1 引言
无轴承电机是集驱动与自悬浮功能于一体的新型电机，与传统的磁悬浮电机相比，由于其不需要配备占有相当轴向空间的径向磁悬浮轴承，因而其体积和重量大为减少，而临界转速大幅度提高，可突破大功率和微型化应用领域的限制。同时，由于磁悬浮是以电机的旋转磁场为偏置磁场，无需另再建立偏置磁场，因而磁悬浮功耗比降低，在飞轮贮能等领域应用极具优越性[1-2]。该电机自20世纪90年代提出以来，目前已逐步成为高速电机研究领域的热点。
无轴承电机的种类很多，其中结构简单、易于弱磁、可靠性高的无轴承异步电机尤其受到广泛的重视。由于无轴承电机的悬浮是定子上转矩绕组和悬浮绕组相互作用的结果，实现电磁转矩和悬浮力之间的解耦控制是无轴承电机运行的基本要求，也是该领域研究的难点。目前较为典型的基于转矩绕组气隙磁场定向控制算法需要在两套绕组控制子系统之间传递转矩绕组的气隙磁链信息，而没有实现真正相互独立意义上的解耦控制[3-5]。该控制算法在超高速电机的控制实施过程中由于对控制器的运算速度及转速传感器的响应频率提出了过高的要求而缺乏实用性。另外气隙磁场定向控制因其本身机理的制约存在着最大转矩限制[6-7]，影响到它在重载和大功率条件下的应用，同时其复杂解耦算法还缺乏应用上的灵活性。研究表明：转矩绕组的气隙磁场定向只是实现无轴承异步电机解耦控制的充分条件，而非必要条件。如果能在线辩识转矩绕组的气隙磁场的幅值和相位，实现无轴承异步电机转矩绕组和磁悬浮控制绕组（即电磁转矩和悬浮力）之间的独立控制成为可能，这样一来电机的转矩绕组或采用普通的转子磁场定向控制，即可以利用通用变频器供电；或采用无速度传感器技术，即电机可以超高速运转。无轴承电机的实用性将为此而大大增强。基于此，本文研制了一套独立的悬浮绕组控制系统，与之相关的转矩绕组气隙磁场的幅值和相位采用电压模型辩识获得，而转矩绕组本身采用普通的变频器供电。实验证明该悬浮绕组控制系统能满足无轴承异步电机的实时控制要求，并具有良好的稳、动态性能。
2 无轴承异步电机基本机理
2.1 基本原理
在电机的定子中放入两套具有不同极对数的绕组，转矩绕组（极对数p1，电角频率w1），悬浮控制绕组（极对数p2，电角频率w2）。悬浮控制绕组的引入，打破了电机原旋转磁场的平衡，使得作用在转子上的磁张应力（即麦克思韦力）分布不均匀，磁通密度高的区域麦克思韦力大，反之较弱。当两套绕组满足p2=p1±1、w2=w1条件时，电机中才能产生可控的悬浮力[3]。如图1(a)所示的无轴承异步电机（p1=1，p2=2）两个磁场的相互调制使得转子左右侧气隙磁通密度不均匀，其结果产生的麦克思韦合力（即径向悬浮力）指向X轴的正方向；而图1(b)中两个磁场的相互作用则产生了沿Y轴正方向的悬浮力。通过转子径向位移的负反馈控制，可以控制转轴上径向力的大小和方向，从而实现转轴的悬浮。
2.2 径向悬浮力的基本方程
设电机中的气隙磁密为B，则作用在转子表面Ad面积上的麦克斯韦力为
式中 λ、μ为初始相角；φ为空间位置角；下标“1”，“2”分别对应着转矩绕组和控制绕组。下同。
将式(2)代入式(1)并沿x、y方向分别作积分运算，则当p2=p1+1时，可控的麦克思韦力沿x、y方向上的分量分别为
式中 l为电机有效铁心长度；r为转子外径。
式(3)、(4)表明，悬浮力与转矩绕组、悬浮力控制绕组的两种气隙磁场的幅值和相对位置密切相关。
由于每极气隙磁通值为
式中 W1、W2分别为转矩绕组和控制绕组的匝数。
又由于控制绕组主要是起悬浮作用，并受其电流i2s控制，则近似认为
3 经典控制算法应用中的局限性
3.1 两套绕组非独立控制的局限性
由于悬浮绕组的控制对转矩绕组气隙磁链相位信息的准确度要求较高，文献[8]中指出气隙磁链相位误差不能超过15º，否则将不能稳定悬浮。在超高速应用中如采用传统算法,一般采用一套数字控制器控制一套绕组子系统，两套绕组控制子系统之间的数据传递采用双机通讯，而双机通讯至少存在着一个控制周期的相位误差，要想减少相位误差，必须缩短控制周期，目前市场上的运算较快的电机专用控制数字信号处理器如TMS320F2407A或ADMC401均难以满足该电机超高速运转要求。
就转速传感器而言，由于相位精度的要求和考虑控制延时，要求转子每转一周传感器至少输出48个脉冲，如要求电机转速高达60000r·min-1，则传感器的响应频率则需高达48k以上，普通光电码盘能满足这一要求但不适合高速运转，其它通用的非接触型传感器如电涡流传感器和霍尔传感器则难以满足这一要求。
3.2 气隙磁场定向控制的局限性
将径向悬浮力式(3)、(4)用同步旋转坐标系d、q下的分量形式表示（同步转速为60f1/p1
