器優(yōu)化控制研究

葉偉慧

(廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院,廣東 湛江 524088)

永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器優(yōu)化控制研究

葉偉慧

(廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院,廣東 湛江 524088)

永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器是實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電能傳輸?shù)闹匾骷?，通過對電磁耦合器的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，提高電磁耦合器的穩(wěn)定性和輸出增益。提出一種基于優(yōu)化粒子群算法的電磁耦合器優(yōu)化控制方法，首先進(jìn)行了永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的等效電路設(shè)計(jì)，構(gòu)建電磁耦合器控制的約束參量模型，以輸出電壓增益、功率損耗與效率為約束參量構(gòu)建控制目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制算法的改進(jìn)，進(jìn)行了永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能有效提高永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合的輸出穩(wěn)定性，電機(jī)輸出的電流增益、電壓增益與輸出效率高于傳統(tǒng)方法，展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。

永磁無刷直流電機(jī)；電磁耦合器；三維磁場分布；控制；粒子群

0 引 言

永磁無刷直流電機(jī)發(fā)電是根據(jù)電磁耦合器的電磁場感應(yīng)特性，結(jié)合磁損耗抑制和無阻尼非線性約束方法進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出。永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器是實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電能傳輸?shù)闹匾骷ㄟ^對電磁耦合器的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，提高電磁耦合器的穩(wěn)定性和輸出增益，研究永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的優(yōu)化控制方法，在電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有重要意義。

永磁無刷直流電機(jī)電能傳輸中使用的電磁耦合器，對永磁電機(jī)耦合器的穩(wěn)定性要求較高，永磁無刷直流電機(jī)是一種多變量、非線性的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，在其電磁耦合器控制過程中，需要構(gòu)建多元的約束參量模型，通過分析電磁耦合器的輸入輸出的功率特性，結(jié)合等效電路設(shè)計(jì)，提高電機(jī)的輸出增益。傳統(tǒng)方法中，對永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的控制方法主要有基于模糊PID控制的電機(jī)控制方法、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)誤差修正的電磁耦合控制方法和基于Lyapunove穩(wěn)定性控制原理的電機(jī)電磁耦合器控制方法等[1-3]。上述方法在進(jìn)行電磁耦合器控制過程中，對無槽永磁電機(jī)的電力機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的阻抗和干擾沒有進(jìn)行有效抑制，導(dǎo)致控制性能不好。對此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了電機(jī)控制方法的改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中，文獻(xiàn)[4]提出一種基于梯度優(yōu)化算法的電機(jī)的電磁耦合器智能控制方法，采用蟻群覓食的仿生技術(shù)，進(jìn)行控制算法改進(jìn)，提高了電機(jī)的輸出功率增益，該算法的計(jì)算開銷較大，自適應(yīng)收斂性不好。文獻(xiàn)[5]提出一種基于基因遺傳算法的無槽永磁無刷直流電機(jī)多約束控制方法，該控制系統(tǒng)在進(jìn)行電機(jī)自動(dòng)化控制過程中，受到的干擾較大，抗干擾性能不好。文獻(xiàn)[6]給出的永磁無刷直流電機(jī)電磁耦合器控制方法采用共振激勵(lì)控制方法，電磁共振在控制供電頻率輸出中出現(xiàn)勵(lì)磁繞組失真。

針對上述問題，本文提出一種基于優(yōu)化粒子群算法的電磁耦合器優(yōu)化控制方法，首先進(jìn)行了永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的等效電路設(shè)計(jì)，然后構(gòu)建電磁耦合器控制的約束參量模型，以輸出電壓增益、功率損耗與效率為約束參量構(gòu)建控制目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制算法的改進(jìn)，最后進(jìn)行了永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測試，表明了本文控制方法在提高電機(jī)的輸出性能方面的優(yōu)越性，得出有效性結(jié)論。

1 永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的等效電路設(shè)計(jì)與控制約束參量分析

1.1 永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的等效電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的優(yōu)化控制，首先需要構(gòu)建磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的等效電路結(jié)構(gòu)模型，平板式永磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)主要由感應(yīng)電能組件、電磁耦合器、控制器和逆變器四大部分組成，無槽永磁無刷直流電機(jī)及參數(shù)示意圖如圖1所示。

圖1 無槽永磁無刷 直流電機(jī)及參數(shù)示意圖

圖1所示的永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)主要由電子元整流和濾波器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，其中永磁無刷直流電機(jī)在諧振條件下永磁無刷極對數(shù)P，極弧系數(shù)β，磁極厚度lm，轉(zhuǎn)子/定子軛軸向偏移漏感的厚度ly，電壓增益磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m，μr1和μr2為兩個(gè)固有諧振頻率相等的線圈，繞組厚度lw、氣隙長度lg，電磁共振式轉(zhuǎn)子半徑rr，供電頻率Jcu，通過上述分析，得到永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以表示為：

(1)

(2)

在永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器中，對線圈的定位方法分離式結(jié)構(gòu)，形成線圈序列，由于電磁耦合器的耦合系數(shù)低，功率因數(shù)小，電磁感應(yīng)式電能傳輸能力弱，因此需要采用誤差修正補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行電磁耦合控制，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到最大，提高對電機(jī)的輸出功率控制效能[7]。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行永磁無刷直流的電磁耦合器設(shè)計(jì)，得到無刷直流電機(jī)的感應(yīng)電能傳輸原理圖如圖2所示，建立了互感耦合模型，得到帶有電磁耦合補(bǔ)償?shù)摹癟”型等效電路如圖3所示。

圖2 無刷直流電機(jī)的感應(yīng)電能傳輸原理

圖3 永磁無刷直流電機(jī)的 電磁耦合器“T”型等效電路

在上述建立無槽永磁無刷直流電機(jī)電磁耦合器的電能傳輸原理圖和等效電路圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電磁耦合器的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，采用電路分析方法計(jì)算等效登陸中的參數(shù)，構(gòu)建控制約束參量模型，以進(jìn)一步分析系統(tǒng)性能。

1.2 參數(shù)計(jì)算和控制約束參量分析

根據(jù)上述建立的電機(jī)參數(shù)模型和等效電路，進(jìn)行永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合控制參量模型分析，在電機(jī)控制過程中，電機(jī)的功率損耗可以分為：電損耗、磁損耗和機(jī)械損耗。假設(shè)無槽永磁無刷直流電機(jī)的發(fā)射線圈電流有效值為Ip，則磁偶極子中電能傳輸?shù)娜艌鲇行щ娏髦礗s，計(jì)算電磁轉(zhuǎn)換過程中的鐵心導(dǎo)磁率，共振線圈上輸入有效電流值Ir，在電磁耦合器的偶極子的輻射磁矩一定時(shí)，計(jì)算得到負(fù)載Ro上電流有效值Io，有效電流值Ir，全磁場有效電流值Is分別為：

(3)

磁場強(qiáng)度隨電磁耦合器分布的距離具有非線性遞減的關(guān)系，為了使無刷直流電機(jī)得到的最大電磁轉(zhuǎn)矩，在進(jìn)行耦合器控制過程中，需要計(jì)算變化反射阻抗Zrl，為：

(4)

計(jì)算電樞反應(yīng)和定/轉(zhuǎn)子鐵芯磁阻，在電磁耦合器的輸入阻抗并聯(lián)情況下，得到電機(jī)的永磁體和繞組的阻抗Zrl，Zsr，Zps分別為：

(5)

此時(shí)，在優(yōu)化控制模型下，永磁無刷直流電機(jī)的輸出功率為：

(6)

電機(jī)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，存在N個(gè)與磁場垂直的導(dǎo)體，此時(shí)電機(jī)的傳輸效率為：

(7)

2 基于粒子群優(yōu)化的控制算法及電磁耦合器優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 基于粒子群優(yōu)化的控制算法

在上述構(gòu)建的永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器等效電路和控制約束參量模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制算法改進(jìn)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的永磁無刷直流電機(jī)電磁耦合器控制方法采用共振激勵(lì)控制方法，電磁共振在控制供電頻率輸出中出現(xiàn)勵(lì)磁繞組失真，為了克服傳統(tǒng)方法的弊端，本文提出一種基于優(yōu)化粒子群算法的電磁耦合器優(yōu)化控制方法，以輸出電壓增益、功率損耗與效率為約束參量構(gòu)成[8-10]，電壓增益、功率損耗與效率可以表示為：

(8)

(9)

其中

(10)

采用全波整流方法進(jìn)行高頻逆變篩選，計(jì)算電感Llp，Lls和Lm，令v=rωr，r=rr+lg，B=kβk1Bg，l=lskfkcAw/Ac,由此得到了控制目標(biāo)函數(shù)為：

f0(X)=wpP1(X)+wvVt(X)+wcC(X)

(11)

(12)

其中ε為一個(gè)小的常數(shù)，表示電容的氣隙，在電磁耦合器設(shè)計(jì)中，氣隙可以盡量選擇小，那么，電磁耦合器的電流密度矢量xi=(xi1,xi2,…,xiD)在最好位置為gbest，此時(shí)優(yōu)化控制的輸出fu(χ)定義為：

(13)

其中σ為一個(gè)較大的常數(shù)。對每一代粒子群，根據(jù)慣性權(quán)重進(jìn)行局部搜索，得到電磁耦合器優(yōu)化控制的迭代方程為：

Vid=wVid+c1rand()(pid-xid)+c2Rand()(pgd-xid)

(14)

xid=xid+Vid

(15)

其中w為磁損耗慣性權(quán)重，c1和c2為粒子進(jìn)化的加速度常數(shù)，rand()和Rand()為兩個(gè)在[0,1]范圍里變化的隨機(jī)值。通過上述控制算法改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了電磁耦合器的控制性能。

2.2 電磁耦合器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述對永磁無刷流電機(jī)電磁耦合器控制方法改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用IRPF260N型電路設(shè)計(jì)方法，建立等效電路模型設(shè)計(jì)電磁耦合器，基于粒子群優(yōu)化控制后的電磁耦合器等效電路如圖4所示。

圖4 優(yōu)化控制的電磁耦合器等效電路

圖4中，采用磁滯損耗二極管搭建整流電路，電路各模塊的阻抗分別為：

Z3=Req+Zs

(16)

(17)

(18)

其中結(jié)合對直流電力高頻交流電傳輸性能，有：

(19)

(20)

Zm=jωLm

(21)

計(jì)算電機(jī)磁損耗，以控制電機(jī)的輸出功率和電能傳輸效率，得到輸出的功率損耗為：

(22)

由電機(jī)磁損耗可以計(jì)算出永磁無刷直流電機(jī)的輸出效率：

(23)

通過上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器優(yōu)化控制，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測試和分析。

3 仿真結(jié)果和性能分析

為了測試本文設(shè)計(jì)的永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器優(yōu)化控制方法的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。永磁無刷直流電機(jī)的稀土永磁材料的磁密在1.2到3.5之間取值, 轉(zhuǎn)矩輸出為12N·m電機(jī)轉(zhuǎn)子在一定電流密度下的最大轉(zhuǎn)速為1 024rad/s，渦流損耗為渦流損耗，永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合其它參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 永磁無刷直流電機(jī)電磁耦合參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)置，采用有限元分析方法，進(jìn)行仿真測試，得到永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器三維磁場分布和軸向磁場分布如圖5所示。

圖5 永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的磁場分布

從圖5可見，采用本文方法進(jìn)行永磁電機(jī)的電磁耦合器控制設(shè)計(jì)，電磁耦合器的磁場分布均衡，系統(tǒng)功率和輸出功率效率的增益能有效提高，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，為了定量分析本文方法的性能，采用本文控制模型和傳統(tǒng)方法，在不同的偏芯偏移和負(fù)載電阻下，測試電機(jī)的效率、電流增益、電壓增益和功率，得到仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 性能測試

從圖6可見，采用本文方法進(jìn)行永磁無刷直流電子的電磁耦合器優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，電機(jī)的電壓增益穩(wěn)定在6.0%以內(nèi)，電壓增益誤差較小， 輸出電流增益穩(wěn)定在90.5%，輸出效率較高， 輸出

功率增益較傳統(tǒng)方法有明顯的提升，仿真得出，采用本文控制方法和電磁耦合器設(shè)計(jì)，有效提高了電機(jī)系統(tǒng)的電流增益、電壓增益和電能傳輸效率，穩(wěn)定性好，魯棒性較高，展示了較好的性能優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

通過對電磁耦合器的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，提高電磁耦合器的穩(wěn)定性和輸出增益。對此，本文提出了一種基于優(yōu)化粒子群算法的電磁耦合器優(yōu)化控制方法，首先進(jìn)行了永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的等效電路設(shè)計(jì)，構(gòu)建電磁耦合器控制的約束參量模型，以輸出電壓增益、功率損耗與效率為約束參量構(gòu)建控制目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制算法的改進(jìn)，進(jìn)行了永磁無刷直流電機(jī)的電磁耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究表明，采用該控制算法和耦合器設(shè)計(jì)方法，能有效提高永磁無刷直流電機(jī)的輸出穩(wěn)定性，電機(jī)輸出的電流增益、電壓增益與輸出效率較高，魯棒性較好，在電機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中具有較好的應(yīng)用前景。

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An Investigation on Optimization Control of the Electromagnetic Coupler in Permanent Magnet Brushless DC Motor

Ye Weihui

(Cunjin College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang Guangdong 524088, China)

Electromagnetic coupler of permanent magnet brushless DC motor is an important device to achieve inductive power transmission. By optimizing the control design of electromagnetic coupler the stability and output gain of the electromagnetic coupler may be improved. This article sets forth a method to optimize the control of electromagnetic coupler based on particle swarm optimization. In the first it requires to design the equivalent circuit for electromagnetic coupler of the permanent magnet brushless DC motor in order to build parameter model to constrain the control of the electromagnetic coupler which takes the output voltage gain, power consumption and efficiency as the constrain parameter to build function for the control target and achieve improved control algorithm, so that the optimal design of electromagnetic coupler of permanent magnet brushless DC motor could be realized. Simulation results show that the design method for control of the electromagnetic coupler can effectively improve the output stability of the electromagnetic coupler of the permanent magnet brushless DC motor while the current gain, voltage gain and output efficiency of the motor is higher than that of traditional methods. It should demonstrates a sound value for applications.

permanent magnet brushless DC motor；electromagnetic coupler；three-dimensional magnetic field distribution；control；particle swarm

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.003

TP724

A

1000-3886(2016)05-0008-04

葉偉慧(1975-)，女，廣東湛江人，碩士，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化，電力控制，單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)等。

定稿日期: 2016-04-28