永磁无刷直流电机的电磁耦合器优化控制研究

叶伟慧

(广东海洋大学寸金学院,广东 湛江 524088)

永磁无刷直流电机的电磁耦合器优化控制研究

叶伟慧

(广东海洋大学寸金学院,广东 湛江 524088)

永磁无刷直流电机的电磁耦合器是实现感应电能传输的重要器件，通过对电磁耦合器的优化控制设计，提高电磁耦合器的稳定性和输出增益。提出一种基于优化粒子群算法的电磁耦合器优化控制方法，首先进行了永磁无刷直流电机的电磁耦合器的等效电路设计，构建电磁耦合器控制的约束参量模型，以输出电压增益、功率损耗与效率为约束参量构建控制目标函数，实现控制算法的改进，进行了永磁无刷直流电机的电磁耦合器的优化设计。仿真实验结果表明，能有效提高永磁无刷直流电机的电磁耦合的输出稳定性，电机输出的电流增益、电压增益与输出效率高于传统方法，展示了较好的应用价值。

永磁无刷直流电机；电磁耦合器；三维磁场分布；控制；粒子群

0 引 言

永磁无刷直流电机发电是根据电磁耦合器的电磁场感应特性，结合磁损耗抑制和无阻尼非线性约束方法进行智能控制，实现电能的稳定输出。永磁无刷直流电机的电磁耦合器是实现感应电能传输的重要器件，通过对电磁耦合器的优化控制设计，提高电磁耦合器的稳定性和输出增益，研究永磁无刷直流电机的电磁耦合器的优化控制方法，在电机优化设计中具有重要意义。

永磁无刷直流电机电能传输中使用的电磁耦合器，对永磁电机耦合器的稳定性要求较高，永磁无刷直流电机是一种多变量、非线性的强耦合系统，在其电磁耦合器控制过程中，需要构建多元的约束参量模型，通过分析电磁耦合器的输入输出的功率特性，结合等效电路设计，提高电机的输出增益。传统方法中，对永磁无刷直流电机的电磁耦合器的控制方法主要有基于模糊PID控制的电机控制方法、基于BP神经网络自适应误差修正的电磁耦合控制方法和基于Lyapunove稳定性控制原理的电机电磁耦合器控制方法等[1-3]。上述方法在进行电磁耦合器控制过程中，对无槽永磁电机的电力机械执行机构的阻抗和干扰没有进行有效抑制，导致控制性能不好。对此，相关文献进行了电机控制方法的改进设计，其中，文献[4]提出一种基于梯度优化算法的电机的电磁耦合器智能控制方法，采用蚁群觅食的仿生技术，进行控制算法改进，提高了电机的输出功率增益，该算法的计算开销较大，自适应收敛性不好。文献[5]提出一种基于基因遗传算法的无槽永磁无刷直流电机多约束控制方法，该控制系统在进行电机自动化控制过程中，受到的干扰较大，抗干扰性能不好。文献[6]给出的永磁无刷直流电机电磁耦合器控制方法采用共振激励控制方法，电磁共振在控制供电频率输出中出现励磁绕组失真。

针对上述问题，本文提出一种基于优化粒子群算法的电磁耦合器优化控制方法，首先进行了永磁无刷直流电机的电磁耦合器的等效电路设计，然后构建电磁耦合器控制的约束参量模型，以输出电压增益、功率损耗与效率为约束参量构建控制目标函数，实现控制算法的改进，最后进行了永磁无刷直流电机的电磁耦合器的优化设计。通过仿真实验进行了性能测试，表明了本文控制方法在提高电机的输出性能方面的优越性，得出有效性结论。

1 永磁无刷直流电机的电磁耦合器的等效电路设计与控制约束参量分析

1.1 永磁无刷直流电机的电磁耦合器的等效电路设计

为了实现对永磁无刷直流电机的电磁耦合器的优化控制，首先需要构建磁无刷直流电机的电磁耦合器的等效电路结构模型，平板式永磁无刷直流发电系统主要由感应电能组件、电磁耦合器、控制器和逆变器四大部分组成，无槽永磁无刷直流电机及参数示意图如图1所示。

图1 无槽永磁无刷 直流电机及参数示意图

图1所示的永磁无刷直流电机系统主要由电子元整流和滤波器件构成，不涉及机械部件，其中永磁无刷直流电机在谐振条件下永磁无刷极对数P，极弧系数β，磁极厚度lm，转子/定子轭轴向偏移漏感的厚度ly，电压增益磁导率μ0=4π×10-7H/m，μr1和μr2为两个固有谐振频率相等的线圈，绕组厚度lw、气隙长度lg，电磁共振式转子半径rr，供电频率Jcu，通过上述分析，得到永磁无刷直流电机的转矩可以表示为：

(1)

(2)

在永磁无刷直流电机的电磁耦合器中，对线圈的定位方法分离式结构，形成线圈序列，由于电磁耦合器的耦合系数低，功率因数小，电磁感应式电能传输能力弱，因此需要采用误差修正补偿技术进行电磁耦合控制，使系统的功率因数达到最大，提高对电机的输出功率控制效能[7]。根据上述设计思想，进行永磁无刷直流的电磁耦合器设计，得到无刷直流电机的感应电能传输原理图如图2所示，建立了互感耦合模型，得到带有电磁耦合补偿的“T”型等效电路如图3所示。

图2 无刷直流电机的感应电能传输原理

图3 永磁无刷直流电机的 电磁耦合器“T”型等效电路

在上述建立无槽永磁无刷直流电机电磁耦合器的电能传输原理图和等效电路图的基础上，进行电磁耦合器的优化控制设计，采用电路分析方法计算等效登陆中的参数，构建控制约束参量模型，以进一步分析系统性能。

1.2 参数计算和控制约束参量分析

根据上述建立的电机参数模型和等效电路，进行永磁无刷直流电机的电磁耦合控制参量模型分析，在电机控制过程中，电机的功率损耗可以分为：电损耗、磁损耗和机械损耗。假设无槽永磁无刷直流电机的发射线圈电流有效值为Ip，则磁偶极子中电能传输的全磁场有效电流值Is，计算电磁转换过程中的铁心导磁率，共振线圈上输入有效电流值Ir，在电磁耦合器的偶极子的辐射磁矩一定时，计算得到负载Ro上电流有效值Io，有效电流值Ir，全磁场有效电流值Is分别为：

(3)

磁场强度随电磁耦合器分布的距离具有非线性递减的关系，为了使无刷直流电机得到的最大电磁转矩，在进行耦合器控制过程中，需要计算变化反射阻抗Zrl，为：

(4)

计算电枢反应和定/转子铁芯磁阻，在电磁耦合器的输入阻抗并联情况下，得到电机的永磁体和绕组的阻抗Zrl，Zsr，Zps分别为：

(5)

此时，在优化控制模型下，永磁无刷直流电机的输出功率为：

(6)

电机在旋转运动中，存在N个与磁场垂直的导体，此时电机的传输效率为：

(7)

2 基于粒子群优化的控制算法及电磁耦合器优化设计

2.1 基于粒子群优化的控制算法

在上述构建的永磁无刷直流电机的电磁耦合器等效电路和控制约束参量模型的基础上，进行控制算法改进设计，传统的永磁无刷直流电机电磁耦合器控制方法采用共振激励控制方法，电磁共振在控制供电频率输出中出现励磁绕组失真，为了克服传统方法的弊端，本文提出一种基于优化粒子群算法的电磁耦合器优化控制方法，以输出电压增益、功率损耗与效率为约束参量构成[8-10]，电压增益、功率损耗与效率可以表示为：

(8)

(9)

其中

(10)

采用全波整流方法进行高频逆变筛选，计算电感Llp，Lls和Lm，令v=rωr，r=rr+lg，B=kβk1Bg，l=lskfkcAw/Ac,由此得到了控制目标函数为：

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

(11)

(12)

其中ε为一个小的常数，表示电容的气隙，在电磁耦合器设计中，气隙可以尽量选择小，那么，电磁耦合器的电流密度矢量xi=(xi1,xi2,…,xiD)在最好位置为gbest，此时优化控制的输出fu(χ)定义为：

(13)

其中σ为一个较大的常数。对每一代粒子群，根据惯性权重进行局部搜索，得到电磁耦合器优化控制的迭代方程为：

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

(14)

xid=xid+Vid

(15)

其中w为磁损耗惯性权重，c1和c2为粒子进化的加速度常数，rand()和Rand()为两个在[0,1]范围里变化的随机值。通过上述控制算法改进设计，提高了电磁耦合器的控制性能。

2.2 电磁耦合器优化设计实现

根据上述对永磁无刷流电机电磁耦合器控制方法改进设计的基础上，采用IRPF260N型电路设计方法，建立等效电路模型设计电磁耦合器，基于粒子群优化控制后的电磁耦合器等效电路如图4所示。

图4 优化控制的电磁耦合器等效电路

图4中，采用磁滞损耗二极管搭建整流电路，电路各模块的阻抗分别为：

Z3=Req+Zs

(16)

(17)

(18)

其中结合对直流电力高频交流电传输性能，有：

(19)

(20)

Zm=jωLm

(21)

计算电机磁损耗，以控制电机的输出功率和电能传输效率，得到输出的功率损耗为：

(22)

由电机磁损耗可以计算出永磁无刷直流电机的输出效率：

(23)

通过上述设计，实现了永磁无刷直流电机的电磁耦合器优化控制，最后通过仿真实验进行性能测试和分析。

3 仿真结果和性能分析

为了测试本文设计的永磁无刷直流电机的电磁耦合器优化控制方法的性能，进行仿真实验。永磁无刷直流电机的稀土永磁材料的磁密在1.2到3.5之间取值, 转矩输出为12N·m电机转子在一定电流密度下的最大转速为1 024rad/s，涡流损耗为涡流损耗，永磁无刷直流电机的电磁耦合其它参数设计如表1所示。

表1 永磁无刷直流电机电磁耦合参数设计

根据上述仿真环境和参量设置，采用有限元分析方法，进行仿真测试，得到永磁无刷直流电机的电磁耦合器三维磁场分布和轴向磁场分布如图5所示。

图5 永磁无刷直流电机的电磁耦合器的磁场分布

从图5可见，采用本文方法进行永磁电机的电磁耦合器控制设计，电磁耦合器的磁场分布均衡，系统功率和输出功率效率的增益能有效提高，提高了系统稳定性，为了定量分析本文方法的性能，采用本文控制模型和传统方法，在不同的偏芯偏移和负载电阻下，测试电机的效率、电流增益、电压增益和功率，得到仿真结果如图6所示。

图6 性能测试

从图6可见，采用本文方法进行永磁无刷直流电子的电磁耦合器优化控制设计，电机的电压增益稳定在6.0%以内，电压增益误差较小， 输出电流增益稳定在90.5%，输出效率较高， 输出

功率增益较传统方法有明显的提升，仿真得出，采用本文控制方法和电磁耦合器设计，有效提高了电机系统的电流增益、电压增益和电能传输效率，稳定性好，鲁棒性较高，展示了较好的性能优越性。

4 结束语

通过对电磁耦合器的优化控制设计，提高电磁耦合器的稳定性和输出增益。对此，本文提出了一种基于优化粒子群算法的电磁耦合器优化控制方法，首先进行了永磁无刷直流电机的电磁耦合器的等效电路设计，构建电磁耦合器控制的约束参量模型，以输出电压增益、功率损耗与效率为约束参量构建控制目标函数，实现控制算法的改进，进行了永磁无刷直流电机的电磁耦合器的优化设计。研究表明，采用该控制算法和耦合器设计方法，能有效提高永磁无刷直流电机的输出稳定性，电机输出的电流增益、电压增益与输出效率较高，鲁棒性较好，在电机设计和优化中具有较好的应用前景。

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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

叶伟慧(1975-)，女，广东湛江人，硕士，讲师，研究方向：电气自动化，电力控制，单片机，嵌入式系统等。

定稿日期: 2016-04-28