0 引 言

无轴承永磁薄片电机(Bearingless Permanent Magnet Slice Motor,BPMSM)是一种集磁悬浮技术、永磁同步电机技术、薄片转子技术于一体的新型高速、高性能特种电机。它既具备磁轴承无机械磨损、寿命长，还具有永磁同步电机功率因数高、转矩脉动小等优点。传统无轴承电机要实现五个自由度的主动控制才能实现真正意义上的悬浮，而BPMSM由于其特殊的薄片转子结构，可实现三个自由度的被动悬浮，仅余下的两个自由度需要主动控制来实现悬浮，因此其系统结构的复杂程度大大降低。由于BPMSM特殊的机械结构，加装叶轮后的转子可以悬浮在一个密闭的泵体内高速旋转，通过这种结构可以将泵体入口处的液体输送到出口，具有高速、无摩擦、无污染、易维护等一系列优点，对我国的航空航天、生物医疗、化工半导体、生物工程等领域的发展具有重要意义[1-5]。

现代电力电子以及控制技术的发展，推动了BPMSM控制策略的快速发展。文献[6]提出将增磁调速和电压调节相结合，对电机转速进行控制的策略，并对该调速策略进行了试验验证；文献[7]提出了基于永磁型无轴承电机空间凸极跟踪的转子位置估算自检测方法，并讨论了高频信号注入、外差法空间凸极信号提取和转子位置跟踪观测器设计等位置检测原理及跟踪技术；文献[8]采用转子磁场定向控制策略实现无轴承永磁同步电机的非线性解耦控制，并验证了该算法的有效性；文献[9]根据永磁同步电机直接转矩的控制方法，提出了基于空间矢量脉宽调制方法的直接悬浮力控制算法，并通过试验验证了该方法的正确性与有效性。由上述文献可以看出当前无轴承电机的悬浮力控制研究主要在径向两个自由度上。尽管BPMSM由于其特殊的薄片转子结构可以实现三个自由度的被动悬浮，但当有干扰力作用在薄片转子的轴向上时，传统控制轴向仅实现被动悬浮，因此薄片转子悬浮的稳定性不高。当干扰发生在临界转速时，薄片转子的振动将会加剧。

本文在介绍BPMSM悬浮原理的基础上，提出了一种基于磁链辨识的BPMSM轴向振动抑制策略。通过转子磁链的变化来估测转子轴向偏移量，将轴向偏移量转化为d轴电流分量的参考值然后通过调节来改善薄片转子的轴向恢复力，实现对轴向振动的有效抑制。最后，将控制策略在1台4 kW的BPMSM样机上进行了试验研究，试验结果表明：所提出的轴向振动抑制策略能够对薄片转子轴向振动进行有效抑制，可有效提高系统抗干扰能力，系统的运行性能得到了改善。

1 BPMSM悬浮原理

将磁轴承中产生径向悬浮力的绕组安装在传统电机定子上就组成了无轴承电机。因此，BPMSM要实现薄片转子径向两自由度的稳定悬浮，需要在传统永磁电机转矩绕组的基础上引入另外一套绕组即悬浮力绕组，当两套绕组的极对数相差1时，利用两套集中绕组分别产生转矩磁场和悬浮力磁场，即可实现对电机转子旋转和悬浮的稳定控制 [10-11]。

本文以试验室爪极式定子结构的BPMSM为研究对象，转矩绕组和悬浮力绕组极对数分别为pM=1、pB=2，由于在电机的定子上嵌有两套绕组且极对数相差1，这两个不同极对数的绕组产生的磁场相互作用将使气隙磁场不再对称平衡，从而产生使转子悬浮的径向悬浮力[12]。如图1所示：(a)中悬浮力绕组产生的磁场(虚线表示)与转矩绕组产生的气隙磁场(实线表示)叠加，增大了气隙右边的磁通，减小了气隙左边的磁通，因此产生沿α正方向的悬浮力；(b)中悬浮力绕组产生的磁通和转矩绕组产生的磁通相互叠加时，气隙上边的磁通增强，气隙下面的磁通减小，从而产生了沿着β轴正方向的径向悬浮力，因此可根据转子偏心位移实时调整悬浮力绕组中电流的大小和相位就可以产生任意空间位置上的径向悬浮力，从而实现对薄片转子径向两自由度的主动悬浮控制。BPMSM转子完全悬浮需要对五个自由度进行控制，除了对径向两自由度悬浮力进行主动控制外，还需要对其余三个自由度进行控制。在BPMSM的被动悬浮系统中，由于薄片转子这一特殊结构，依据磁力线总沿着磁阻最小方向这一特性可知：永磁转子在轴向和扭转自由度上能够实现被动悬浮。如图2所示：(a)中当转子倾斜时，导致磁路中磁阻一边减小，一边增大，这将会产生一个与之相反的力矩以平衡转子；(b)中转子发生轴向偏移，将产生一个与偏移方向相反的磁拉力，使得转子被迫返回到原先的平稳位置[13-14]。

90例骨质疏松性椎体压缩骨折患者中男29例、女61例,年龄54-89岁、平均(74.23±1.17)岁,发病至手术间隔时间1-3d、平均(1.69±0.21)d。利用随机数字表法将入选90例骨质疏松性椎体压缩骨折患者均分为研究组(n=45)、对照组(n=45),各组上述相关数据对比P>0.05(具有可比性)。

ωe、ψf和θ——电机电角速度、转子永磁体磁链和转子的电角位置。

图1 BPMSM径向主动悬浮力产生机理

图2 BPMSM被动悬浮力产生机理

2 BPMSM轴向振动抑制策略

2. 1 轴向振动抑制补偿原理

传统BPMSM转矩控制部分一般采用转子磁场定向矢量控制策略，定义转子N极方向为d轴方向，转矩绕组中通入的电流全部作为q轴电流分量，因此这种控制策略具有控制简单、可靠和转矩特性好等优点。若将转矩绕组电流部分用以产生d轴电流分量，则可以增强或削弱电机励磁磁链，从而有效调整薄片转子轴向位移刚度系数，进而控制轴向恢复力的大小。图3所示为转矩绕组d轴电流id对电机励磁磁链的影响示意图。

青少年型Krabbe病的临床、影像学特点及酶学检测（附1家系报告） … … 孔令恩，庄顺芝，李才明，等 376

图3 BPMSM磁链电流关系图

在电机静止状态下通入大小不同的电流id可以得到id与kz的关系近似为线性，如图4所示,用公式表示为:

(1)

将式(2)和式(3)代入式(1)可以得到

茅盾(1935)[8]曾指出，忠于原文是指在儿童文学作品翻译中，追求本真，在儿童文学作品的翻译中译者不该有所拓展，而这也是直译的精髓所在。

kd——阻尼系数；

kz——轴向位移刚度；

g——重力加速度。

将式(6)代入式(5)中，得

(2)

式中： kG——d轴电流分量id的比例系数。

薄片转子轴向运动方程可以表示为:

kz=ks+kziid

(3)

图4 d轴电流id和轴向位移刚度kz关系图

式中： ks——id=0时的被动悬浮力轴向位移刚度系数；

所谓彻底加热，就是把菜加热到100℃，保持沸腾3 min以上。如果肉块比较大，一定要煮、蒸久一些，或者把肉块切碎，再重新加热。

kzi——通入id时位移刚度系数的变化率。

式中： m——转子质量；

(4)

因此可以通过对id的调节来改变薄片转子在振动时所受到的阻尼力，从而有效抑制薄片转子在z轴方向的振动，进而实现转子的稳定悬浮，改善电机的运行性能。

2. 2 基于磁链辨识的轴向偏移量估测

由上述分析可知，需要对转子z轴偏移量进行检测，从而确定d轴电流分量的给定值传统方法是通过在轴向安装电涡流位移传感器来对其进行检测，但这将增加电机机械结构的复杂性，且成本会增加。本文通过薄片转子磁链检测来估算转子轴向位移偏移量，从而解决上述问题。

由于BPMSM的转矩输出原理与永磁电机相同，故依据电机统一原理，转矩控制子模块的电压方程为:

式中： Rm、Lm——电机转矩绕组的电阻和电感；

umα、umβ、imα、imβ和emα、emβ——电机转矩绕组在α、β轴上的电压、电流和反电动势分量；

对式(6)右端进行积分得

2013年，年届知天命之年的我，看到不少亲朋好友都开上了小汽车，也产生了念头。这一年11月，我花了12余万元把一辆上海大众斯柯达开回了家。父亲看不惯，说：“有两个钱就瞎花，小汽车是公鸡只吃食不生蛋，买只母鸡还能生蛋赚钱呢。”我对父亲说：“你是老思想，现在农场不少职工都有了私家车，有人还买了百万豪车呢。你看看今天的农场，逢年过节，大街小巷全是小汽车。”

当薄片转子轴向发生扰动时，为了产生需要的阻尼力抑制轴向振动，id需正比于转子轴向位置变化速率，所以d轴电流分量参考值可以表示为:

(7)

1.马克思主义指导思想是这一价值体系的灵魂。马克思主义是我们立党立国的根本指导思想，是中国特色社会主义的旗帜。马克思主义提供的科学世界观和方法论，就是中国共产党认识世界和改造世界的立场、观点和方法。正因为具备了这样的立场、观点和方法，中国共产党才能领导全中国人民团结一致，浴血奋斗，取得抗日战争和解放战争的胜利，建立了和平、民主、独立的中华人民共和国，并进而转入了伟大的社会主义革命和建设事业。可以说，这一价值体系是在马克思主义指导下，经过90年的探索和实践而形成的，是马克思主义中国化的具体体现。

(8)

式中： ψfα和ψfβ——ψf在α、β轴上的分量。

冠心病属于一种常见的心脑血管疾病,冠心病还是心力衰竭以及心肌梗死等疾病的重要诱因,出现这类病症很可能直接导致患者失去生命,因此冠心病应当得到重视,加强对冠心病合并心力衰竭疾病治疗的研究,找出这类疾病安全有效的治疗方法[4-5]。

将式(5)进行积分得

(9)

从式(9)可以看出ψf与转矩绕组的电流和电压存在关系，可以通过绕组中的电流和电压计算出ψf。

综上所述，在康复治疗中穿戴功能性肌力训练带，通过固定矫正、感觉输入、重心后移的作用，控制患者的异常运动模式和改善患者平衡功能，提高康复治疗效果，让患者更好地回归家庭和社会；同时此功能性肌力训练带简单易行，操作不复杂，是非常实用的康复治疗工具。

图5所示为轴向偏移量与转子磁链变化原理。从图5中可以看出薄片转子处于中心位置时ψf最大，当转子偏离中心位置时，转子上漏磁将会增大，因此ψf会随着偏离量的增大而逐渐减小。通过试验可知ψf与转子轴向偏移量在一定范围内存在近似线性的关系，如图6所示。则：ψf可以表示为

INCI中文名称：生育酚（维生素E），英文名称：Tocopherol，CAS号：1406-66-2，英文名：Vitamin E。维生素E是抗氧化剂，溶于脂肪和乙醇等有机溶剂，不溶于水，对热、酸稳定。

ψf=ψfm(kz+1)

(10)

式中： k——ψf在z轴上随位移变化的速率；

ψfm——转子处于中心位置(z=0)时转子磁链。

图5 轴向偏移量与转子磁链变化原理图

图6 轴向偏移量与转子磁链线性关系图

因此ψf在α、β轴上的分量为

(11)

从式(11)可以得到

(12)

由式(12)可以估算出薄片转子在z轴上的偏移量，将检测到的转子轴向偏移量代入式(2)，就可以得到转矩绕组d轴电流参考值最终通过对的实时调节即可实现对轴向振动的有效抑制。

3 BPMSM控制系统设计

根据以上分析，将BPMSM控制系统分成两个控制子系统，即悬浮力控制子系统和转矩控制子系统。系统结构框图如图7所示。悬浮力控制子系统采用径向位移和径向悬浮力双闭环控制[15]，在转子悬浮力控制双闭环中，薄片转子在α、β方向上的位移由位移传感器测得，测得的位移值α、β与位移参考值α*、β*做差后输入PID控制器，生成α、β坐标系下的径向悬浮力命令值然后将其与悬浮力估算值Fα、Fβ作差比较后经力/磁链转换模块得到悬浮力绕组磁链变化量Δψsα和Δψsβ，最后经过空间矢量脉宽调制算法生成智能功率模块需要的电压控制信号usA、usB和usC，控制电机悬浮力绕组电流；转矩控制子系统在传统转子磁场定向控制上加以改变，首先通过霍尔传感器获得转矩绕组电压分量umA、umB、umC和电流分量imA、imB、imC，通过clark变换得到α、β两相静止坐标系下的转矩绕组电流和电压分量imα、imβ、umα、umβ，然后将其分别输入给z轴位置估算模块，得到薄片转子z轴位置偏移量z，将偏移量z经位移/电流转换模块，依据得到d轴电流参考值将转速参考值ω*与转速计算模块输出的转速实际值ω作差比较，经过PI调节后得到q轴电流参考值参考值和分别与实际测量值id和iq作差比较，经过PI得到d-q旋转坐标系下的电压分量参考值和然后通过ipark变换得到和最后经过空间矢量脉宽调制算法，生成智能功率模块需要的电压控制信号umA、umB和umC，控制电机转矩绕组电流，从而在实现BPMSM稳定旋转的同时，通过对d轴参考电流的调节来有效抑制薄片转子轴向上的振动。

4 试验结果分析

根据图7所示控制系统框图，将本文提出的轴向振动抑制策略应用于1台4 kW的BPMSM样机进行试验验证。本试验采用Ti公司的TMS320F2812DSP作为控制器构建数字控制系统，试验样机参数见表1。

负责现场监督的道达尔公司聘请的外方人员是一名法国人，称呼其马克吧。该人负责整个苏南道达尔项目压裂试气及井下服务的监督工作，年纪有60 岁左右，做事认真，技术能力过硬，在该区块工作5 年多赢得了甲方领导的信任和好评，可以说现场施工他一人说了算。

图7 无轴承薄片电机控制系统原理图

表1 样机参数

参数数值参数数值定子外径DS1/mm200薄片转子质量m/kg1定子内径DS2/mm84气隙长度Lg/mm2转子外径Dr1/mm80转矩绕组极对数pM1转子内径Dk2/mm30悬浮力绕组极对数pB2转子轴向长度l/mm20初始位移刚度ks/(N·mm-1)9．61位移刚度变化系数kzi/(N·mm/A-1)0．76z=0时转子磁链ψfm/Wb0．21转子磁链变化系数k/mm-10．0146i∗d比例系数kG/(A·mm/s-1)0．52

图8所示为本试验所用试验平台，试验过程中通过由VB 6.0开发的调试软件在线修改系统控制参数。图9所示为试验中动态加速过程，从图9中可以看出BPMSM加速到1 200 r/min仅需要约0.75 s，电机具有良好的动态加速特性。

1.1 药物及试剂 白藜芦醇、D-半乳糖、γ-谷氨酰半胱氨酸连接酶(GCL)测定试剂盒、还原型谷胱甘肽(GSH)测定试剂盒均购于北京索莱宝科技有限公司；总蛋白(TP)测定试剂盒购于长春汇力生物技术有限公司。

图8 BPMSM试验平台

图9 动态加速过程

图10 不同控制方法下轴向性能比较

图10所示为电机在1 200 r/min时给薄片转子施加相同大小的轴向干扰力时，两种控制策略对薄片转子轴向振动的抑制情况。从图10中可以看出由于施加干扰力，使得转子在轴向上产生约600 μm的轴向偏移量。由于传统悬浮力控制策略中并没有对轴向振动采取相关措施，因此经过176 ms后薄片转子才趋于稳定，且振动幅度约在±200 μm，如图10(a)所示；本文提出的轴向振动抑制策略仅需125 ms即可恢复稳定，且稳定后的振动幅度约在±150 μm，薄片转子重新恢复到稳定状态所用的时间更短，且转子轴向振动的幅度也得到了降低，如图10(b)所示。图11所示为电机转速在1 200 r/min，采用本文控制策略时α、β轴径向位移图形，从图11中可以看出薄片转子径向位移波动约在±120 μm，因此转子径向悬浮性能稳定。以上试验结果表明：本文所提出的轴向振动抑制策略具有良好的动态加速性能，不仅可以实现薄片转子径向两自由度的稳定悬浮，而且可以对轴向干扰产生的振动进行有效抑制，因此系统具有较强的抗干扰能力和良好的动、静态性能。

图11 α、β轴径向位移

5 结 语

本文提出了一种基于磁链辨识的BPMSM轴向振动抑制策略。当薄片转子轴向受到扰动时，利用转子磁链的变化来估测转子轴向偏移量，然后将估测的轴向偏移量转化为d轴电流分量参考值通过对的实时调节来改善薄片转子的轴向恢复力，实现对轴向振动的有效抑制，从而有效改善电机的悬浮性能。试验结果表明：所设计的轴向振动抑制控制策略，不仅可以满足BPMSM径向两自由度稳定悬浮的要求，而且可以对薄片转子受到的轴向干扰进行有效抑制，从而实现转子五自由度的稳定悬浮。

【参 考 文 献】

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