高速磁懸浮永磁電機三電平無速度傳感器控制

張 丹 姜建國

高速磁懸浮永磁電機三電平無速度傳感器控制

張 丹1,2姜建國2

（1. 上海海事大學物流科學與工程研究院 上海 201306 2. 上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室 上海200240）

針對中點鉗位（NPC）三電平變換器在高頻狀態(tài)下的中點電壓不平衡問題，采用基于GH坐標系的三電平調制方式和基于比例調節(jié)因子的中點電壓平衡控制方法。針對高速磁懸浮永磁電機高頻狀態(tài)下的轉速辨識與高速穩(wěn)定運行問題，采用適用于高速旋轉磁場的磁懸浮永磁電機無速度控制方法。對所提控制方法進行仿真驗證，并進行現(xiàn)場應用。實測結果表明，所提控制策略能夠實現(xiàn)無位置傳感器情況下高速磁懸浮永磁電機的轉子位置定位和低速起動控制，并實現(xiàn)高速穩(wěn)定運行。所提高速磁懸浮永磁電機控制方法具有很好的實際應用價值。

高速磁懸浮電機 NPC三電平變換器 中點電壓平衡 無速度控制

0 引言

高速磁懸浮永磁電機包括高速永磁電機和磁懸浮系統(tǒng)。根據(jù)電機轉速的大小，可將電機分為低速電機和高速電機。以10 000r/min為界限，低于10 000r/min稱為低速電機，高于10 000r/min稱為高速電機。永磁電機可分為永磁無刷直流電機、永磁同步電機等，其功率密度高、結構簡單，受到越來越多的關注。隨著“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標的實施，節(jié)能和儲能問題成為我國電力能源轉型關注的熱點。高速磁懸浮永磁電機具有效率高、壽命長和動態(tài)響應快等特點，在電力節(jié)能與儲能方面具有獨特的優(yōu)勢。因而，高速磁懸浮永磁電機在電力系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸和航空航天等領域具有廣泛的應用前景。

目前，國內外研究人員對高速磁懸浮永磁電機（High Speed Maglev-Permanent Magnet Motor, HSM- PMM）本體的多物理場研究較多，而針對高速磁懸浮永磁電機控制研究較少。高速磁懸浮永磁電機研究的熱點之一是高速永磁電機轉子結構、軸承-轉子動力學和定子結構等。文獻[1-3]從多物理場角度綜合設計18 000r/min高速永磁電機，對不同冷卻方案進行溫度場分析，并分析其柔性轉子系統(tǒng)模態(tài)。文獻[4]對40 000r/min高速永磁電機的電磁軸承轉子系統(tǒng)進行動力學研究。文獻[5]對7 995r/min的高速永磁同步電機線圈與繞組電樞磁場關系進行仿真分析。文獻[6]對一臺30 000r/min的非晶合金高速永磁電機進行轉子物理結構對機殼水冷全封閉式高速永磁電機轉子散熱的影響進行研究。文獻[7]針對表貼式高速永磁電機在高速高溫工況下的轉子強度分析問題，提出考慮軸間填充物的電機轉子結構模型。文獻[8]針對齒槽效應引起的高速永磁電機轉子渦流損耗，提出精確解析計算模型。高速磁懸浮永磁電機磁懸浮系統(tǒng)包括位移傳感器、功率放大器、轉子、線圈、磁軸承、電磁鐵和控制器等。按照磁力提供方式，可以將磁懸浮軸承分成三種：主動磁懸浮軸承、被動磁懸浮軸承和混合磁懸浮軸承[9]。文獻[10]設計了適用于主動磁懸浮軸承高速電機轉子系統(tǒng)的內模控制器，分析參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力等因素的影響，并在額定轉速為24 000r/min的主動磁軸承高速電機平臺上進行了相關的驗證。

功率變換器和高速永磁電機可靠控制是高速磁懸浮永磁電機穩(wěn)定運行的前提條件?；贜PC三電平變換器的變頻調速控制，主要的調制方式包括載波層疊脈沖寬度調制、空間矢量脈沖寬度調制、開關頻率最優(yōu)脈沖寬度調制和特定諧波消除脈沖寬度調制等。但是，對于基于Nautral Point Clamped, NPC三電平變換器的高速磁懸浮永磁電機控制，其控制的挑戰(zhàn)與難點在于高基波頻率高載波頻率狀態(tài)下NPC三電平變換器中點電壓平衡控制和高速永磁電機高頻穩(wěn)定控制。探索適用于基于NPC三電平變換器的大功率高速磁懸浮永磁電機調速控制具有一定的研究意義。

無速度傳感器控制是高速永磁電機穩(wěn)定運行的難點之一。文獻[11]基于模型參考自適應算法對磁鏈觀測方法進行改進，并對額定轉速為12 000r/min的高速永磁同步電機進行驗證，實現(xiàn)電機轉速和轉子位置實時跟蹤。文獻[12]提出一種模糊PI模型參考自適應觀測器，實現(xiàn)額定轉速為30 000r/min的高速磁懸浮永磁電機轉子位置檢測。文獻[13]對額定轉速為20 000r/min的高速永磁同步電機進行滑模變結構控制，辨識永磁電機的參數(shù)與轉速。文獻[14]提出基于虛擬旋轉坐標與狀態(tài)觀測器結合的無傳感器控制方法，對額定轉速為27 000r/min的永磁同步電機進行研究。文獻[15]提出電流環(huán)誤差修正的方法，對額定轉速為24 000r/min的高速永磁同步電機進行轉子位置校正控制。

本文介紹高速磁懸浮永磁電機控制NPC三電平調制方式以及中點電壓不平衡控制方法，研究基于滑模速度觀測器的高速磁懸浮永磁電機無速度控制方式。最后對所提控制方法進行現(xiàn)場應用。

1 NPC三電平調制方式及中點電壓不平衡控制

圖1為基于NPC三電平變換器的高速磁懸浮永磁電機拓撲結構。對于NPC三電平變換器的a、b、c三相，每相都包含4個功率開關器件IGBT、4個續(xù)流二極管，以及兩個鉗位二極管。另外，直流側電容的中點與每相串聯(lián)二極管的中點相連。NPC三電平變換器的負載接高速磁懸浮永磁電機。

圖1 基于NPC三電平變換器的高速磁懸浮永磁電機拓撲

GH坐標系下，NPC三電平空間矢量如圖2所示。

圖2 GH坐標系下NPC三電平空間矢量

設三相正弦電壓的瞬時值在abc三相靜止坐標系中的表達式為

通過改變調節(jié)因子的比例系數(shù)f，進而自動調節(jié)作用因子，實現(xiàn)短矢量作用時間的自動調整，最終實現(xiàn)NPC三電平變換器直流側上下橋臂電容的電壓均衡。

2 高速磁懸浮永磁電機無速度傳感器控制

采用滑模觀測器算法（Sliding Mode Observer, SMO）對高速磁懸浮永磁電機進行無速度傳感器控制，并對SMO控制原理進行介紹。

永磁電機定子電流方程為

利用式（10）～式（12），計算電流觀測誤差為

定義滑模面函數(shù)為

構建Lyapunov函數(shù)為

對式（15）求導可得

利用反正切函數(shù)獲取轉子位置估算信息，有

高速磁懸浮永磁電機控制控制框圖如圖3所示，其控制拓撲采用NPC三電平拓撲，NPC三電平變換器的調制方式采用三電平SVPWM方式，并具有中點電壓平衡控制算法。高速磁懸浮永磁電機無速度控制，利用SMO對永磁電機進行無速度傳感器矢量控制，采集永磁電機三相定子電壓及電流，并利用SMO算法獲取電機的轉速以及轉子位置角。根據(jù)SMO估算出的轉速與轉子位置角，進行電機低頻與高頻切換。

圖3 高速磁懸浮永磁電機NPC三電平控制框圖

Fig.3 NPC three-level converter NPC three level control block diagram of high speed maglev permanent magnet motor

3 高速磁懸浮永磁電機穩(wěn)定控制仿真驗證

在Matlab/Simulink中搭建高速磁懸浮永磁電機NPC三電平控制仿真模型，仿真參數(shù)見表1。

圖4為NPC三電平變換器上下橋臂電容電壓中點平衡控制仿真結果，在0～1.0s內未采用中點電壓平衡算法，上下橋臂電壓不平衡趨勢變大。在1.0s時，加入中點電壓平衡算法，上下橋臂電壓達到平衡狀態(tài)。

當給定轉速為1 200r/min，圖5為采用飽和函數(shù)sat()時永磁電機實際轉速與估算轉速的仿真結果，永磁電機的實際轉速能夠很好地跟蹤給定轉速，估算的轉速維持在1 200r/min左右，上下波動范圍約為5r/min。

表1 高速磁懸浮永磁電機NPC三電平控制仿真參數(shù)

圖4 NPC三電平變換器上下橋臂電容電壓平衡控制仿真結果

圖5 給定轉速1 200r/min時滑模觀測器仿真結果

圖6為高速磁懸浮永磁電機轉速仿真結果，電機實現(xiàn)轉速為20 000r/min狀態(tài)運行。

4 高速磁懸浮永磁電機穩(wěn)定控制實驗驗證

圖7為高速磁懸浮永磁電機NPC三電平控制系統(tǒng)硬件結構，包含380V交流電源、不控整流橋、直流側電容、NPC三電平變換器以及負載。380V交流電壓接入不控整流橋得到540V直流電壓，NPC三電平變換器的直流側與不控整流橋的直流側相連，交流側接高速磁懸浮永磁電機。

圖6 高速磁懸浮永磁電機轉速仿真結果

圖7 高速磁懸浮永磁電機NPC三電平控制系統(tǒng)硬件結構

圖8為現(xiàn)場安裝，包括功率變換器、磁懸浮系統(tǒng)控制器、高速磁懸浮永磁電機等，完成電機調速實驗驗證。

圖8 高速磁懸浮永磁電機NPC三電平控制現(xiàn)場安裝

進行基于GH坐標系的NPC三電平高頻控制的相關實驗，采用NPC三電平中點電壓平衡控制算法，以直流側電壓310V、交流側輸出頻率330Hz為例，NPC三電平變換器直流側中點電壓實驗結果如圖9所示，采用中點電壓平衡控制算法能夠實現(xiàn)NPC三電平變換器上下橋臂電容電壓平衡。

基于滑模觀測器的無速度傳感器控制，在永磁電機0～20Hz運行階段采用開環(huán)控制，并進行電機轉速與轉子位置角辨識，選擇在20Hz時實現(xiàn)從開環(huán)控制到轉速閉環(huán)的階段過渡。圖10為20Hz時高速磁懸浮永磁電機空載時電機轉速與轉子位置角實驗波形，圖10a為20Hz時電機轉速與轉子位置角的給定值，圖10b為20Hz時電機轉速與轉子位置角的估算值，此時給定轉速為1 200r/min，電機實際轉速為1 197r/min。實驗結果與仿真結果基本一致，基于滑模控制的無速度傳感器控制能夠實現(xiàn)很好的轉速辨識。

圖9 頻率330Hz時NPC三電平變換器中點電壓平衡實驗結果

圖10 高速磁懸浮永磁電機20Hz運行結果

圖11 高速磁懸浮永磁電機定位起動空載實驗結果

圖12為高速磁懸浮永磁電機現(xiàn)場高頻運行實驗結果，采集NPC三電平變換器交流輸出側AB線電壓與高速磁懸浮電機三相相電流實驗結果。圖12a為20Hz時相關實驗結果，此時電機實際轉速為1 200r/min，實際轉速跟蹤給定轉速為1 200r/min，該頻率為開環(huán)控制與無速度傳感器控制的切換頻率。圖12b為電機實際轉速為20 000r/min時相關實驗結果，此時電機給定轉速為20 040r/min。磁懸浮永磁電機高速運行時，線電壓波形呈現(xiàn)五電平結構，輸出波形更近似于正弦波。隨著頻率的升高，線電壓呈現(xiàn)上升趨勢。

圖12 高速磁懸浮永磁電機現(xiàn)場運行結果

5 結論

高基波頻率運行狀態(tài)下的功率變換器和高速永磁電機控制是高速磁懸浮永磁電機研究的關鍵技術之一。為了實現(xiàn)高速磁懸浮永磁電機穩(wěn)定運行，從功率變換器控制和高速磁懸浮永磁電機無速度傳感器控制兩個角度進行研究。為了解決高頻狀態(tài)下NPC三電平變換器中點電容不平衡問題，采用基于比例調節(jié)因子的中點不平衡控制方法。功率變換器的穩(wěn)定運行為磁懸浮永磁電機高速運行提供了保障。采用基于滑模觀測器的無速度控制方法，實現(xiàn)高基波頻率高載波頻率下的轉速辨識，實現(xiàn)磁懸浮永磁電機在高頻旋轉磁場下的穩(wěn)定運行。最后，將高速磁懸浮永磁電機控制技術進行現(xiàn)場應用，驗證了所提控制方法的可行性。

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Three-Level Sensorless Control of High Speed Maglev Permanent Magnet Motor

1,22

（1. Institute of Logistics Science and Engineering Shanghai Maritime University Shanghai 201306 China 2. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion (SJTU) Ministry of Education Shanghai 200240 China）

Aiming at the neutral point voltage imbalance in NPC three-level converter at high frequency, a three-level modulation based on GH coordinate system and a neutral point voltage balance control based on proportional adjustment factor are adopted. Regarding the speed identification and high-speed stable operation of high-speed magnetic levitation permanent magnet motor in high-frequency state, the sensorless control strategy of magnetic levitation permanent magnet motor suitable for high-speed rotating magnetic field is adopted. The proposed control method is verified by simulation and applied in the field. The experimental results show that the proposed control method can realize the rotor position positioning and low-speed starting control of high-speed permanent magnet motor without position sensor, and achieve high-speed and stable operation. The proposed control method has good practical application value.

High speed maglev motor, NPC three-level converter, neutral point voltage balance, sensorless control

TM46

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210665

電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室開放課題（2022AC01）資助。

2021-05-13

2021-11-24

張 丹 男，1989年生，講師，研究方向為高速永磁電機控制。

E-mail: zhangdan@shmtu.edu.cn（通信作者）

姜建國 男，1956年生，教授，研究方向為大功率永磁電機控制。

E-mail: jiang@sjtu.edu.cn

（編輯 崔文靜）