Sabit mıknatıslı toroidal motorun MRAS'a dayalı konum sensörsüz kontrolü
Motor, makinenin güç kaynağıdır.Endüstriyel teknolojinin ilerlemesiyle motor da yüksek performans, yüksek verimlilik ve büyük tork yönünde gelişmekte ve kontrol sisteminin karmaşıklığı da artmaktadır. Kalıcı mıknatıslı toroidal motor, gezegensel sonsuz iletimi ve elektromanyetik iletimi birleştiren yeni bir motor türüdür.Mekanik şanzıman, elektromanyetik ağ oluşturma ve elektromekanik kontrolü birleştirerek kontrol sisteminin karmaşıklığını azaltır, motorun sorunsuz çalışmasını sağlar ve azaltır Sürtünme ve gürültü azaltılır ve iletim verimliliği iyileştirilir. Kalıcı mıknatıslı toroidal motor, küçük bir alanda büyük bir torku iletebilen bir planet dişli yapısının özelliklerine sahiptir.Bu yapısal özellik, havacılık, askeri ve kompakt yapı gerektiren araçlarda motor potansiyelini oluşturur. Uygulama umutları.
Kalıcı mıknatıslı toroidal motor, yeni bir özel motor türüdür.Şu anda, motor yapı tasarımının optimizasyonu, çalışma prensibinin analizi ve dinamiklerin incelenmesine odaklanmaktadır. Kalıcı mıknatıslı toroidal motorun kontrol yöntemi üzerine yapılan araştırma, motor araştırmalarının önemli bir parçasıdır.İyi bir kontrol etkisi elde etmek için kalıcı mıknatıslı toroidal motorun hızını ayarlamak için uygun bir kontrol yöntemi tasarlamak, ancak bu alanda yurtiçi ve yurtdışında çok az araştırma vardır. Bu nedenle, kalıcı mıknatıslı toroidal motorun kontrol yöntemi üzerine yapılan araştırmalar büyük önem taşımaktadır. Son yıllarda teknoloji önerilmiş ve motor kontrol alanına uygulanmıştır. Pozisyon sensörsüz kontrol teknolojisi mekanik sensörü iptal eder Kontrol teknolojisi basit bir yapıya ve yüksek kontrol doğruluğuna sahiptir. Literatür, motor rotorunun konumunu tahmin etmek ve motor kontrol teknolojisini optimize etmek için konum sensörsüz kontrol teknolojisini kullanır. Pozisyon sensörsüz kontrol teknolojisi, motor hacmini ve yapısal karmaşıklığı artırmadan kontrol sisteminin doğruluğunu karşılar Bu kontrol teknolojisi, kalıcı mıknatıslı toroidal motorların kontrolü için uygundur. Konum sensörsüz kontrol yöntemleri arasında genişletilmiş Kalman filtre yöntemi, kayan mod gözlemci yöntemi, geri EMF tahmin yöntemi vb. Bulunur. Model referans uyarlamalı yöntemin nispeten basit kontrolü ve yüksek kontrol hassasiyeti nedeniyle, bu makale, model referans uyarlamalı kalıcı mıknatıslı toroidal motorlar için konum sensörsüz bir kontrol sistemi tasarlar.
Sabit mıknatıslı toroidal motorun yapısının ve çalışma prensibinin analizine dayanan bu makale, motorun endüktansını analiz eder ve motorun bir modelini oluşturur. Model referans uyarlamalı kalıcı mıknatıslı toroidal motorun pozisyon sensörsüz kontrol sistemi tasarlanır, kontrol sisteminin simülasyon modeli oluşturulur, simülasyon sonuçları analiz edilir ve tasarlanan kontrol sisteminin rasyonelliği doğrulanır.
1 Sabit mıknatıslı toroidal motorun yapısal prensibi
Sabit mıknatıslı toroidal motorun yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Sabit mıknatıslı toroidal motor, esas olarak bir sonsuz iç stator 1, bir gezegen çarkı 2, bir gezegen taşıyıcı rotor 3 ve bir dış stator 4'ten oluşur.
Sabit mıknatıslı toroidal motorun dış statoru, motorun dönüşü için sabit bir manyetik alan sağlamak üzere NS kutupları ara yüzüne sahip uzay sarmal sabit mıknatıs kirişlerinden oluşur. Sabit mıknatıslı toroidal motorun rotoru, bir gezegen taşıyıcısı tarafından sabitlenmiş belirli sayıda gezegen tekerleklerinden oluşur ve NS kutuplu kalıcı mıknatıslar, her bir gezegen çarkının çevresinde eşit olarak dağıtılır Kalıcı mıknatısların sayısı, gezegen dişlisinin manyetik dişlerinin sayısıdır. Solucanın iç statoru lamine silikon çelik saclardan yapılmıştır.Yüzey, uzaysal olarak spiral armatür yuvaları ile eşit olarak dağıtılır.Yataklara armatür sargıları yerleştirilir.Üç fazlı alternatif akım uygulandığında, uzaysal spiral dönen bir manyetik alan oluşacaktır. Kalıcı mıknatıslı toroidal motorun çalışması sırasında, kalıcı mıknatıs dişleri, solucanın iç statoru ile toroidin dış statoru arasındaki uzay manyetik alandan etkilenir Gezegensel tekerlek çevresinin tanjantı boyunca oluşan manyetik alan kuvveti, gezegen çarkının dönmesine neden olur. Gezegensel dişlinin eksenel yönündeki bileşen kuvveti, planeter dişlinin dönmesine neden olur, böylece planeter taşıyıcı rotorun dönmesini sağlar ve motorun tork çıkışını gerçekleştirir.
2 Sabit mıknatıslı toroidal motorun analizi ve modellemesi
2.1 Solucan sargı endüktansının analizi ve hesaplanması
Sabit mıknatıslı toroidal motorun matematiksel modelini oluşturmak için önce motorun endüktansı analiz edilir ve kalıcı mıknatıslı toroidal motorun endüktans ifadeleri ve gezegen çarkı rotorunun konumu elde edilir. Sabit mıknatıslı toroidal motorun yapısal özelliği nedeniyle, bu makale motorun gezegen taşıyıcı rotorunun dönüş yönünü (yön 1 olarak ayarlanır) ve dönüş yönünü (yön 2 olarak ayarlanır) analiz edecek ve modelleyecektir. Solucan sargı endüktansı, ayrı ayrı analiz edilmesi ve hesaplanması gereken sargılar arasında kendi kendine endüktansı ve karşılıklı endüktansı içerir. Solucan sarma açısı aralığında, üç fazlı sargılar eşit olarak dağıtılır ve planet dişlinin dönüş mekanik açısı bir elektrik açısına genişletilir Bu zamanda, kalıcı mıknatıs dişinin modeli ve sargı, bir iç rotor çıkıntı kutuplu sabit mıknatıslı motor olarak kabul edilebilir. Kalıcı mıknatıs dişleri, dahili kalıcı mıknatıs rotoruna eşdeğerdir ve sarım endüktansını analiz etmek ve hesaplamak için eşdeğer bir koordinat sistemi oluşturulmuştur. Eşdeğer koordinat sisteminin kuruluş süreci Şekil 2'de gösterilmiştir.
R, solucanın toroidal yarıçapı olduğunda, N kalıcı mıknatıslı toroidal motorun solucan sargısının dönüş sayısıdır, g solucan ile gezegen dişli arasındaki hava boşluğudur, 0 manyetik geçirgenliktir ve l solucan sargısının tek fazlı dönüş uzunluğudur .
Solucan yapısının özelliğinden dolayı kalıcı mıknatıslı toroidal motor, üç fazlı sargı, solucan üzerine spiral olarak sarılır, yani, solucan sargısının tek fazlı dönüşünün uzunluğu, sonsuz sarmal açısı ile ilgilidir. Solucan sargısının tek fazlı dönüşlerinin uzunluğu:
2.2 Sonsuz sargı ile planet dişlinin kalıcı mıknatıs dişleri arasındaki karşılıklı endüktans
Gezegen dişlisinin dönüşü sırasında, kalıcı mıknatıs dişlerinin ve sargıların birbirine geçmesi, manyetik alanda periyodik dalgalanmalar oluşturur.Manyetik alanın periyodik dalgalanmaları, Şekil 3'te gösterildiği gibi, sonsuz ve gezegen dişlisi arasındaki geçme noktasında manyetik akıda periyodik değişikliklere neden olur.
Gezegen dişlisinin kalıcı mıknatıs dişlerinden biri, Şekil 4 (a) 'da gösterildiği gibi sonsuz boğazın konumuna döndüğünde, iç içe geçme alanındaki manyetik akı en küçüktür. Planet dişli Şekil 4 (b) 'de gösterilen konuma döndüğünde, iç içe geçme alanındaki manyetik akı en büyüktür. Kalıcı mıknatıs diş akı bağlantısının dalgalanma frekansı, uydu dişlisinin daimi mıknatıs dişlerinin sayısı ile ilgilidir ve manyetik akının periyodik değişimi, karşılık gelen pozitif dönüş ifadesiyle ifade edilebilir. Planet dişli kalıcı mıknatıs dişli manyetik zincirinin boyutu:
Bunlar arasında z0, simitin dışındaki stator manyetik dişlerin sayısıdır.
2.3 Sabit mıknatıslı toroidal motorun matematiksel modeli
Sabit mıknatıslı toroidal motorun endüktansının yukarıdaki analizine dayanarak, üç fazlı ve on iki yuvalı sargılı motorun matematiksel bir modeli oluşturulur. Üç fazlı statik koordinat sistemindeki sabit mıknatıslı toroidal motorun akı bağlantı denklemi:
Sabit mıknatıslı toroidal motor akımının vektör ayrıştırma kontrolünü gerçekleştirmek ve motor pozisyonu sensörsüz kontrolör sisteminin tasarımını kolaylaştırmak için, motorun akı bağlantısı, voltaj ve elektromanyetik tork denklemlerinin iki fazlı bir döner koordinat sisteminde oluşturulması gerekir. İlk olarak, denklem (11) 'deki solucan sargısının akı denklemi Clark ve Park tarafından dönüştürülür:
J sabit mıknatıslı toroidal motorun atalet momenti olduğunda, TL motor tarafından yüklenen yük torkudur, B motorun çalışması sırasında sönümleme katsayısı ve m = d1m / dt gezegen taşıyıcı rotorun dönüşü sırasında mekanik açısal hızdır.
3 Kalıcı mıknatıslı toroidal motor kontrol sistemi tasarımı
3.1 MRAS'a dayalı kalıcı mıknatıslı toroidal motor kontrol sisteminin tasarımı
Sabit mıknatıslı toroidal motorun çıkış voltajı ve akımı tespit edilebildiği için, gezegen taşıyıcı rotor devrinin açısal hızı motor voltajı ve akımı ile tahmin edilebilir ve kalıcı mıknatıslı toroidal motorun konum sensörsüz kontrolü gerçekleştirilebilir. Bu kağıt, model referans uyarlamalı (MRAS) sisteme dayalı olarak kalıcı mıknatıslı toroidal motorlar için konum sensörsüz bir kontrol sistemi tasarlar Kontrol prensibi Şekil 4'te gösterilmektedir.
Model referans uyarlamalı sistem yapısı üç bölümden oluşur: ayarlanabilir model, referans model ve uyarlanabilir yasa. Sabit mıknatıslı toroidal motor modeli referans uyarlamalı kontrolde, motorun bilinmeyen parametresiz gerilim denklem ifadesi (gezegen taşıyıcı rotorun elektriksel açısal hızı) referans model olarak kullanılır ve tanımlanacak parametreleri içeren gerilim denklemi ayarlanabilir model olarak tasarlanmıştır. İki model, motor çıkış akımıyla aynı fiziksel anlama sahiptir. Referans modelin çıkış akımı hatası ve ayarlanabilir model kullanılarak, kalıcı mıknatıslı toroidal motorun gezegen taşıyıcı rotorunun elektriksel açı tanımlaması, uygun bir uyarlamalı yasa tasarlanarak gerçekleştirilir.
Sabit mıknatıslı toroidal motor için, denklem (16) 'daki d-q ekseni altındaki motor voltaj denklemi şu şekilde yeniden yazılır:
3.2 Uyarlanabilir yasanın belirlenmesi
onların arasında:
Gezegen taşıyıcı rotor devrinin elektrik açısını elde ettikten sonra, kalıcı mıknatıslı toroidal motorun dönüş hızı elde edilebilir ve tahmini dönüş hızı kontrol sistemine geri beslenir, böylece kalıcı mıknatıslı toroidal motorun konum sensörsüz kontrolünü gerçekleştirir.
4 MRAS'a dayalı kalıcı mıknatıslı toroidal motor simülasyonu
Yukarıdaki teorik analize dayanarak, MATLAB / Simulink ortamında, ilk olarak formül (16), formül (18) ve formül (19) 'a göre kalıcı bir mıknatıslı toroidal motor modeli oluşturmak için S-Function fonksiyonunu kullanın. Yukarıda tasarlanan MRAS tabanlı sabit mıknatıslı toroidal motor pozisyon sensörsüz kontrol sistemine dayanarak, ilgili simülasyon deneyleri gerçekleştirilir. Kontrol sisteminin blok şeması Şekil 5'te gösterilmektedir.
MRAS'a dayalı sabit mıknatıslı toroidal motorun konum sensörsüz kontrol sistemi, akım ve hızın çift kapalı döngü kontrolünü benimser ve hem akım döngüsü hem de hız döngüsü geleneksel PI kontrolünü benimser. Sabit mıknatıslı toroidal motor pozisyonu sensörsüz kontrol sistemi, MRAS uyarlamalı gözlemci aracılığıyla gerekli geri bildirim sinyalini (gezegen taşıyıcı rotorun pozisyon açısı) alır ve ardından motor hızını elde eder ve ardından tahmini hızı verilen hız ile karşılaştırır. Önce verilen q ekseni akımını hız döngüsünden çıkarın ve ardından verilen q ekseni voltajını akım döngüsü üzerinden alın ve verilen d ekseni voltajını aynı şekilde alın.Uzay vektör modülasyon modülü aracılığıyla, kalıcı mıknatıslı toroidal motorun hız kontrolünü gerçekleştirmek için uygun darbeleri çıkarın .
Simülasyon parametrelerini Tablo 1'de gösterildiği gibi ayarlayın, karşılık gelen kalıcı mıknatıslı toroidal motor modelini ve simülasyon deneyleri için kontrol sistemi modelini oluşturun.
Sabit mıknatıslı toroidal motorun solucanının sarma açısı ana parametredir ve sarma açısı, motorun yapısını ve çıktısını belirler. Ardından, simülasyon için solucanın sarma açısının sırasıyla / 2 ve 3 / 5 olduğu durumu seçin ve bu iki durumda motor çalışma koşullarını analiz edin. Simülasyon koşulları şu şekilde ayarlanır: simülasyon süresi 0,4 sn, nominal hız N * = 600 dev / dak, motor yüksüz çalıştırılır, hız 0,1 sn'de 400 r / dk'ya ayarlanır ve elde etmek için 0,25 sn'de 5 N yük uygulanır. Simülasyon sonuçları Şekil 6 ila Şekil 8'de gösterilmektedir.
Yukarıdaki simülasyon sonuçlarından, sabit mıknatıslı toroidal motorun hızının, motorun dönüşü sırasında gezegen dişlisinin daimi mıknatıs dişleri ile sonsuz sargı arasındaki elektromanyetik geçmenin neden olduğu küçük dalgalanmalara sahip olduğu görülebilir. Sabit mıknatıslı toroidal motorun başlangıcı sırasında hız hatası ve gezegen taşıyıcı rotor pozisyon hatası nispeten büyüktür Motor sabit bir duruma ulaştığında, hız tahmin hatası ve gezegen taşıyıcı rotor pozisyon açısı hatası giderek azalır. Sabit mıknatıslı toroidal motorun hızını düşürme sürecinde, motor hızının tahmini değeri küçük dalgalanmalara sahiptir. Sabit mıknatıslı toroidal motor sorunsuz çalıştıktan ve aniden yüklendikten sonra, kontrol sistemi hala gezegen taşıyıcı rotorun konum açısını tahmin edebilir, hız dalgalanmasının genliği küçüktür ve hızlı bir şekilde kararlı durum çalışmasına dönebilir. Motorun farklı sarma açıları altında simülasyon eğilimi aynıdır, ancak solucanın sarma açısındaki artış, kalıcı mıknatıslı toroidal motorun hızında daha büyük dalgalanmalara ve gezegen taşıyıcı rotor konumunun tahmininde daha büyük hataya yol açar.
Simülasyon sonuçları, tasarlanan MRAS tabanlı sabit mıknatıslı toroidal motor pozisyon sensörsüz kontrol sisteminin gezegen taşıyıcı rotorun pozisyon açısını etkili bir şekilde tespit edebildiğini göstermektedir.Kontrol sistemi, farklı hız koşullarında iyi bir hız izleme kabiliyetine sahiptir. Kontrol sistemi, İyi dinamik ve statik performans.
5. Sonuç
Sabit mıknatıslı toroidal motorun yapısının ve prensibinin incelenmesine dayanarak, motorun endüktansı analitik olarak hesaplanır ve bu temelde bir motor modeli oluşturulur. MRAS'a dayalı kalıcı mıknatıslı toroidal motorun konum sensörsüz kontrol sistemi tasarlanmış ve kontrol sistemi simülasyon deneyi gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları, yerleşik MRAS tabanlı sensörsüz kontrol sisteminin, kalıcı mıknatıslı toroidal motorun hızını ve gezegen taşıyıcı rotor devrinin elektrik açısını daha iyi tahmin edebildiğini göstermektedir.Kontrol sistemi, kalıcı mıknatıslı toroidal motoru daha iyi gerçekleştirir. Konum sensörü kontrolü, kalıcı mıknatıslı toroidal motor kontrol sisteminin tasarımı için teorik rehberlik sağlar.
Referanslar
Hao Xiuhong, Xu Lizhong, Zheng Dazhou.Elektromekanik Entegre Toroidal Transmisyon Sisteminin Güçlü Doğrusal Olmayan Titreşimi Üzerine Araştırma Çin Makine Mühendisliği, 2010, 21 (19): 2278-2284.
Xu Lizhong, Huang Jin. Toroidal sürücüyü entegre eden elektromekanik için torklar Makine Mühendisleri Enstitüsünün Bildirileri: Kısım C-Makine Mühendisliği Bilimi Dergisi, 2005, 219 (8): 801-811.
Xu Lizhong, Gao Yanxia.Mechatronics Integrated Toroidal Transmission Doğrusal Olmayan Elektromekanik Bağlanma Dinamikleri Araştırması Yanshan Üniversitesi Dergisi, 2013, 37 (1): 15-21, 44.
Zheng Dazhou, Xu Lizhong, Li Wen, vb. Elektromekanik entegre toroidal transmisyonun sürüş prensibi Mekanik Tasarım ve Araştırma, 2008 (3): 43-45.
Yang Lingyi, Wang Zhongqing. Kalıcı mıknatıslı senkron motorun çevrimiçi parametre tanımlamasına dayalı konum sensörsüz kontrolü. Laboratuvar araştırması ve keşfi, 2018, 37 (2): 104-107, 127.
Bai Hongfen, Zhu Jingwei, Qin Junfeng, vd.Çift sargılı sabit mıknatıslı hataya dayanıklı motorun rotor konumu tahmin algoritması, değişken yapı modeli referans uyarlamalı. Control and Decision, 2018, 33 (1): 27-36.
Cao Guangzhong, Huang Sudan, Wang Jihuan, vb. Düzlemsel anahtarlamalı isteksizlik motor modeli referans uyarlamalı konum kontrolü Journal of Electrical Machines and Control, 2016, 20 (6): 1-8.
Chen Wei, Zhang Zhiwei.Uyarlanabilir kayan mod gözlemciye dayalı kalıcı mıknatıslı senkron motorun konum sensörsüz kontrolü.Elektrik Mühendisliği ve Enerjinin Yeni Teknolojisi, 2016, 35 (8): 8-14.
Qiu Tengfei, Wen Xuhui, Zhao Feng, ve diğerleri.Kalıcı mıknatıslı senkron motorun kontrol parametresi tasarım yöntemi.Elektrik Mühendisliği ve Enerjinin Yeni Teknolojisi, 2016, 35 (6): 60-66.
yazar bilgileri:
Liu Xin, Wei Xufeng
(Tianjin Teknoloji Üniversitesi, Tianjin Modern Mekanik ve Elektrik Ekipman Teknolojisi Anahtar Laboratuvarı, Tianjin 300387)
