（电力电子与电力传动专业论文）无轴承永磁同步电机及轴向定位磁轴承控制技术.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t ab e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( b p m s m ) i sa r li n n o v a t i o n a lt y p eo f m o t o rw h i c hi n t e g r a t e sm a g n e t i cl e v i t a t i o nt e c h n o l o g yw i t hp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r t h e r ea r et w ok i n d so fw i n d i n g se m b e d d e di nt h es t a t o r ss l o t ，w h i c hi st o r q u ew i n d i n g sa n d s u s p e n s i o nf o r c ew i n d i n g s t h et o r q u ew i n d i n g sc a nm a k et h em o t o rr o t a t ea n dt h es u s p e n s i o n f o r c ew i n d i n g sc a l lm a k et h er o t o rs u s p e n d t h eb p m s m ，w h i c hh a se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so f n om e c h a n i c a lf r i c t i o n ，n e e d l e s sl u b r i c a t i o na n dl i t t l ew e a lh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o np r o s p e c t si n t h ef i e l d so fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，l i f es c i e n c e ，e ta 1 m a n yr e s e a r c hd e p a r t m e n t sh a v ep a i d m o r ea t t e n t i o nt ob e a r i n g l e s sm o t o ri nt h ew o r l d t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea s f o l l o w s ： 1 t h eb a s i co p e r m i o np r i n c i p l eo ft h eb p m s mi se x p o u n d e db a s e do na n a l y z i n gt h ew a yo f p r o d u c i n gs u s p e n s i o nf o r c e si nt h em o t o r , a n dm a t h e m a t i cm o d e l so ft h eb p m s mw i t ht h ep o l e p a i no fp m = la n d 尸b = 2 a r ed e d u c e d t h eb p m s mi sas t r o n g c o u p l e d m u l t i v a r i a b l ea n d c o m p l i c a t e dn o n l i n e a rs y s t e m ，h o wt or e a l i z et h ed e c o u p l i n gc o n t r o lb e t w e e ne l e c t r o m a g n e t i c t o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c ei st h ep r e m i s eo fm o t o r ss t e a d yo p e r a t i o n ，t h ec o n t r o lm e t h o d o fr o t o rf l u xo r i e n t a t i o nb a s e do ns v p w mi sa d o p t e d ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eb p m s mi s d e s i g n e d ，t h er e a l i t y o ft h ep r o p o s e dm e t h o di st e s t i f i e d b ym o d e l i n gs i m u l a t i o nw i t ht h e m a t l a bs o f t w a r e 2 t h et h e r o ya n dp r a c t i c eo ft h em a g n e t i cb e a r i n gi nt h ea x i a ld i r e c t i o no ft h eb p m s ma r e r e s e a r c h e d t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ea x i a lh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n ga r e i n t r o d u c e da n di t sm a t h e m a t i cm o d e l sa r ed e d u c e d t h ec a t e g o r i e s ，t o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n d c o n t r o ls t a t e g yo fp o w e ra m p l i f i e ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ak i n do fi n t e g r a t e dt w o - l e v e lp w m s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri sd e s i g n e d o nt h i sb a s i s ，t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h em a g n e t i cb e a r i n gi n t h ea x i a ld i r e c t i o no fb p m s mi sd e s i g n e du s i n ga x i a ld i s p l a c e m e n td e t e c t i o nc i r c u i ta n da n a l o g p i dc o n t r o l l e r t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e b u g g e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h er a t i o n a l i t ya n dv a l i d i t yo f t h ed e s i g n 3 t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mu s i n gt h ec h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s po ft ic o m p a n ya st h e d i g i t a lc o n t r o l l e ro ft h eb p m s m i sd e s i g n e d t h eh a r d w a r es y s t e mb a s e do ni p ma n dt h es o f t w a r e s y s t e mu n d e rt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc c s 2 0 0 0a r ei n t r o d u c e d ，r e l a t e dp r o g r a m f l o wc h a r t sa r eg i v e n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h eb p m s m w i t ht w od e g r e e so ff r e e d o mi sd e b u g g e d s o m ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r eg i v e na n da n a l y z e d ，t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h ec o r r e c t n e s so f t h ep r o p o s e dt h e r o y k e yw o r d s ：b p m s m ，m a t h e m a t i cm o d e l s ，m a g n e t i cb e a r i n g ，s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r s v p w m ，d i g i t a lc o n t r o l i i 江苏大学硕士学位论文 图表说明 图1 1 传统磁悬浮电机结构图“2 图1 2 无轴承电机结构类型3 图1 3 磁轴承系统工作原理框图”9 图2 1 无轴承永磁电机径向悬浮力产生原理图1 4 图2 2 无轴承永磁同步电机矢量控制系统框图1 8 图2 3 无轴承永磁同步电机控制系统仿真图1 9 图2 4s v p w m 模块“2 0 图2 5 转子沿x 、y 轴方向的曲线2 0 图2 6 无轴承永磁同步电机转速和转矩特性曲线2 l 图3 1 线性功放原理图2 3 图3 2 开关功放原理图2 3 图3 3 开关功放主电路的四种典型结构2 5 图3 4p w m 型原理图2 6 图3 5 采样保持型原理图2 7 图3 6 滞环比较型原理图2 7 图3 7m p w 型原理图2 8 图3 8 轴向混合磁轴承结构与工作原理图2 9 图3 9 主电路电流状态3l 图3 1 0 功率开关管3 2 图3 1 1 开关管的r c 吸收电路3 2 图3 1 2i r 2 1 3 0 驱动电路原理图一3 3 图3 13i r 213 0 内部功能图3 4 图3 1 4t l 4 9 4 内部原理图3 6 图3 1 5t l 4 9 4 脉宽调制信号发生器实际电路图3 7 图3 1 6p w m 开关功放实物图3 7 图3 1 7 电涡流传感器基本工作原理示意图“3 8 图3 1 8 电涡流位移传感器输出特性”3 8 v 江苏大学硕士学位论文 图3 19 轴向位移接口电路3 9 图3 2 0 模拟p i d 控制系统原理图”4 0 图3 2 l 模拟p i d 控制器电路4 1 图3 2 2 传感器检测转子位移波形“4 4 图3 2 3p i d 控制器输出波形”4 4 图3 2 4 驱动信号互补波形一4 4 图3 2 5 线圈两端电压波形”4 4 图4 1 无轴承永磁同步电机控制系统硬件框图4 6 图4 2 径向位移接口电路4 9 图4 3 转速和位置脉冲信号调节电路5 0 图4 4c s n e l 5 1 1 0 0 型电流传感器管脚说明”5 0 图4 5 电流反馈与电压转换电路51 图4 6i p m 内部功能图和外部应用电路”5 2 图4 7 光耦隔离电路5 3 图4 8 故障信号检测电路5 4 图4 9 主程序流程图：“5 6 图4 1 0 中断子程序5 6 图4 1 l 电机旋转和悬浮控制程序流程图”5 7 图4 1 2 基本电压空间矢量及开关状态图”5 8 图4 13s v p w m 子程序流程图5 9 图4 1 4 转矩绕组的电流给定与反馈波形6 0 图4 1 5a 、b 两相之间的线电压”6 0 图4 1 6a 、c 两相基准电流波形6 1 图4 1 7 转子在x 方向的位移曲线6 1 表4 1 线圈引脚连接方法5 0 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。 靴敝储擗枷蛘 签字同期：力7 口年歹月：z e l 翩躲霁断 l ， 吨 签字日期：矽fd 年6 月汨 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己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。 学位论文作者獬：协晖 日期：加p 年占月仁日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 磁悬浮技术是利用磁场力悬浮负载，实现非接触支承的技术。其应用主要分 为两大领域：一是将悬浮物体以直线电机进行牵引，使其在特定的轨道上运行， 形成磁悬浮列车；另一是将悬浮物体以旋转电机驱动，使其绕特定的轴线旋转， 形成磁悬浮转子。在这两种应用领域的研究和应用都取得了较大成果。 磁悬浮技术的研究源于德国，早在1 9 2 2 年德国工程师肯珀( k e m p e r ) 就提 出了电磁悬浮原理，并于1 9 3 4 年申请了磁悬浮列车的专利。从6 0 年代起，日本 和德国对不同方案的磁悬浮列车进行了研究。德国对主动磁悬浮技术的研究主要 集中在电磁型( 简称e m s ) 磁悬浮列车上，1 9 7 7 年德国航空公司研制成功的 k o m e t 磁悬浮列车是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。日本主要集中于电动型 ( 简称e d s ) 磁悬浮列车的研究与开发，1 9 7 2 年研制的m l l 0 0 是世界上第一台 e d s 行磁悬浮列车川。 为了克服机械轴承的弱点，近年来，很多研究人员将磁悬浮技术应用到轴承 中，从而发展出磁悬浮轴承。这是一种通过磁场力实现转子悬浮，实现转子和定 子之间没有任何机械接触的新型的高性能轴承。磁轴承具有无摩擦、无磨损，无 需润滑和密封以及高速、高精、寿命长等优良特性，从根本上改变了传统的支承 形式，已在能源交通、机械工业、航空航天及机器人等高科技领域得到广泛应用。 目前，国际上对磁轴承的研究工作和学术气氛非常活跃，1 9 8 8 年在瑞士苏黎士 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 c b e a r i n g s ) ，此后每两年召开一次。美国航空航天管理局1 9 9 1 年召开了一次“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 n t e c h n o l o g y ) ”的学术会议，从1 9 9 1 年起，美国每两年召开一次i n t e m a t i o n a l s y m p o s i u mo nm 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 。国际上的这些努力，大大推动了 磁轴承在工业中的应用 2 1 。将磁轴承取代普通的机械轴承，应用于高速电机的机 械支承中，就构成了磁轴承支承的电机系统。 虽然传统磁悬浮电机具有很多突出的优点，并已在多个领域获得了成功应 江苏大学硕士学位论丈 用，但在实际的应用过程中，传统磁轴承支承电机依然存在很多问题。磁悬浮轴 承占有独立的轴向空间，使得磁悬浮电机的轴向利用率较低，而磁悬浮轴承结构 和交流电机定子结构具有一定的相似性，如果能把磁悬浮轴承中产生径向悬浮力 的绕组叠绕在电机转矩绕组上，使两套绕组成为一个组件，且能同时有效控制电 机转子的悬浮和旋转是最为理想的，正是基于这一设想提出了无轴承电机。无轴 承电机的概念最初是由r b o s c h 于8 0 年代末提出，在瑞士的j b i c h s e l 实现了同 步电机的无轴承技术之后【3 1 ，无轴承电机的研究引起了广泛的重视。目前瑞士、 日本和美国等国家都大力支持开展这项研究工作。日本的a c h i b a 等人对异步 电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的无轴承技术进行了研究1 4 引。瑞士的r s c h o b 研究了异步电机的无轴承技术【7 】和薄片状无轴承电机。目前瑞士联邦工学 院在这一研究领域中保持领先，已有一些成果转化为商品。 国内在磁悬浮技术方面的研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代末期才正式启动磁 悬浮列车的研究，由国防科技大学和西南交通大学等有关单位承担。与此同时， 国内还有不少院校和单位开展了磁悬浮轴承方面的应用研究，如清华大学、西安 交通大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、武汉理工大学、上海大学、北 京航空航天大学、江苏大学等。通过研究发现，磁轴承和无轴承电机系统中的控 制器、功率放大器、驱动电路以及新型结构是目前国内外磁悬浮技术研究的重点 内容。 1 2 无轴承电机研究与发展状况 1 2 1 无轴承电机概述 磁轴承的优点是能够克服机械轴承性能上的不足，从根本上改变了传统的支 承形式，为电机的发展开辟了新空间口5 ，2 6 1 。 传统磁悬浮电机结构如图1 1 所示。磁轴承产生悬浮力实现转子的悬浮，电 机产生转矩实现转子的旋转，转子 五自由度悬浮需要两个径向磁轴 承和一个轴向磁轴承来实现。虽然 磁悬浮电机具有其突出的优点，并 已在多个领域获得了成功应用，但 径向磁轴承轴向磁轴承电机径向磁轴承 11 1 圈圉忸吁删l l 川1u 阕 u u ul j u iuul jl j u l h ll j i ul j i l r r t t 丌t r nr t t r t t mn t 几t r r r m t f r 丌图fl 圈叮衄i i i l l i i l 2 图1 1 传统磁悬浮电机结构图 江苏大学硕士学位论文 在实际的应用过程中，传统磁悬浮电机依然存在许多问题，其系统结构尺寸比较 大、转动惯量大、系统动态响应比较缓慢，易于引起系统振荡甚至不稳定运行。 无轴承电机是从磁路上将电机和磁轴承合为一体，把电机的铁芯兼作磁轴承 的铁芯，是集电机和磁轴承功能于一体的新型电机系统。无轴承电机并不是不需 要轴承，只是不需要机械轴承和磁轴承提供径向支撑，而是由转轴实现自悬浮功 能。该思想由r b o s c h 于8 0 年代末提出，至今已有2 0 余年的发展。无轴承电 机的思想是基于磁轴承结构和电机定子结构的相似性，把磁轴承中产生径向悬浮 力的绕组迭加在传统电机定子绕组上，使悬浮磁场的磁路与传统电机的磁路合为 一体，如果能独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮，就可以实现电机的无轴承 运行了，无轴承电机就是基于这一思想产生的。图1 2 是无轴承电机的常用结构 类型【2 7 ，2 引。 径向磁轴承轴向礅轴承 无轴承电机 轴向磁轴承 无轴承电机 础脚圜 圈r n 丌1 t r 厂 n 儿山山山l 灞魁叫l u j 山 u u i l i i ul j lul j ul jl jl j l l 盯r 丁t t r 丌1 r r 丌w t 丌t 1 - n m 册图圈h i l l r 1t f l l l ( a ) 无轴承电机结构类型i( b ) 无轴承电机结构类型i i ( c ) 无轴承电机结构类型i 图1 2 无轴承电机结构类型 与传统磁悬浮电机相比，无轴承电机除了具有磁轴承的所有优点之外，还具 有更多的优点： ( 1 ) 充分利用了电机空间，减小了轴长，电机的临界转速可以大幅提高；其 输出功率相对较高。 ( 2 ) 轴向利用率高，结构更紧凑，体积小，便于微型化。无轴承电机定子兼 作磁轴承铁芯，悬浮绕组缠绕在电机定子铁芯上，不占用额外轴向空间，同等功 率条件下，电机体积较小，省去了两端的径向磁轴承，电机成本相对较低。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 磁悬浮能耗小。省掉了磁轴承的磁悬浮直流偏置磁场，从而可以减小产 生悬浮力所需要的电能，提高系统的效率。 ( 4 ) 悬浮力可以在转子全长范围内产生，可产生较大的悬浮力。 无轴承电机的诸多独有特点决定了它具有十分广阔的应用前景。需要免维 修、长寿命运行，无菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输是无轴承电机的 典型应用场合。目前，国外已经或即将将无轴承电机应用于半导体工业、生命科 学、化学化工、机械工程、大功率机电储能和航空航天等领域。 1 2 2 无轴承电机研究现状 无轴承电机的概念最早在1 9 7 5 年由p k h e r m a n n 提出，他发明了一种由p 极对数绕组和肚l 极对数绕组相组合的双定子绕组结构，并申请了专利；当两套 绕组同时通以三相交流电时，电机中既可以产生旋转所需的电磁转矩，又能产生 径向悬浮力【2 9 1 。由于无轴承电机中转子位移方向和大小的不确定性，要实现稳 定悬浮必须对悬浮电流进行实时控制，但受到电力电子技术和数字控制技术发展 水平所限，无轴承电机的概念没能付诸实现。快速电力电子器件与高速数字信号 处理器的出现使无轴承电机的实时控制成为了可能。2 0 世纪8 0 年代末，瑞士苏 黎世联邦工学院的j b i c h s e l 在现代电力电子技术和数字控制技术的支持下，研 制出世界上首台无轴承电机1 3 0 1 。1 9 9 0 年同本东京工业大学的a c h i b a 首次将无 轴承技术应用在磁阻型电机上，实现了磁阻型无轴承电机的悬浮运行【3 1 1 。1 9 9 1 年苏黎世联邦工学院的r s c h o b 首次实现了交流无轴承电机的悬浮运行【3 2 】，1 9 9 2 年同本茨城大学的yo k a d a 首次实现了永磁型无轴承技术的悬浮运行【3 引。 无轴承电机取得实际应用，关键性突破是1 9 9 8 年瑞士的n b a r l e r a 研制开 发出了2 自由度轴向的无轴承薄片电机，此电机结构简单，大大降低了控制系统 费用，在很多领域具有很大的应用价值【3 3 1 。在瑞士苏黎世联邦工学院s a m r h e i n 和s s i l b e r 的合作下，无轴承电机得到了稳步发展。同年，m s a l a z a r , r m s t e p h a n 和e w a t a n a b e 研究了可以产生径向力的抽头式绕组的无轴承电机。同本 学者yo k a d a 和m o h i s h i 研究了基本极对数各种组合的无轴承电机【3 3 1 。无轴承 电机研究的不断发展进步为其在血液泵和可移植到人体内的心脏左心室辅助装 置中的成功应用奠定了基础。自2 0 世纪9 0 年代中期起，世界各地如瑞士、澳大 利亚、德国、英国、法国、加拿大、美国、中国、韩国以及其它国家都在从事相 4 江苏大学硕士学位论文 关方面的研究。2 0 0 0 年，苏黎世联邦工学院的s s l i b e r 研制出了无轴承单相电 机【3 6 】，在无轴承电机研究史上又前进了一步，这使得无轴承电机的实际应用不 仅仅是可想的而且是经济的。2 0 0 5 8 美国科学家n a s ag l e n n 研究中心完成了 g 4 型无轴承电机的研究。 国内对无轴承电机的研究起步较晚，尚处于实验室阶段。自9 0 年代末至今， 国内一些高校先后得到国家自然资金及国防科研资金的资助，开展了无轴承电机 研究，在理论和实验方面取得了一些成绩。沈阳工业大学提出了一种新型的混合 转子结构的无轴承电机【3 7 1 ，南京航空航天大学对无轴承异步电动机磁场定向控 制等诸多方面进行了研究【3 引，浙江大学开展了感应型无轴承电机悬浮力解析建 模和优化气隙磁场定向控制研究【3 9 1 ，西安交通大学对无轴承电机的基础理论进 行相应的探索和研究【4 0 l ，江苏大学对无轴承电机进行了系列化研究，包括各种 磁轴承以及感应电机和永磁同步电机等。在中国，还未见有报道工业实验运行的 例子，要实现无轴承电机的商品化、实用化，还需要一个漫长的过程。 1 2 3 无轴承电机研究发展趋势 微电子技术、功率电子技术和自动控制技术的迅猛发展以及功率逆变技术的 不断成熟为磁轴承和无轴承电机不断深入的研究做出了巨大的贡献。目前，国内 无轴承电机的研究整体上仍处于理论分析、实验样机研制、技术开发的实验探索 阶段，离实用化还有一段距离，以下几个方面尚需进一步深入系统地研究： 1 无轴承电机本体优化设计及新型结构无轴承电机的设计 无轴承电机是适合于高速运行的新型电机系统，电机的尺寸、定转子结构形 式、定子绕组的绕制形式、绕组匝数及线径、两套绕组的位置布局等都对电机的 基本参数、磁场分布、驱动转矩控制和转子悬浮控制有一定影响。电机的磁路饱 和、温度、不同转矩和径向力负载条件对磁场分布和参数的影响等也是需要考虑 的问题。 然而，传统无轴承电机为了实现悬浮力和旋转转矩的独立控制，在槽内嵌有 悬浮力和旋转两套绕组，但悬浮力和转矩控制之间存在强耦合关系，且悬浮力、 转矩和永磁体厚度三者之间存在复杂的关系。无槽洛伦兹力无轴承永磁电机【7 5 7 6 】 是以一种新型无轴承电机，其定子内表面是无齿槽结构，且只需要一套定子绕组， 利用洛仑兹力同时产生旋转转矩和径向悬浮力，因此，定子上不再需要用于产生 江苏大学硕士学位论文 麦克斯韦力的悬浮力绕组。这种新型无轴承电机优点是无需考虑传统无轴承电机 中转矩和悬浮力之间固有的制约关系( 特别在纯洛仑兹力型电机的设计中，永磁 体越厚，产生的转矩和悬浮力越大) ，也无需考虑传统无轴承电机转矩控制和悬 浮力控制之间复杂的强耦合关系，可以产生更光滑、可靠的转矩和悬浮力。根据 其突出的优点，可以应用到各种超精度及超高速场合。 2 无轴承电机数学模型的研究 无轴承电机数学模型的研究是实现无轴承电机高效控制的基础。无轴承电机 的悬浮力是通过转矩绕组气隙磁场与悬浮绕组气隙磁场相互耦合作用产生的，多 变量且非常复杂。无轴承电机的数学模型包括磁链方程、电压方程、电磁转矩方 程、悬浮力方程等，这些方程之间具有一定的非线性耦合关系1 2 s 。要获得高品 质的驱动及悬浮控制性能，需建立比较精确的数学模型。文献【3 4 】利用了虚位移 原理求解磁场力性质的径向力，是推导无轴承电机径向力表达式的一种简捷方 法，但其实验测量引起的误差比较大。文献 4 1 】采用积分法推导出了含有磁极宽 度参数的电感矩阵一般表达式，再求径向悬浮力，具有一些通用性，但其计算相 当复杂。 通过分析各类型无轴承电机的规律和本质，各类无轴承电机都具有相同或相 似的磁悬浮特性。开展对无轴承电机共性规律、基础理论的进一步深入研究，建 立无轴承电机的一般化悬浮及驱动控制模型，不仅可以更为深入地了解各种无轴 承电机的规律特性，而且还可以为进一步扩展无轴承运行技术的应用领域奠定理 论基础。 3 无轴承电机的五自由度控制研究 无轴承电机系统由一个轴向磁轴承以及两个径向的无轴承电机单元组成，因 此，要实现电机转子的稳定悬浮需要在其五个自由度上都要施加控制力【4 2 】。目 前，国内外对无轴承电机的研究绝大多数都是集中在单个无轴承电机单元的悬浮 绕组控制上，即两自由度控制，而把无轴承电机系统作为一个整体进行五自由度 控制研究相对较少。只有在电机转子五个自由度上恰当的施加控制力才能实现电 机的稳定运行，因而，研究如何对电机实现五自由度控制具有现实意义。 4 无轴承电机无传感器运行理论和技术研究 在无轴承电机实现双端悬浮后，转子旋转位置的精确探测将成为新的问题， 因为机械式旋转位置传感器本身一方面无法实现高速或超高速旋转；另一方面转 6 江苏大学硕士学位论文 子的径向跳动也对机械传感器带来致命损害。所以，无轴承电机的无速度传感器 技术是值得研究的问题。 要实现无轴承电机的精确径向位置控制，首先要及时获取转子的径向位移信 息。昂贵的位移传感器是大幅度提高无轴承电机硬件成本的主要原因之一。目前， 国内外已经有学者针对这个问题进行了理论研究，提出了通过探测电机电感量的 变化来获取转子径向位移信息的方法设想，并取得了初步研究成果。 5 悬浮子系统独立控制研究 要实现无轴承电机的旋转驱动和悬浮控制都能达到高性能，必须对转矩系统 和悬浮系统进行独立控制。无轴承电机的转子悬浮是通过转矩系统气隙磁场和悬 浮系统气隙磁场相互调制产生径向力实现的，所以转矩控制和悬浮控制之间存在 内在的磁场联系，就是悬浮控制必须及时得到转矩系统气隙磁链的幅值和准确相 位。转矩系统气隙磁场定向控制算法复杂，而且存在最大转矩限制的缺陷，缺乏 实用性。如果能采取其它措施及时准确地获取转矩系统气隙磁链信息，不但 转矩系统可不受悬浮控制的影响，仍可采用转子磁场定向控制，甚至采用通用变 频器供电，而且可以实现悬浮子系统的独立控制。悬浮子系统有效独立控制将是 无轴承电机走向产业化的关键问题之一。 1 3 磁轴承特点、分类及功放研究状况 1 3 1 磁轴承的特点与分类 磁轴承( 又称磁悬浮轴承m a g n e t i cb e a r i n g ，简称m b ) 是利用电磁力将转 子悬浮于空间，使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型、高性能的轴承。 由于转子和定子之间没有机械接触，因此磁轴承具有传统轴承无法比拟的优越性 能，具体表现在以下几个方面【弘1 0 】： ( 1 ) 没有机械接触，无摩擦、无磨损、无噪音，使用寿命长，维护费用低。 ( 2 ) 不需要润滑和密封系统，消除了污染，减轻了设备的重量，提高了机组 的效率，适用于多种工作环境( 如超净或腐蚀介质、真空等) ，而且对环境温度 不敏感。 ( 3 ) 动力损失小，便于应用在高速运转场合，其转速只受转轴材料强度的限 制。 7 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 动态特性可控制和优化。磁轴承的动态性能主要取决于所有控制规律， 这样可使刚度、阻尼等与轴承的工作环境甚至运行状态和转速相适应，可使转子 平稳运转；轴承的动力学参数( 如刚度、阻尼等) 可以通过调节控制器参数方便 进行调节，具有灵活的刚度和阻尼特性调整能力。 ( 5 ) 磁轴承不仅可以支承转子，起到稳定转子的作用，而且还可以作为激振 器使用。 ( 6 ) 可以从控制系统直接获得运行信息，便于实现运行状态的在线监测。 磁轴承的种类很多，可根据多种方式进行分类【8 ，1 0 1 1 1 。 ( 1 ) 按悬浮磁力产生方式的不同可分为主动磁轴承( 也称有源磁轴承a c t i v e m a g n e t i cb e a r i n g ) 、被动磁轴承( 也称无源磁轴承p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ) 和 混合磁轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ) 。 ( 2 ) 按驱动电流的性质可分为直流磁轴承和交流磁轴承。 ( 3 ) 按磁轴承对悬浮转子施加的受控自由度数可分为单自由度、二自由度和 三自由度磁轴承。 ( 4 ) 按结构形式可分为立式和卧式；按作用力特点可分为吸引式和排斥式。 当然，磁轴承目前还处于发展阶段，存在一些缺点： ( 1 ) 在掉电情况下无承载能力，所以必须使用辅助轴承支承。 ( 2 ) 由于磁轴承技术涉及机械工程、电气工程、计算机科学等多种学科，基 础知识比较复杂，大多数用户不具备这些知识，因此这项新技术不易被广泛接受。 ( 3 ) 磁轴承结构复杂，成本较高，因此价格与普通轴承相比较高，还尚未能 形成批量生产。 ( 4 ) 通用的系统设计方法仍然不完善，系统设计困难较大。 1 3 2 磁轴承功率放大器研究状况 在磁轴承的研究过程中，功率放大器的研究一直是一个热点领域。功率放大 器是磁轴承系统的执行环节与控制系统的桥梁，其性能直接影响到整个系统的动 态性能，特别是功放级的电压、电流对控制精度具有决定性的影响【1 2 13 1 。如图 1 3 所示，它的功能是将控制器输出的控制信号放大或转换成具有足够能量的信 号( 一般为电流信号) 来驱动磁轴承的负载线圈，以保证转子系统能稳定悬浮在 磁极之间。功率放大器在磁轴承系统中具有重要的作用，首先它作为磁轴承系统 8 江苏大学硕士学位论文 的一部分，其传递函数对系统状态方程的结构和阶数有影响；第二，作为执行环 节，能量消耗最大，如何降低它的能量损耗和提高能量转换效率是功率放大器设 计的主要目标之一；第三，磁轴承自身所具有的特殊性使其设计不同于一般的功 率放大器，这也就同时增加了设计的难度和多样性。 图1 3 磁轴承系统t 作原理框图 到目前为止，磁轴承功率放大器经历了三代。第一代从2 0 世纪6 0 年代未到 8 0 年代术，磁轴承功率放大器主要是利用线性功率放大器，其优点是电路相对 简单，易于实现，缺点是动态特性差、效率低，多用于小功率、低精度控制的场 合。随着磁轴承技术的发展，开关型功率放大器得以在磁轴承领域尝试。在1 9 8 6 年，法国s 2 m 公司生产出功率为4 m w ，转子重为8 t ，最高转速为3 0 0 0 r p m 的 透平发电机，并投入使用。1 9 9 0 年在日本东京的第二届国际磁悬浮轴承会议上， 首先由美国弗吉尼亚大学f j k e i t h 等人和加拿大n o v a 公司的t b a r d a s 等人提 出了开关型功放在磁轴承功放中的应用【m 1 卯。开关功放的使用，大大提高了电 流和力的响应速度，提高了功放电源的效率，缺点是开关功放的干扰大，控制精 度也相对较差。这就是第二代磁轴承功率放大器，从2 0 世纪8 0 年代末开始应用 研究，到9 0 年代末逐渐成熟。第二代磁轴承功率放大器都是由分立元器件组成， 研制周期长，安装调试繁琐，体积较大，阻碍磁轴承向小型化方向发展，从而形 成了第三代磁轴承功率放大器，即集成开关功率放大器，其特点是体积小，可靠 性高，使用方便，为磁轴承电控系统向小型化方向发展奠定了基础【l 引。 目前开关功放的调制方式主要有以下四种：脉宽调带o ( p w m ) 型、采样保持 ( s a m p l e h o l d ) 型、滞环比较( h y s t e r e s i sc o m p a r e ) 型、最小脉宽( m i n i m u mp u l s e w i d t h ) 型。清华大学i l7 j 对最小脉宽m p w 型开关功放进行过研究，北京工业大学 【1 8 】对采用保持型开关功放做过研究。目前p w m 型开关功放在磁轴承开关功率放 大器中应用得比较多，2 0 0 2 年南京航空航天大学【1 9 j 在磁轴承中采用了三电平开 9 江苏大学硕士学位论文 关功放；在第八届国际磁悬浮轴承会议上韩国汉城大学的j y i m ，f k i m ，s k i s u l 和美国维吉尼亚大学的h a h n 联合设计了一种利用空间矢量法的新颖高效开关 功放【l6 】，它们都属于p w m 型功放，创新点主要在控制算法上。在数字功率放大 器方面，北京航空航天大学应用c p l d 设计了双向数字功率放大器，并应用于磁 悬浮轴承飞轮系统【2 0 1 。上海大学、河北工业大学等均对数字功率放大器做了一 些初步性的研究 2 1 2 2 1 。 另外，磁轴承功率放大器也是主要耗能元件之一，怎样减小功率损耗也成为 人们研究焦点之一，特别是软开关技术的兴起对功率放大器起了很大的推动作 用，从一定程度上减少了功率放大器的损耗，但国内在这方面的研究较岁2 3 , 2 4 】。 本文针对无轴承永磁同步电机系统中的轴向定位混合型磁轴承，研究了一种集成 式两电平p w m 型集成开关功率放大器。磁轴承技术目前在涡轮机械行业获得了 很广泛的应用，在机械加工业也有部分应用。 ? 。 磁轴承的发展主要集中在超导磁轴承研究、i 商温磁轴承研究、控制系统的智 能化与集成化、无传感器磁轴承研究、无轴承电机研究、磁轴承的工业应用等。 本文研究的对象是无轴承永磁同步电机，这是磁悬浮技术发展的重要方向。 1 4 本课题的研究意义 无轴承永磁同步电机具有无需润滑、无磨损、无污染、低噪音、高速度、高 精度及其寿命长等一系列突出优点，可以应用到航空航天、生命科学、机械工程 等很多关键的领域。但国内还没有实现无轴承永磁同步电机的产品化，因此，我 国迫切要求开展无轴承永磁同步电机的研究工作。 无轴承永磁同步电机及轴向定位磁轴承控制技术的成熟化是整个系统稳定 运行的关键，所设计的无轴承永磁同步电机解耦控制系统及可靠的轴向磁轴承功 率放大器对磁悬浮技术的进一步深入的研究具有理论和实践参考价值。 1 5 论文的内容安排 本文研究的内容主要包括以下几个方面： 第一章首先介绍了磁悬浮技术的研究发展状况；其次综述了无轴承电机在 国内外的研究状况与发展趋势；再次简要阐述了磁轴承的分类与特点及磁轴承功 1 0 江苏大学硕士学位论文 率放大器的研究状况；最后简单概述了本课题研究的意义。 第二章阐述了无轴承永磁同步电机的工作原理，推导出极对数p m = i ，p b = 2 的无轴承永磁同步电机完整的数学模型，采用基于s v p w m 的转子磁场定向矢 量控制策略来实现两套绕组之间的解耦控制，设计了无轴承永磁同步电机数字控 制系统，利用m a t l a b 仿真软件对控制系统进行建模仿真并给出了仿真结果。 第三章介绍轴向混合磁轴承的工作原理并建立其数学模型，阐述了磁轴承 功率放大器的种类、拓扑结构和控制策略；针对无轴承永磁同步电机系统中的的 轴向定位磁轴承，设计了轴向单自由度磁轴承控制系统，主要包括集成式两电平 p w m 开关功率放大器、轴向位移接口电路和模拟p i d 控制器的设计，并对该控 制系统进行了实验调试，给出了实验结果进而验证了设计的正确性和有效性。 第四章介绍了无轴承永磁同步电机以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心的数字 控制系统软、硬件部分，硬件部分主要包括数字控制器的选择、信号检测、功率 逆变器、故障保护电路等功能；软件部分在c c s 2 0 0 0 开发环境下，给出了功能 模块程序流程图，根据基于s v p w m 的转子磁场定向矢量控制策略，开展了数 字控制系统的部分实验研究，实验结果验证了所提出方法的可靠性； 第五章总结本论文所做的理论与实验工作，并对以后将从事的工作进行展 望。 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承永磁同步电机工作原理与矢量控制系统仿真 2 1 引言 普通永磁同步电机( p m s m ) 具有结构简单、体积小、重量轻、效率高等一 系列的优剧4 3 1 。无轴承永磁同步电机是在普通永磁电机基础上发展起来的一种 新型电机。无轴承永磁同步电机的定子槽中嵌有两套不同极对数的绕组( 即转矩 绕组和悬浮力绕组) ，转矩绕组和悬浮力绕组的磁场通过气隙磁场相互作用产生 径向悬浮力，通过合理的控制该力就可实现转子的自悬浮，而电机的旋转力矩是 由转矩绕组产生，从而实现了永磁电机的无轴承化运行。 本文研究了一种由一个轴向定位磁轴承和一个二自由度无轴承永磁同步电 机组成的无轴承永磁同步电机系统，其控制系统的硬件和软件相对而言比较简 单，这样便降低了系统的加工工艺的要求，而且便于系统的集成和模块化生产。 本章在普通永磁同步电机的基础上分析了无轴承永磁