（电力电子与电力传动专业论文）无轴承异步电动机非线性解耦控制的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , w h i c hi n t e g r a t e si n d u c t i o nm o t o r a n dm a g n e t i cb e a r i n g ，h a st h ef u n c t i o no fr o t a t i o na n ds e lf - l e v i t a t i o n i t h a sb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c hw o r ko nh i g hs p e e dm o t o rs i n c e19 9 0 s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h el i n e a r i z a t i o nd e c o u p l i n gc o n t r o lo f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o ri s p r o p o s e db a s e d o nt h e a n a l y s e s o fm a g n e t i c s u s p e n s i o np r i n c i p l e a st h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o ri s as t r o n g l y c o u p l e dc o m p l i c a t e d n o n l i n e a r s y s t e m ，t h ed e c o u p l i n g c o n t r o lo f e l e c t r o m a g n e tt o r q u ea n dr a d i a ll e v i t a t i o nf o r c ei st h eb a s eo ft h es t a b l e o p e r a t i o no fb e a r i n g l e s sm o t o r f i r s t ，f l u xo r i e n t a t i o n c o n t r o l l e ri s p r o p o s e dt or e a l i z et h el e v i t a t i o no fr o t o r e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ，a f t e ru s i n gt h ea i r - g a pf l u x - o r i e n t a t i o nc o n t r o l l e r , r o t o r f l u x - o r i e n t a t i o nc o n t r o l l e ra n dt h es t a t o rf l u x - o r i e n t a t i o nc o n t r o l l e r , t h e s y s t e m h a sg o o ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ee a c ht i m e ，t h e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e a n dl e v i t a t i o nf o r c ei s r e a l l yd e c o u p l e d t h e b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o ri s an o n l i n e a r s y s t e mw i t hs i g n i f i c a n t c o u p l i n g t h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e st h ep r e c i s i o nl i n e a r i z a t i o nt h e o r y t h e a p p r o p r i a t ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na n dn o n l i n e a rs t a t ef e e d b a c ka r e o b t a i n e dt h r o u g hl i ed e r i v i n gt h eo u t p u tv a r i a b l e ，w i t hw h i c ht h eb i m s y s t e m i s i n p u t o u t p u tl i b e r a l i z e d ，f u r t h e r m o r e ，w h i c hr e a l i z e s t h e l i 江苏大学硕士学位论文 c o m p l e t e l yd y n a m i cd e c o u p l i n g s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h i s a l g o r i t h ma p p r o a c h e st h ei d e a lp e r f o r m a n c ew h i l et h el o a di sc h a n g i n g a tl a s t ，ad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o rr e a l t i m ec o n t r o li sd e s i g n e dw i t h d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r so f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , d e s i g ns p e e dm o d e la n dd i s p l a c e m e n tm o d e l r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s si n d u c t i o n m o t o r ( b i m ) ，p r e c i s i o n l i n e a r i z a t i o n ，f l u x o r i e n t a t i o n ，d e c o u p l i n gc o n t r o l ，d i g i t a l c o n t r o l s y s t e m i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密 l 纠。 学位论文作者签名：彳禾款霄 签字嗍岬月产日 导师签名：罗， 签字日期：节二月，6 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝储签名：绦款同 日期：如楫占月j 口e t 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承电动机的研究背景 随着现代化工业技术的发展，高速和超高速电动机被广泛运用于高速机床、 涡轮分子泵、离心机、压缩机、飞轮储能以及航空航天等领域。然而转子高速运 行时机械轴承带来的摩擦阻力增加，磨损加剧，造成电动机发热，不仅降低电动 机工作效率，缩短电动机和轴承使用寿命，也增加了对电动机和轴承维护的负担。 磁轴承具有无磨损、无润滑、无机械噪声、寿命长等优点，从根本上改变了传统 的支承形式，因而在近三十年来得到了迅速的发展和完善。但是由于磁轴承本身 占有一定的轴向空间图1 1 ( a ) ，因此存在着转子刚度小、临界转速低等问题，限 制了其临界转速和输出功率的提高，同时也影响到高速电动机的微型化。 无轴承电动机( b e a r i n g l e s sm o t o r s ) 是8 0 年代末发展起来的一种集驱动与悬 浮于一体的新型磁悬浮电动机。一方面，它继承了传统磁轴承电动机无润滑、无 磨损、无机械噪声等特点，可以用于真空技术、无菌车间或超纯净介质的传输等 生化医学领域，如心脏血泵、涡轮分子泵、离心干燥机等。另一方面，由于利用 磁轴承与电动机结构相似性，将悬浮控制绕组和转矩控制绕组一起叠绕在电动机 定子内部，悬浮力产生是以转矩控制绕组的旋转磁场为偏置磁场，因此与传统磁 轴承电动机相比，在轴向空间利用率、电磁效率等方面均有所提高【1 1 ，见图1 1 ( b ) ， 特别适用于高速飞轮储能系统、飞机启动发电系统、飞机环境控制系统和电子设 备高效冷却系统等大功率、微小型、超高速领域，对能源交通、航空航天事业的 发展具有重要意义。 单个无轴承电动机一般只能约束转子沿径向方向的二个自由度，要实现转子 稳定悬浮，需在五个自由度上施加约束。因此，五自由度的磁悬浮系统的实现形 式是多样的，其中典型的如图1 2 所示。 图1 2 ( a ) 的结构形式( 径向磁轴承+ 轴向磁轴承+ 无轴承电动机) ，利用电动 机定子与径向磁轴承结构的相似性，使径向磁轴承与电动机结合为一体的无轴承 电动机，同时产生转矩与径向力；另外由一个径向磁轴承与轴向磁轴承来实现其 余三个自由度的悬浮，这种结构使转子减小了一个径向磁轴承的轴向长度，而分 江苏大学硕士学位论文 体式的径向与轴向磁轴承还占用了额外轴向空间，转子轴向长度利用率偏低。 堡。粤 轴向 异步 径向 磁轴承 磁轴承电机 麓轴蓉 区 r 区 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 、 -_ i 、i 山i 啦l 山脚l i l i l i i i i i i i i i i i i i i i i 、 i i i i i i i i i i i i i i i i i i 山山删l 、 、 、 、 、 、 l i i i i i i i i i i i i i i i i 、 f i i i i i i i i i i i i i i i i i i il i i i i i i i i i i i i i i i i、 、 囟i i - 1 1 1 1 - l 、r 1 1 l 1 1 1 1 1 区li l 囟 、 、 、纠li 么s i 、 ( b ) 图1 1 磁轴承电动机系统 图1 2 ( b ) 的结构形式( 无轴承电动机+ 轴向磁轴承+ 无轴承电动机) 。利用两 个同样的无轴承电动机实现径向四自由度悬浮构成的双电动机悬浮系统，只需要 引入一个轴向磁轴承即可实现转子五自由度悬浮，这种结构抗负载干扰性较强， 闭环性能好，同体积下功率较大，即能量密度大，有利于无轴承电动机向大功率 方向发展。但是双电动机结构体积庞大，需要两套完全相同的控制器、逆变器及 传感器等，造价较高，不利于实现无轴承电动机的微型化，在特定场所使用受限。 篡车由皇塑。粤 无轴承电机 磁轴承 磁轴承 几十毋屺仉 d 3 囟i 冈- i i i 叫硼i i i i i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l _ 1 i i y yi i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l i i i i i l i i i i i i i i i i i i i l ； 川| l | | | i i 川| i i l l i i i i i i i i i i i i i i l； 川l i i | i l | | l i i | | l | | i l | l i l l l i i l 陟 i6 i 3 ； m 誓川删川洲川 v vl i i i l i i i l i i i i i i i l i i i i i i ( a ) 无轴承电机 蓑轴景 无轴承电机 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i i i i i i i i 匪 x i - i i i i _ i i i i i i i i i i i i i i i i i _ i i 、 s匕 i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i i i i i i i i i i i i i i i l l l l l l l l l l l l li i i i i i i i i i i i l l l l l l l l l l l l l l 一亳 l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l k 刁 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l i i i i 、i i i i i i i i i i i i i i i i i i ll x i - _ s坚yi l i l l l l l l l l l l l l l l i i l l l l l l l 图1 2 无轴承电动机系统 1 2 无轴承电动机的特点及工业应用 1 2 1 无轴承电动机的特点 ( b ) 无轴承电动机系统和传统的磁轴承电动机系统相比，具有如下优点： 1 、电动机结构紧凑。在相同输出和相同外形尺寸的情况下，轴向长度可以 江苏大学硕士学位论文 缩短，其临界转速较高，可抑制共振现象，易于实现更高转速。 2 、轴向利用率和转轴刚度显著提高。特别是图1 2 ( b ) 的无轴承采用对称支 承驱动，不仅使输出转矩加大，而且转轴受到的扭转剪切内应力对称且很小，大 大提高了转轴的强度和使用寿命。 3 、结构部件个数减少，用于悬浮控制的功率电路减少。每套径向磁轴承需 要4 路功率放大器，而每个无轴承电动机悬浮控制只需一组三相逆变器，且便于 模式化。 4 、悬浮系统功耗比较小。无轴承电动机而言，不再需要传统磁轴承中的直 流励磁电流，悬浮力的产生是基于电动机旋转磁场，悬浮控制系统的功耗减小。 无轴承电动机主要缺点是：与普通电机比较，电机本体需要有两套绕组，需 改变电机定子绕组构成；刚度较滚动轴承小；必须使用控制器实现悬浮；电机悬 浮是以电机旋转工作为基础，而且危机情况下应变能力弱，因此需配备辅助轴承； 另外无轴承电动机尚处于发展阶段，不能形成大批量生产，而且结构复杂，从而 导致无轴承电机价格很高，难于大面积推广应用。 1 2 2 无轴承电动机的工业应用 1 、飞轮储能 飞轮储能是以高速旋转的飞轮质体作为能量储存的介质，利用电动发电机和 电子控制设备来控制能量的输入和输出。它在公共电网的动力调节、电动汽车、 不间断电源( u p s ) 、备用电源、太阳能和风能的储存等领域有着广泛的应用。采 用无轴承电动机的飞轮储能系统可以提高电动机的临界转速，从而在相同功率的 情况下，可以降低飞轮的体积和重量，提高飞轮储能系统的“比能量 。 2 、无轴承密封泵 在制药、化工、核废料处理等领域的密封传送和生产系统中，为了保证些 物质如药品、酶类在生化反应过程中避免受到外面的热源和微生物进入，或者避 免危险物质被工作人员接触，或者对环境造成污染，其中广泛应用密封泵。无轴 承密封泵具有无接触、无润滑和结构简单等优点。可以有效地解决影响密封泵使 用寿命的密封和轴承问题，从而提高密封泵的使用寿命和可靠性。其中一个典型 的应用就是采用无轴承薄片电动机的人工血泵( 图1 3 所示) 。 3 江苏大学硕士学位论文 泵室输入口 口 图1 3 无轴承薄片电动机的人工血泵图1 4 径向力作用于转子 3 、无轴承电动机在机械领域中的应用f 2 j 在机械轴承支承的转子系统中，当转子端部受到外力作用时，转子中部弯曲 程度很大。采用无轴承电动机后，径向力作用在转子中部，转子弯曲程度得到明 显改善( 图1 4 所示) 。由于转子的弯曲模式可以得到有效控制，因此无轴承电 动机在机床主轴设计中具有独特的优越性。 1 3 无轴承电动机研究概况及发展趋势 1 3 1 无轴承电动机研究概况 无轴承电动机( b e a r i n g l e s sm o t o r ) 这个概念最初是r b o s c h 于1 9 8 8 年首次 开始使用的【引。无轴承电动机是一种具有磁轴承支承功能的电动机，也称作磁悬 浮电动机，其结构如图1 1 b 所示。近十年来在国外得到较快的发展，将径向悬 浮支承技术与电动机相结合的思想最早可以追溯到三十年前。早在1 9 7 4 年，德 国学者p k h e r m a n 就提出了一种具有定子双绕组结构，且具有自悬浮能力的电 磁装置，同时申请了专利【4 j 。同年，美国学者g m e i n k e 提出了另外一种分离绕 组的磁悬浮装置，也申请了专利。十多年后，日本人t h i g u c h i 提出了步进型磁 悬浮电动机【5 l ；美国学者s w i l l i a n m s o n 提出了定子双绕组，两种绕组极对数相 差为l 的磁悬浮电动机1 6 j ；另一位美国学者p a s t u d e r 在1 9 8 7 年提出了磁悬浮无 刷直流电动机，他们先后申请了美国专利【_ 丌。但是由于当时存在着一些无法解决 的技术难题，特别是没有提出有效的控制方法。因此，这些早期的磁悬浮电动机 均属于概念性磁悬浮驱动装置，但是为以后的无轴承电动机的发展提供了很好的 参考。 进入二十世纪九十年代，无轴承电机的研究取得了飞速的发展，以运动控制 4 江苏大学硕士学位论文 技术的进步为基础，各种结构的无轴承电机及其控制技术相继出现，逐步形成了 无轴承电机的基本结构和控制方法。这其中包括无轴承异步电机、无轴承永磁同 步电机、无轴承开关磁阻型电机和无轴承同步磁阻型电机等l 船1 2 1 。这个时期，各 种类型的无轴承电机相继进入实验室研究阶段。一些学者研究了无轴承电机的控 制方法，初步形成了无轴承电机的基本理论，也得到了一些初步的试验结果。对 无轴承电机系统地进行研究最初是从瑞士联邦工学院( e t h ) 开始的。接着，日 本和美国也开展了广泛的研究。日本学者a c h i b a 、r a h m a n 等较早的研究了无 轴承电机的基本特性，并通过实验测量得到了无轴承异步电机定子转矩控制绕组 和悬浮控制绕组之间的互感矩阵，从而得到了径向悬浮力的解析公式，并且采用 p i d 控制策略实现了无轴承感应电机空载时的悬浮控制【1 3 。1 4 1 。m o o s h i m a 等学者 研究了无轴承永磁电动机的控制及其磁饱和时的去磁问题【1 5 d 7 】，并应用磁场计算 的方法分析了无轴承永磁同步电机的稳态磁场分布【1 8 】。o k a d a 教授是较早研究无 轴承永磁电机的学者之一，他领导的课题组在无轴承永磁型电机方面取得了一系 列显著的成果1 9 。2 1 1 。 目前，国际上对无轴承电动机的研究工作和学术气氛非常活跃，国际电工学 科通常将无轴承点击技术归类为电磁轴承技术一类，1 9 8 8 年在瑞士苏黎世召开 了第一届“国际磁悬浮轴承会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cb e a r i n g l e s s ) 。此后每两年召开一次。美国航空航天局1 9 8 8 年2 月召开了一次“磁悬浮 技术专题研讨会( aw o r k s h o pm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) 和19 9 1 年3 月召开了一次“磁悬浮技术在航天中的应用( a e r o s p a c ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) 的学术讨论会。此后从1 9 9 1 年起，在上下两届国际 磁悬浮轴承会议的中间一年，召开国际磁悬浮技术会议( i n t e m a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i ct e c h n o l o g y ) ，每两年召开一次。此外，瑞士、日本、美国、法 国和我国都在大力开展支持磁轴承的研究和应用工作，国际上的这些努力，大大 推动了无轴承电动机的理论研究和在工业中的广泛应用。目前的研究水平而言， 瑞士联邦工业学院( e t e ) 和东京理工大学( s c i e n c eu n i v e r s i t yo ft o k y o ) 在无 轴承电动机研究领域处于领先地位。 国内无轴承电动机的研究起步较晚，尚处于实验室阶段，仍未见有报道工业 试验运行的例子。自2 0 世纪9 0 年代后期，南京航空航天大学【2 2 。2 8 1 、沈阳工业大 学2 9 引】、江苏大学【3 2 1 、山东大学、浙江大掣3 3 1 和清华大学等先后得到了国家自 江苏大学硕士学位论文 然科学基金资助，在理论和实验方面取得了一些成绩。由于无轴承电机涉及到电 机理论、机械设计、转子动力学、控制理论、电力电子技术、电磁理论、测试技 术、计算机技术及数字信号处理技术等众多学科的知识，研究难度相当大，加上 科研经费不够充足，到目前为止尚未能取得大批量成果，仅仅处于单机实验阶段。 1 3 2 无轴承电动机的发展趋势 随着无轴承电动机研究继续深入，今后无轴承异步电动机的发展方向大致集 中在以下几个方面： 1 、无轴承电动机数学模型 无轴承电动机电磁悬浮力和电磁转矩是悬浮控制绕组和转矩控制绕组通过 气隙磁场耦合将电能转换为机械能，因此，研究无轴承电动机机械能量转化关系 的基本方程尤为重要，其中主要有磁链方程、电压电流方程、电磁悬浮力方程、 电磁转矩方程及其等效电路等。要想获得高品质的控制性能，则必须建立更加准 确的数学模型。然而，如果把定转子齿槽效应、变量谐波分量以及转子偏心等所 有因素都考虑进去，那么无轴承电动机数学模型将变得异常复杂，反而影响到控 制系统的优化设计和各种现代控制理论方法的应用，可能导致控制性能变差。因 此，如何考虑各种因素对无轴承电动机控制性能的影响，建立正确有效的能量转 化基本方程是无轴承电动机研究的基础。 2 、悬浮子系统独立控制 无轴承电动机控制系统具有复杂的非线性强耦合特性，实现其电磁转矩和悬 浮力之间的解耦控制是无轴承电动机稳定运行的基本要求，设计有效且实用的控 制系统也是该领域研究的难点。在目前研究的无轴承电动机控制策略中，转矩控 制子系统和悬浮控制子系统之间大多存在气隙磁场信息传递。这样，不仅在控制 策略上相互受到诸多制约，而且解耦算法复杂，缺乏实用性。因此，有必要实现 转矩控制子系统和悬浮控制子系统之间相互独立控制，这样不仅悬浮控制不受转 矩控制绕组控制性能以及其参数变化影响，增加了系统的可靠性和稳定性，又使 得转矩控制绕组控制也不再受悬浮理论制约，促进了无轴承悬浮技术向高速化、 实用化方向发展。对于无轴承悬浮控制子系统而言，如何准确获取两套绕组气隙 磁场各自的分布情况是目前一个极其关键的环节。 6 江苏大学硕士学位论文 3 、电动机本体优化设计和参数问题 无轴承电动机尺寸、定转子结构形式、定子绕组导线匝数以及线径大小等因 素对无轴承异步电动机基本控制策略研究与实现都有重要影响，其决定了电动机 转速、刚度以及反映承载能力的电磁悬浮力和电磁转矩等性能指标。另一方面， 无轴承电动机结构的复杂性又给相应参数测量或辨识带来了很大的问题，尤其是 悬浮控制绕组匝数很少、转子处于偏心位置的情况下，如何得到绕组电感系数矩 阵和转子电阻等参数是当前面临的困难之一。此外，考虑因磁饱和和温度变化等 因素所引起的参数变化，以及如何消除参数变化对转矩控制和悬浮控制带来的影 响也需要相应的分析和研究。 4 、现代控制理论 由于无轴承电动机本身是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，经典 p i d 控制器在参数匹配良好条件下能保证系统稳定，一旦系统参数发生变化或负 载转矩产生扰动，以及模型误差和电动机高速或调速运行时带来的径向扰动都将 导致控制性能变差。因此如何设计出性能优良的控制器，以提高无轴承系统的稳 定性和动态特性是研究的一个重要方向。其中模型参考自适应控制是解决上述问 题的一个有效方法。该方法具有稳定性能好、鲁棒性强、适用面广的特点。另外， 应用以控制系统内部某些信号间传递函数的也范数为优化指标的风控制理论 以此提高系统的干扰抑制能力和鲁棒稳定性也是实现悬浮控制器优化设计的一 个方向。目前无轴承电动机关于这些方面的报道几乎没有，还有待研究。 5 、无传感器技术的研究 为达到无轴承电机转矩与悬浮力的解耦，不管是采用转子磁场定向控制还是 气隙磁场定向控制抑或是定子磁场定向控制，这些高性能方法都需要检测转子的 位置和速度，获得磁场所需磁通的精确空间位置，以实现转矩和悬浮力解耦控制， 确保转子的稳定悬浮运行。传统上转子的空间位置和速度都是采用机械式传感器 ( 光电编码器、旋转编码器、霍尔传感器) 来检测，因而有安装、连接、可靠性 等问题。对于无轴承电机而言，使用机械式位置速度传感器有更大的局限性， 因为传感器本身在机械上难以或无法实现高速、超高速化，从而会严重限制无轴 承电机固有的优良高速性能的发挥。研究无轴承电机的无传感器运行已成为无轴 承电机技术进一步发展的需要。 7 江苏大学硕士学位论文 无轴承异步电机的无传感器技术还应包括无位置传感器技术，无轴承电机转 子的悬浮是通过实时检测转子位置实现的，而目前无轴承电机需要的位移传感器 不仅数量多，而且价格贵，同时还增加了无轴承电机的体积和长度，限制了无轴 承电机的实用化。目前对无位移传感器的研究nw j n 起步，已有基于自感变化【5 4 】 或互感变化【5 5 1 的无传感器技术研究，但更需进一步深化，这也是无轴承电机的一 大开发研究的方向。 6 、数字控制器硬件和软件的研究 为满足无轴承电动机更高的性能要求，控制器的数字化、智能化、集成化是 必然的发展趋势，而要求设计的控制软件功能也更加完善，可靠性越来越高。随 着数字信号处理技术、电子技术等的进一步发展，为研究多功能、高性能的数字 控制器提供了硬件条件和技术保障，使得无轴承电动机向多功能、数字化、智能 化、集成化和模块化方向发展逐渐成为现实。 1 4 课题意义和本文研究内容 在众多无轴承电机类型中，无轴承异步电机具有制造容易、可靠性高、易于 弱磁提速、适用于超高速运转等优点，是最具前途的无轴承电机之一。对无轴承 异步电机的研究，减少高速驱动装置体积重量，提高设备性能具有重要意义。 目前我国无轴承异步电机的研究水平总体处于初级阶段，因此对无轴承异步 电机非线性解耦控制策略的研究无疑是我国无轴承电机悬浮技术理论研究和产 品实用化起到积极推动作用。本文从无轴承异步电机的矢量控制出发，分析比较 了三种磁场定向控制的共同点及各自的优缺点；并采用精确线性化解耦控制理 论，实现了转矩控制绕组和悬浮控制绕组在控制策略上的相互独立。最后给出了 无轴承异步电机数字控制系统结构图，并对关键环节设计进行了详细叙述。具体 研究工作主要包括以下几部分内容： 第一章：介绍了无轴承电机系统结构、特点和工业应用，分析概括了国内外 无轴承电机研究现状和发展趋势，介绍了本课题的研究意义，对本课题内容做了 安排。 第二章：介绍了无轴承异步电动机的基本原理，阐述了可控径向悬浮力产生 的机理，推导了径向悬浮力的数学公式，并由此建立了无轴承异步电动机的数学 8 江苏大学硕士学位论文 模型。 第三章：针对无轴承异步电动机的电磁转矩与悬浮力之间存在的强耦合关 系，采用了磁场定向控制算法来实现两者的解耦控制，推导三种磁场定向控制的 具体算法，并对这三种磁场定向控制的优缺点进行了比较。 第四章：介绍了精确线性化理论，从无轴承异步电动机控制系统的输出方程 出发，进行了坐标变换和状态反馈，实现了无轴承异步电动机控制过程中角速度 与磁链之间的解耦控制。最后对仿真结果进行分析研究，证明其确实具有巨大的 优势。 第五章：首先设计基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器为核心的数字控制系 统，实现了参数检测、数据处理、故障诊断和保护等多种控制功能。该系统具有 控制电路集成化程度高、数据处理强、控制精度高以及稳定的工作性能等优点， 为无轴承电动机实现稳定悬浮控制提供了可靠的实验平台。 第六章：总结论文所做的研究工作以及本文的创新点，并提出了值得进一步 研究的问题。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承异步电动机基本理论 2 1 无轴承异步电动机的基本原理 无轴承电动机集电磁转轴和电动机功能于一体，是高速电动机研究的新领 域，并成为高速无轴承技术中最具有发展前途的方案之一。无轴承电动机是在普 通电动机的定子中嵌入悬浮控制绕组，通过不同极对数悬浮绕组磁场对原有绕组 磁场的作用，改变了气隙磁场的对称分布，在转子上产生可控悬浮力，实现了转 子的悬浮运行。因此，讨论无轴承电动机的运行机理，必须从分析电动机中的电 磁力着手。 在普通旋转电动机中存在两种不同的电磁力：洛仑兹力和麦克斯韦力p 钔。磁 场对其内的载流导体作用力称为洛仑兹力，也叫做安培力。洛仑兹力的方向与转 子表面相切，产生电动机的旋转力矩( 如图2 1 a ) 。 麦克斯韦力是在磁场的作用下，在磁导率不同的介质边界上形成的磁张应 力，其方向垂直于电动机的转子表面，大小与转子表面磁密平方成正比。当电动 机转子和定子同心且电流为正弦时，虽然电动机中垂直作用于转子表面的麦克斯 韦力很大，但由于气隙磁通对称分布的，麦克斯韦力合力为0 ( 如图2 1 b ) 。当 转子发生了偏心位移引起磁通分布不均匀，其麦克斯韦力合力就不再为0 ，其作 用方向和转子偏心方向一致，这就是电动机理论中的磁张应力效应( 如图2 1 c ) 。 转子偏心量越大，磁张应力也越大。 图2 1 洛仑兹力和麦克斯韦力 从上面分析可知，转子偏心时引起的径向麦克斯韦力与转子位移方向一致， l o 江苏大学硕士学位论文 所以当转子发生位移偏心时将无法回到气隙中心，转子偏心过程形成正反馈。为 实现无轴承电动机转子悬浮，在电动机的定子中放入两套具有不同极对数的绕 组，电枢绕组( 极对数a ) ，悬浮控制绕组( 极对数段) ，当极对数满足p 2 = 局l 时，电动机中才能产生可控的悬浮力【3 5 3 7 】。悬浮控制绕组的引入，打破了电动机 原旋转磁场的平衡，使得电动机气隙中一区域中磁场增强，而其对称区域磁场减 弱，其产生的磁张应力( 即麦克思韦力) 将指向磁场增强的一方。通过控制悬浮 绕组电流，改变原有磁场在气隙中的对称分布，产生可控的麦克斯韦力( 即可控 悬浮力) 来抵消转子偏心产生的麦克斯韦力( 即偏心磁拉力) ，把转子拉回气隙 中心实现稳定悬浮。无轴承电动机输出的电磁转矩则基于洛仑兹力产生的，与普 通异步电动机无异，见图2 2 所示。 ( a )( b ) 图2 2 无轴承电动机悬浮力产生示意图 图2 3 所示为一台两相坐标系描述的无轴承异步电动机，定子槽内有2 极电 枢绕组2 和4 极悬浮力绕组4 ，其中电枢绕组建立的旋转磁通不仅产生电磁转 矩还作为悬浮控制的偏置磁通。如果只有转矩控制绕组通入电流t ，区域1 、2 内的气隙磁密相同，那么转子受到的麦克斯韦合力为零。如果当转子受到一个向 右的外扰力时，转子离开平衡位置，向右移动。此时，气隙中的磁密分布将发生 变化：区域1 中气隙磁密减小；而区域2 中气隙磁密增加，转轴受到的平衡磁拉 力被破坏，即f x 。 b ：。此时，转子 在麦克斯韦合力的作用下向左移动，又重新回复到平衡位置。同理，如果转子沿 y 方向偏移，依靠悬浮控制绕组作用也可以将转子拉回平衡位置。这样，通过控 制悬浮绕组电流可在转子上产生任意方向的可控悬浮力，用以抵消由于转子偏心 产生的单边磁拉力，实现无轴承异步电动机的悬浮。 图2 3 无轴承异步电动机悬浮力产生原理图 2 2 无轴承电动机悬浮力推导 无轴承电动机悬浮原理决定了转矩绕组控制和悬浮绕组控制之间存在着电 磁耦合关系，所以，为了实现对无轴承电动机转子的稳定悬浮控制，关键是建立 精确的无轴承电动机悬浮力模型，实现两套绕组之间的有效解耦控制。 为了简化分析，先做如下假设： ( 1 ) 三相定子绕组在空间对称分布，电流产生的磁势在气隙中正弦分布， 忽略其高次谐波分量； ( 2 ) 假定转矩绕组为2 极，悬浮绕组为4 极，且无轴承电动机转矩绕组和 悬浮绕组a 相绕组轴线方向重合，并定义为a 方向； ( 3 ) 忽略铁心磁阻和涡流损耗； ( 4 ) 忽略槽漏感、绕组端部漏感和磁饱和效应； ( 5 ) 不考虑温度对电动机参数的影响。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 洛伦兹力 无轴承电动机转子的悬浮是在转矩绕组和悬浮控制绕组相互作用下实现的。 洛仑兹力是电动机旋转磁场对定子中载流导体作用产生的力，作用在转子上产生 的切向力。设异步电动机有效铁心长度为，定子内径，气隙磁感应分布率b ( ) ， 悬浮控制绕组电流分布率彳( 缈) ，则沿圆周方向单位长度的洛仑兹力为： 鸩= 一么( 缈) b ( 矽) ，以缈( 2 1 ) 缈为空间向量角。 由于气隙磁链和电流均呈正弦分布： b ( 缈) = 秀c o s ( 局缈一) ； 彳( 妒) = a s i n ( p ：缈一a ) ，当p 2 = p l + 1 时，将式( 2 1 ) 沿圆周积分得到洛仑兹力表达 式为： 吒= 巧c o s ( 名一)( 2 2 ) 以= es i n ( 2 一) ( 2 3 ) e = 丁；r r l b a ，五分别为次链和悬浮绕组的初始相角。 根据电流和磁链的定义及矢量乘法原理，将公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 转化为由旋转 坐标系下的形式： 兄= k ( 2 d d + 2 9 q ) ( 2 4 ) 毛= k ( 2 ，d + ：d ，) ( 2 5 ) 墨= 参警，彬，分别为转矩绕组和悬浮力控制绕组每相串联的有效匝数。 2 2 2 麦克斯韦力 设铁心与气隙磁导率分别为如，鳓( n 鳓) ，交界面上法向磁感应强 度和磁场强度分别为色，q 。由于磁力线进出铁心基本垂直于铁心表面，则 江苏大学硕士学位论文 e 0 。则铁心与气隙交界面上单位面积上的麦克斯韦力为： 仃：一i z v e 凡- - 鳓l 0 ( 8 ：一心风研) 旦2 , n o ( 2 6 ) 三p f e p 6 该力作用的方向垂直于电动机转子表面。由式( 2 6 ) 得，作用于电动机转子外 表面面积微元刎上的麦克斯韦力为： 峨：掣：粤d 缈 ( 2 7 ) 三p qz p o 不考虑齿槽效应和磁饱和，且转矩绕组p ，和悬浮绕组p 2 在电动机气隙中产 生的合成磁密为： b ( 缈) = 骂c o s ( p l 缈一a ) + bc o s ( p 2 r p 一) ( 2 8 ) 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) d f = 兰 宣c o s ( p 1 矿一a ) + b zc o s ( p 2 r p 一) 】2 d 缈 ( 2 9 ) 2 , n o 对式( 2 9 ) 在圆周上积分得 k = cc o s ( 2 一)( 2 1 0 ) 吒。= 巴s i n ( 2 一)( 2 1 1 ) 其中巴：至墼。 2 a o 又每极磁通为： 每相气隙磁链为： 电：2 r l b i ，2 ：2 r i b 2( 2 1 2 ) ap 2 5 _ ，y 2 m2 _ ，彬，暇 np 2 三相绕组合成气隙磁链的空间向量幅值为： ( 2 1 3 ) i ：昙1 。，妙2 ：昙y 2 。 ( 2 1 4 ) i 2 三1 m ，妙22 j y 2 m 【z 1 4 ) 忽略悬浮力绕组在转子中产生的感应电流，控制绕组主要是励磁作用 1 4 江苏大学硕士学位论文 其中厶：为控制绕组自感。 将式( 2 1 2 ) ( 2 1 5 ) 代入吒：苎磐得： z p o ( 2 1 5 ) e = 老盟丝= 翼2 轰2三2 2 2 r l 2 r l 8 1 a4 ：= 锗(216)orlwi 33 坍2 觞“ 舵圯 1 8 鳓形 、。 用向量乘法原理，将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 转换为由旋转坐标系下的形式： 如= k m ( i s 2 d d + c 2 9 g ) 式中如= 葫2 辕2 。 = ( 2 叮少l d + 2 d i f ，l g ) ji 7 71 哦x 刈砖7 ， ：3西j 7 7 阢x w 。 j 埘 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 图2 4 洛伦兹力向量图图2 5 麦克斯韦力向量图 式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 即引入悬浮控制绕组后，气隙中转矩绕组气隙磁场与悬浮控 制绕组电流所产生的气隙磁场互相作用所产生的悬浮力，在保持气隙磁场恒定条 件下，其大小与悬浮控制绕组的电流成正比。只要控制悬浮绕组的电流，就能控 制作用在转子的悬浮力。 2 3 无轴承异步电动机的数学模型 无轴承异步电动机数学模型建立步骤如下：首先根据普通异步电动机的数学 模型得到旋转运动基本方程式，然后在定转子中心重合的条件下推导出悬浮控制 江苏大学硕士学位论文 绕组通电时产生的可控径向悬浮力基本方程式；接着假设悬浮控制绕组中没有电 流，得到转子发生偏心位移时不平衡径向磁拉力公式；最后得到转子悬浮系统的 运动方程1 3 8 - 4 0 】。 在推导数学模型之前，先对参数标号作如下设定： 参数名：y 一气隙磁链，甜一绕组电压，f 绕组电流，一转子外径，卜一 电动机铁心有效长度，矽一绕组匝数，一麦克斯韦力，功一电角频率，p 一 极对数，b 一磁密，风一真空磁导率，五一悬浮控制绕组气隙磁链空间向量的 初始相位角，一转矩控制绕组气隙磁链空间向量的初始相位角，厶一等效励 磁互感。 下标：s 一定子分量，一转子分量，1 一转矩控制绕组，2 一悬浮控制绕组， d 一直轴分量，g 一交轴分量。 2 3 1 旋转运动基本方程式 假设无轴承异步电动机的转矩控制绕组三相对称分布，所产生的磁动势沿气 隙圆周按正弦规律分布，同时不考虑频率和温度变化对电动机参数的影响，并忽 略磁路饱和和铁心损耗，可以得知与普通异步电动机相似，由旋转坐标系中的 定转子电压、电流、磁链和转矩方程为： 电压方程 气隙磁链方程 或者 埘= 足l l d + a + 厶l 矾l d 一( g + 厶l l g ) q 髦三巍褫兰彘鼍凇：。 亿柳 j = 尽l o + 朋d + 厶l 厦l d 一( 纠。+ 厶毒l 。) 织= 0 7 咋i g = g l l q + a + 厶厦l 口+ ( 媚d + 厶l f r l d ) q = o 虬l d = y l d + 三l l d 虬l f2 g + 厶l ，增 j 咋l d = y l d + 三，l ，l d ”i g2 l d + 上，l ，l g 1 6 ( 2 2 0 ) 江苏大学硕士学位论文 转矩方程 i d = 厶( 毛d + ，d ) ，= 厶，( t i ，+ l ，) t = p , ( i s l g d l s l d g ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式中，匕，为转矩控制绕组互感，t 。，和t 。，分别为转矩控制绕组定子和转子 漏感，c o 。为转矩控制绕组定子角频率，国，为转子角速度，b 。为转矩绕组电阻， p 为微分算子，r p 。为转矩控制绕组极对数。 2 3 2 径向悬浮力基本公式 由图2 4 和图2 5 的洛仑兹力和麦克斯韦力的向量图可得： 令f = 乞+ 舅为悬浮力可控分量： c = k ( 2 d d + i s 2 q 5 f l g ) ( 2 2 3 ) e = k ( i s 2 q 妒 , d + 2 d ) ( 2 2 4 ) 同时，当转子发生偏心时，因气隙不均匀造成的磁场不平衡会产生偏心磁拉 力，这是一种固有的麦克斯韦力，其表达式为： b = k x ( 2 2 5 ) 名= k j ， ( 2 2 6 ) k ：k ! 攀为位移刚度，k 为衰减因子，一般取k = 0 3 ，x - y 为转子偏移5 万 方向。 2 3 3 运动方程模型 设足，名为外加干扰分量，m 为转子质量，转子转动惯量，瓦为负载转 矩，则无轴承异步电动机的悬浮系统运动方程为： 足+ 尼一e = m ( 2 2 7 ) 江苏大学硕士学位论文 乃+ 一e = 彬 = 丢警 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 式中，c ，e 为可控径向悬浮力，c ，易为转子偏心时的不平衡磁拉力。 2 4 小结 本章对普通单绕组异步电动机所受磁力以及无轴承异步电动机的工作原理 和数学模型进行了分析，得出如下结论： ( 1 ) 通过对普通电动