（电力电子与电力传动专业论文）无轴承异步电机无速度传感器技术的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e a r i n g l e s sm o t o r s ，w h i c hc o m b i n em a g n e t i cl e v i t a t i o nb e a r i n g s w i t ht h ed r i v e w i n d i n g ，h a v e t h e a d v a n t a g e so fn oa b r a s i o n ，n o l u b r i c a t i o na n dn op a r t i c l eg e n e r a t i o nc a u s e db yb e a r i n g s f u r t h e r m o r e ，i n c o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a lm a g n e t i cb e a r i n gm o t o r s ，t h ea x i a ll e n g t h o ft h er o t o ri sd e c r e a s e d ，w h i c hr e s u l t si ni n c r e a s e df r e q u e n c yo ft h e m e c h a n i c a ln a t u r a lv i b r a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h e e f f i c i e n c y c a nb e i n c r e a s e db e c a u s et h em a g n e t i cf l u xo ft h em o t o rc a nb ep a r t l yu s e df o r l e v i t a t i o n w h e nt h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o rw o r k si nh i g ho rs u p e rh i g h s p e e d ，o b t a i no ft h er o t o rs p e e di n f o r m a t i o nb e c o m e sd i f f i c u l t t h e nt h e s p e e ds e n s o r l e s st e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e dt og e tt h es p e e di n f o r m a t i o n u n t i ln o w , al o to fw o r kh a sb e e nd o n eo nt h et e c h n o l o g y t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h em a i n t h e o r y o ft h e s p e e d s e n s o r l e s s t e c h n o l o g yi nt h ev e c t o rc o n t r o lo f t h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eb e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o ra r ed e r i v e da n dt h er o t o rf l u xo r i e n t a t i o nv e c t o rc o n t r o l s y s t e mo ft h eb e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o ri sa n a l y z e d b a s e do nt h e a b o v ep o i n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e so nt h eh i g h f r e q u e n c ys i g n a l i n je c t i o na n dm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m a tt h es a m et i m e ，t w o m e t h o d si sv a l i d a t e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni nd i f f e r e n ts p e e d s a t i l 江苏大学硕士学位论文 l a s t ，t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h ea p p l i c a t i o no ft h es p e e d ， s e n s o r l e s st e c h n o l o g yi nt h ev e c t o rc o n t r o lo ft h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o n m o t o ri sc o m i n gt r u e 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 do nd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) m o r e o v e r , t h em a i nd e s i g ns c h e m e so ft h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t e s tr e s u l t si nap r o t o t y p em o t o r v a l i d a t et h ep e r f o r m a n c e e f f i c i e n c y k e y w o r d s ：b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r ，r o t o rf l u xo r i e n t a t i o nv e c t o r c o n t r o l ，s p e e ds e n s o r l e s s ，h i g h f r e q u e n c ys i g n a li n je c t i o n ，m o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 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。 学位论文作者签名：马键蔫 肭日 陪权授本用 适 后 密解 年 在 、口叼 密 密 保 褓 于属文论位学本 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。 学位论文作者签名： 乃槎若 伽r 肌日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 无轴承异步电机发展概况 随着科学技术的进步，高速和超高速电机在机床主轴、离心泉、雎缩机、 机屯贮能、航空航天驱动等领域获得广泛的施用，然而转予高速运行叫机械轴承 带来的摩擦目l 力埔加，磨损加剧，造成电机发热不仪降低电机上作效率，缩短 i u 机和轴承使用寿命，同时也增加了对f u 机和轴承维护的负担凼此，立撑轴乐 技术一直足高述电机发展的瓶颈。 上世纪6 0 年代发腱起来的电磁轴承，即采_ l | j 可控的磁悬浮方式支承高述旋 转电机及负载的方式。它是利用电磁力他转轴稳定悬浮且轴心位置u r 咀山控制系 统控制的一种新型轴承，其机械系统结构由转，和定f 组成，盘u 阁11 所小，通 常它们都足山铁磁叠构成的，转子卺裟也轴径上，定子叠片上丌霄槽，并缠 绕若线圈以提供磁力实现转轴悬浮。 w m m 瞄i l 电磁轴承结构示露图 由十电磁轴承的工作特点及控制系统町实现f f j 环控制，所以具有传统轴承无 法比拟的许多优越性能，主要表现在如下方而： ( 1 ) 町以达到较高的转速。其转速只受材料承受离心力的强度限制，受电 磁力轴承尺寸的影响减小，凼而可大大增加0 轴的雌性刚度。 ( 2 ) 摩擦功耗较小。转了只自磁滞及涡流引起的功耗，耗能少。 酬纠一 藏二洄 。事。 一翻一一抑 园，多因 漆f蛮f 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 维护成本低，寿命长。由于电磁轴承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运 动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，所以电磁 轴承的寿命和可靠性均远高于传统类型轴承。 ( 4 ) 电磁轴承无需润滑。可省去泵、管道、过滤器、密封元件，也不存在 润滑剂对环境的污染。在真空、辐射和禁止润滑剂介质污染的应用场合，如真空 技术、超净无菌室以及腐蚀性或非常纯净的介质等，电磁轴承具有无可比拟的优 势。 ( 5 ) 电磁轴承的动态特性可控制和优化，其动态性能主要取决于所用控制 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 数方便地进行调节，具有灵活的刚度和阻尼特性凋整能力。 由于电磁轴承具有无摩擦、无损耗、不需润滑和密封、高速度、高精度、寿 命长等一系列优良品质，因而从根本上解决支承轴承的问题，在能源交通、航空 航天、机械工业及机器人等高科技领域具有非常大的潜在应用前景。但它在成功 解决高速电机系统支承问题的同时也暴露了一些固有的缺陷： ( 1 ) 体积大，妨碍了高速下的大容量化，动态响应也慢。 ( 2 ) 因体积大，两电磁轴承间需一定跨度，导致高速电机轴向尺寸长，限 制了临界速度的提高。 ( 3 ) 需要有很多激励用绕组和单相逆变器，悬浮所需功率也大，加大了相 关成本。 ( 4 ) 高速电机本体会因定、转子偏心产生不受控的单边磁拉力，为平衡单 边磁拉力又加重了电磁轴承的负担。 这些缺陷限制了电磁轴承的广泛工业应用，特别是同时要求高速和大容量的 场合。 利用电磁轴承和电机结构上的某些相似性，将产生悬浮力的原电磁轴承绕组 嵌放进旋转电机的电枢铁心中，使两种磁场合成一体，能使电机转子同时具有旋 转和自悬浮支承能力，无轴承电机正是基于这一设想而提出的，如图卜2 ，这是 上世纪8 0 年代末高速电机研究的一大突破。实际的无轴承电机是在交流电机电 枢中嵌放进两套不同极对数的绕组，使气隙中同时有两种不同极对数的旋转磁场 2 江苏大学硕士学位论t 相互作片i ，有意地破坏气隙磁场应有的均匀性，仉叫也产，+ 了所需的转魁和磁 悬浮力。与传统磁轴承支承的电机相比，甚电机具有刚时产乍旋转力矩和径柚悬 浮山的功能，冈而磁轴承支承的电机中用到的支承转予的径向磁轴承叫以省上。 轴m 磁轴乐 图卜2 无轴承电机结构示意囝 无轴承电机是一种结构新颖的交流电机，其定子中嵌放有曲套小矧微对教的 绕组转矩绕组和悬浮绕组，通过控制两套绕组电流不仅产生山电磁转矩使转子 旋转，还能产乍磁悬浮力使转子悬浮，实现了电机非接触、无润册和无机械摩擦 旋转。由j ：无轴承电机结构紧凑、功率密度高，能删时实现高转速和大功率，已 成为高速电机9 e 动领域研究的热点。 与电磁轴承相比，无轴承电机具有很多的优点： ( 1 ) 磁悬浮力r 在转子全k 范围内产生，囚而电机尺寸小、功率密度高， 造价低，但悬浮力大。 ( 2 ) 缩短了支承点间轴向长度，提高了l 临界转速，使同时获得岛转速和大 功率有了可能。 ( 3 ) 无轴承电机悬浮力的产，t 基于电机旋转磁场，不需要传统电磁轴承中 的独立励磁电源，悬浮绕组拧制系统功耗减小。 ( 4 ) 系统成本降低。一套电磁轴承系统需要4 个功率放大器，而采用无轴 承电机其悬浮控制只需要一个三相逆变器。 ( 5 ) 径向悬浮力t r 控，解决了高速i 也机本体结构易偏心的单边磁拉力问题。 江苏大学硕士学位论文 ( 6 ) 适合于高速和超高速运行。 因此，无轴承电机是交流电机实现高转速、超高速的重要方向，它构成了高 转速、长寿命、小体积应用领域中不可缺少的新型机电能量转换装置，可用于涡 轮分子泵、血液泵、空气压缩机、高速离心机、紧凑型高速发电机和飞轮储能等 领域l 引。 “无轴承电机”的思想最初是由r b o s c h 于二十世纪八十年代末首次开始使 用，意指“具有自悬浮功能的电机”。为了满足核能开发和利用，需要用超高速 离心分离方法生产浓缩铀，电磁轴承能满足高速电机支承要求，于是在欧洲开始 了研究各种电磁轴承计划。早在七十年代，p k h e r m a n n 申请了无轴承专利，专 利中提出了一种由p 极对数绕组和p 1 极对数绕组相结合的双定子绕组结构， 使其在电机中既可以产生悬浮力又能产生径向支承力3 】【4 】。然而就当时条件而言， 由于功率放大器、高性能的数字信号处理器和磁场定向控制技术不够成熟，使这 些方案不可能实现。 瑞士苏黎世联邦工学院( e t h ) 的j b i c h s e l 在功率开关器件和数字信号处理 器以及高性能传感器技术等这些科技进步的基础上，于二十世纪八十年代末首次 实现同步电机的无轴承技术【引。几乎与j b i c h s e l 同时，1 9 9 0 年日本a c h i b a 首次 实现磁阻电机的无轴承技术【6 】。1 9 9 2 年日本茨城大学的o k a d a 首次实现永磁电 机的无轴承技术阴。无轴承电机取得实际应用，关键性突破是1 9 9 8 年苏黎世联 邦工学院的n b a r l e t t a 研制出无轴承永磁同步薄片电机，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应用价值【8 】。2 0 0 0 年，苏黎世联邦工学 院的s s l i b e r 研制出无轴承单相电机，再一次在无轴承电机研究历史上前进了一 步，降低了控制系统的费用，使得无轴承电机应用不仅仅是可想的，而且是经济 的。 目前国际上研究的无轴承电机的种类有无轴承异步电机、无轴承永磁同步电 机、无轴承单相电机、无轴承同步磁阻电机和无轴承开关磁阻电机。从已发表的 论文来看，重点致力于无轴承异步电机，无轴承永磁同步电机和无轴承薄片电机 的研究。无轴承电机像机械轴承支承的电机一样简单，电气控制系统并不复杂， 在很多领域采用无轴承电机也很经济。正因为如此，无轴承电机一直受到工业界 的高度重视，瑞士、德国、日本、美国均在大力资助这项高新技术的研究，在今 4 江苏大学硕士学位论文 后相当一段时间内将是高速电机研究领域的热点之一。 国内无轴承电机的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段，未见有报道工业 实际运行的例子。自二十世纪九十年代后期，南京航空航天大学、沈阳工业大学、 浙江大学、江苏大学、西安交通大学和清华大学等开展了这方面的研究，得到了 国家自然科学基金资助，在理论和实验方面取得了一些成绩。沈阳工业大学研究 了无轴承电机在人工心脏血泵上的应用；南京航空航天大学对无轴承电机磁场定 向控制非线性解耦控制方面进行了研究【9 】【l o 】；浙江大学开展了无轴承异步电机优 化气隙磁场定向控制研究【1 2 】【1 3 1 ，进行了无轴承永磁电机运行控制研究，并已 开始探索无轴承永磁电机的无速度传感器运行【l4 1 。 1 2 无速度传感器技术研究现状 当无轴承电机运行在高速、超高速情况时，普通转速传感器如光电码盘、电 涡流传感器等已经不能满足要求，转速信息的获得成为了限制无轴承电机矢量控 制的一个重要原因。因此，无速度传感器技术成为了解决这一问题的有效手段。 对于普通的交流电机而言，目前高性能控制方法主要有两种：矢量控制和直接转 矩控制。在这两种控制方法中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常， 采用光电码盘、霍尔传感器等速度传感器来进行转速检测，并将检测到的转速作 为反馈转速信号。精度较高的电机系统对速度控制的要求越高，相应的对于传感 器的要求也就越高。但是，速度传感器在电机系统中的存在不仅阻碍了电机向高 速化、小型化的方向发展，同时其安装也给系统带来了以下一些缺陷： ( 1 ) 精度越高的码盘价格也就越贵，使得系统的成本大大增加。 ( 2 ) 码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响转速测速。 ( 3 ) 使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来一定困难，降低了系 统的机械鲁棒性。 ( 4 ) 在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条 件的影响。 由于以上种种缺陷，使得人们转而研究无速度传感器的电机转速辨识方法， 以此来取代电机系统中的速度传感器。1 9 7 5 年a a b b o n d a n t i 等人推导出基于稳 态方程的转差频率估计方法，在无速度传感器控制领域做出了首次尝试，调速比 5 江苏大学硕士学位论文 可达l o ：l ，但其出发点是稳态方程，故调速范围比较小，动态性能和调速精度 难以保i , i e ”】。而首次将无速度传感器技术应用于矢量控制则是在1 9 8 3 年由 r j o e t t e n 完成的，这使得交流传动系统进入了一个新的发展阶段1 1 6 1 。 许多学者开展了无机械式传感器交流调速系统的研究，其解决转速信号问题 的出发点是采用检测电动机出线端电量，经信号处理获得电动机转子速度，取代 机械式传感器，实现电动机控制。无速度传感器技术研究的主要思路可以总结为 以下三种：基于电机数学模型计算转速( 开环) 、基于闭环控制作用构造转速信 号( 闭环) 、利用电机结构上的特征来产生转速信号( 依靠电机设计) 。在这三种 主要思路的引导下，近几十年中国内外学者在无速度传感器方面做了大量的工 作。到目前为止，也提出了许多种方法，大致上可以分为三类：基于基波模型的 方法、高频信号注入法及人工智能理论基础上的估算方法。具体策略有动态转速 估计器法、基于p i 自适应控制器法、模型参考自适应方法( m r a s ) ，自适应转 速观测器法、转子齿谐波法、基于人工神经元网络法、凸极跟踪法【l 7 1 。 1 、动态转速估计器法 动态转速估计器法的出发点是基于动态关系的电机派克方程，从电机电磁关 系式及转速的定义中得到关于转差或者转速关系的表达式。一般情况下，转子角 速度可以通过同步角速度与转差角速度相减得到，也可以由电机方程式直接推导 得出。因此，动态转速估计器法最大的优点就是直观性强，容易实现，且从理论 上将速度的计算没有延时。但是缺点也较突出：转速计算需要知道磁通信息，因 而磁通观测与控制的好坏直接影响转速辨识的精度；计算过程中用到大量电机参 数，当电机参数变化时，计算精度受到严重影响；缺少误差校正环节，难以保证 系统抗干扰性能，可能出现不稳定的情况。 2 、基于p l 自适应控制器法 基于p i 自适应控制器法的基本思想是利用电机中的某些量( 力矩电流、力 矩、磁链等) 的误差项，使其通过p i 自适应控制器而得到转速信息。这种方法 适用于转子磁场定向的矢量控制系统，具体原理可由转子磁场定向下电机派克方 程推得。基于p i 自适应控制器法的最大优点是算法简单，有一定的自适应能力， 但同时由于涉及转子磁链的估计和控制问题，辨识精度很大程度上受磁链控制性 能的影响，而且线性p i 调节器的调节能力也限制了辨识范围的扩大。 6 江苏大学硕士学位论文 3 、自适应转速观测器 自适应转速观测器是一种闭环观测器，根据其所用观测器种类不同，可以分 为全阶状态观测器、( 扩展) k a l m a n 滤波观测器、( 扩展) l u e n b e r g e r 观测器以 及其它自适应观测器( 如滑模观测器) 。以上提到的观测器都在不同程度上改善 了系统抗参数变化和噪声干扰的鲁棒性，但同时也增加了系统的复杂性，实现比 较困难。 4 、转子齿谐波法 转子齿谐波法的基本思想是利用基于齿谐波信号中与转速相关的频率成分 来提取转速。定子表面和铁心上的齿槽会在气隙磁场中产生齿谐波，在这一谐波 的作用下，定子电压、电流信号会产生相应的谐波，而这种谐波的频率与转速是 相关的。一般低速情况来说，与定子电压中的谐波信号相比，定子电流中的谐波 信号较强些，因此目前大多数采用定子电流的谐波检测。这种方法克服速度估计 中对电机参数的依赖性，改善了低速性能，拓宽了调速范围；但最大的缺点是依 赖于电机的结构，需事先知道转子槽数，而一般情况下，在实际应用中槽数是不 知道的。 5 、基于人工神经元网络法 利用人工神经元网络进行转速辨识时，一般都是先规定网络结构，再通过学 习系统的输入和输出，使满足性能指标要求，进而归纳出隐含在系统输入输出 中的关系。一般说来，基于人工神经元网络法在理论研究上还不太成熟，其硬件 实现也有一定难度，通常需要专门的硬件来支持。因此这种方法的应用仍处于起 步阶段，缺乏实用性。 6 、模型参考自适应法 模型参考自适应法( m r a s ) 辨识转速的主要思想是将不含未知参数的方程 作为参考模型，而将含有待估计参数的方程作为可调模型，两个模型具有相同物 理意义的输出量，利用两个模型输出量的误差构成合适的自适应律来实时调节可 调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。总的来说，模型参 考自适应法是基于稳定性设计的参数辨识方法，它保证了参数估计的渐进收敛 性。但是由于m r a s 的速度观测是以参考模型准确为基础的，因此参考模型本 7 江苏大学硕士学位论文 身的参数准确度就直接影响到速度辨识和控制系统工作的成效。 7 、凸极跟踪法 凸极跟踪法是通过在电机接线端上注入一个三相平衡的高频电压信号，利用 人为造成的( 如对电机进行改造) 或内部寄生的不对称性，使电机产生一个可检 测的磁凸极，通过对该磁凸极位置的检测来获取转速信息的方法。这种方法不依 赖任何电机参数和运行工况；但与电机结构有关，即电机要能够产生凸极效应。 1 3 课题研究意义和本文研究内容 无轴承电机作为高速、超高速电机发展的重要方向之一，受到国内外众多专 家学者的广泛关注。无轴承异步电机因其结构简单、坚固可靠，气隙均匀，成本 低等优点，而且齿槽脉动转矩低、具有宽弱磁范围，是最具前途的无轴承电机之 一。但是在目前国际上无轴承异步电机转速还不超过3 0 0 0 0 转分，其主要原因 因为以下几个方面【1 8 】【1 9 】【2 0 1 ： ( 1 ) 如何获得准确的转矩控制绕组气隙磁链相位信息； ( 2 ) 转矩控制绕组高性能矢量控制算法的选择； ( 3 ) 实现转矩控制绕组高性能、高精度矢量控制时转速信息的获得。 针对上述限制无轴承异步电机转速进一步提高的三个方面问题，本文重点在 于第三个方面及转速信息获得的研究。 一般情况下，采用普通光电码盘、霍尔传感器、电涡流传感器等速度传感器 来进行转速检测，然后将检测到的转速信息作为反馈信号传递给矢量控制系统。 在无轴承异步电机控制系统中，考虑到磁链相位控制精度的要求以及控制延时的 影响，要求转子每转一周转速传感器至少输出4 0 个脉冲。如果要求电机转速高 达6 0 0 0 0 转分时，则转速传感器的响应频率则应该在4 0 k h z 以上。通用的非 接触型传感器如电涡流传感器都难以满足频响要求；接触型传感器如光电码盘虽 然能够满足频响要求，但由于和电机转子相连接，在机械上并不适合于电机高速 运行的状态。因此，无速度传感器技术的研究也就成为了解决转速信息获得的一 个重要途径，同时也是无轴承异步电机高性能矢量控制的难点所在。 此外，在无轴承异步电机高性能矢量控制系统中采用无速度传感器技术之 后，可以省去转速检测硬件，避免由速度传感器带来的种种麻烦，在提高系统可 8 江苏大学硕士学位论文 靠性的同时，降低了系统的成本：另一方面，系统的体积减小，重量减轻，同时 减少了电机和控制器之间的连线，使得采用无速度传感器技术的无轴承异步电机 的应用范围更加广泛。因此，无速度传感器技术的研究在无轴承电机、高速电机、 微型电机控制系统以及一些特殊环境下的应用更具有重要的意义和研究价值。 在上面分析的众多无速度传感器方法分析中可知，基波方法虽然简单，但在 零速或低速时会因反电势过小或根本无法检测致使低速适应性差。另外，由于要 利用基波电压和电流信号来计算转子速度，对电机参数的变化很敏感，检测鲁棒 性差。无轴承电机从静止到起浮、从低速到高速转子的稳定悬浮是电机得以运转 的根本保证，这都极大程度地受到速度在全速度范围检测精度的影响，所以基于 基波信息的检测方法难以满足无轴承电机的控制需要。 模型参考自适应法是基于稳定性设计的参数辨识方法，能保证参数估计的渐 进收敛，具有良好的动态性能。但这种算法对电机参数的变化比较敏感。低速时 会由于电流检测和参数估计精度的限制以及逆变器非线性的影响，导致转子速度 和位置无法精确估计，因此较为适合中高速运行范围。为了在包括零速在内任何 速度下都能够获得精确的转速信息，必须使用高频注入法。这种方法要求电机具 有一定程度的凸极性，需要施加持续高频激励，但可以实现全速范围内转速的有 效检测。此外这种方法追踪的是电机转子的空间凸极效应，因而对电机参数变化 不敏感，鲁棒性好。因此本文的研究将集中在无轴承异步电机的无速度传感器技 术方面。 本文对无轴承异步电机控制系统的主要研究工作分为以下五个部分： 第1 章：首先介绍了无轴承电机的研究背景和发展概况；然后介绍了无速度 传感器技术的研究现状，其中对无速度传感器技术进行了分类，并简要介绍了各 种方法的基本原理与优缺点；最后对本课题的研究意义及研究内容进行了简要的 介绍。 第2 章：首先介绍了无轴承异步电机的基本原理，并说明了可控径向悬浮力 的产生机理；接着推导了无轴承异步电机的数学模型，其中包括旋转运动基本方 程式和径向悬浮力基本方程式；然后对数学模型进行分析，最后分析了无轴承异 步电机的转子磁场定向控制。 第3 章：首先对基于旋转高频电压信号注入法的转速自检测技术进行了深入 9 江苏大学硕士学位论文 的理论分析，并通过m a t l a b s i m u l i n k 进行了详细的仿真研究，获得良好的 仿真效果。高频注入法只适用于具有一定程度凸极率的电机，其在基波激励上叠 加一个三相平衡的高频电压( 电流) 激励，然后检测电机中对应的高频电流( 电 压) 响应并通过特定的信号处理过程来获取转子位置与速度信息。 第4 章：首先根据无轴承异步电机静止坐标系下定转子电压方程和磁链方 程，推导出模型参考自适应法的基本方程式，通过m a t l a b s i m u l i n k 对模型 参考自适应法进行多个转速下的仿真，验证了该算法的理论正确性，并给出了仿 真结果。 第5 章：首先根据无轴承异步电机稳定悬浮的要求，指出了采用高性能d s p 的必要性；然后简要介绍了t i 公司出品的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的结构性能以及 复杂可编程逻辑芯片；在此基础上硬件方面介绍了电源设计电路、检测电路以及 保护电路；软件方面利用i q m a t h 实现了浮点c 语言程序到定点c 语言程序的 转化；并简要介绍了标幺值系统选取；最后分析并设计出了实现无速度传感器矢 量控制系统中各部分流程框图。 第6 章：对所做工作的总结以及今后研究的展望。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第2 章无轴承异步电机基本理论 无轴承异步电机是集磁轴承和电机功能于一体的，为实现对电机转轴的径向 悬浮控制，在普通异步电机结构的基础上，将悬浮控制绕组叠绕在定子槽内。无 轴承电机运行中须对转子磁悬浮力进行实时控制，因此悬浮力的精确计算是无轴 承电机设计及其控制的基础。同时无轴承异步电机旋转力矩和径向力之间存在着 基于电机气隙磁场的耦合，如何实现解耦控制，从而使电机调速控制运行时，实 现转子的稳定悬浮是无轴承异步电机控制的目标所在。因此，建立有效的无轴承 异步电机数学模型是实现其解耦控制的基本前提，也是研究无轴承异步电机无速 度传感器技术的理论基础。 2 1 无轴承异步电机基本原理 在普通旋转电机中存在着两种不同类型的磁力：洛仑兹力和麦克斯韦力。 洛仑兹力是电机气隙旋转磁场与转子载流导体中电流相互作用而成，无轴承异步 电机的电磁转矩就是基于洛仑兹力产生的。对无轴承异步电机而言，洛仑磁力在 悬浮控制中所起的作用相对较少，可以不予考虑。 麦克斯韦力是磁路中不同磁导率( 如空气和铁心) 磁性物质边界上形成的磁 张力。麦克斯韦力作用方向垂直于电机转子表面，如果电机中的磁密是对称分布 的，其麦克斯韦力为零。 无轴承电机与普通电机的不同之处是无需机械轴承支承，靠自身产生径向悬 浮力，实现转子悬浮。无轴承异步电机的定子中放入了两套不同极对数的绕组， 一套为转矩控制绕组( 极对数p ，电角频率q ) ，另一套为悬浮控制绕组( 极对 数仍，电角频率伤) 。只有当转矩控制绕组极对数与悬浮控制绕组极对数满足 p l = p 2 1 ，且电角频率q = 哆时，才能产生可控悬浮力。转矩控制绕组产生的 磁场是对称分布的，当引入悬浮控制绕组时，打破了电机原旋转磁场的平衡，使 得合成的气隙磁场在某一区域增强，而其对称区域磁场减弱，如图2 1 为转子在 x 轴方向受到的麦克斯韦合力e 向右，转轴将向右移动，图2 2 为转子在y 轴方 向受到的麦克斯韦合力f ，向上，转轴将向上移动，两个磁场相互作用产生了可 江苏走学硕士学位论王 控的麦克斯韦力。无轴承异步电动机的转矩同普通异步电动机样，是基于洛仑 磁力产生的，如图2 - 3 所示o ”。 图2 - l 麦克斯韦合力f 图22 麦克斯韦台力f 图2 - 3 洛仑磁力 22 无轴承异步电机的数学模型 为了简化分析，别无轴承片步e g = jl 先做如f 假设： ( 1 ) 二相定子绕组在空间对称分布，符相电流所产生的磁动势在。l 隙空问 是正弦分札忽略其高次凿波分量； ( 2 ) 忽略短距元件组以及分布绕组对气隙磁势的影响，即令绕组闪数为1 ： ( 3 ) 各栩绕组的自感和7j 感都足恒定的，即忽略磁饱和的影响； ( 4 ) 忽略铁心磁阻和涡流损耗，整个磁路系统只考虑t 作气隙的磁阻： ( 5 ) 小考虑频率和温度变化对i b 机参数的影响。 2 21 径向悬浮力方程 设电机巾的气隙磁密为b ，则作用在转子表面单位面积卜的麦克斯韦力为 d f m ：_ b 2 d a ( 2 1 ) z 胁 式中 真宅磁导率 其沿x ，y 方向上的分量为 a f a q , ) = 去铲( 咖o s 倒p ( 2 - 2 ) 霪震孕 江苏大学硕士学位论文 即 暇( 加去召2 妙1 n 咖 ( 2 - 3 ) 由于电机中的气隙磁密是由转矩绕组和悬浮绕组共同产生的合成气隙磁密， b ( 缈) = 蜀c o s ( p l 缈- p ) + 岛c o s ( p 2 妒一名) ( 2 4 ) 将( 2 4 ) 代入( 2 2 ) 、( 2 3 ) 并分别积分运算，则当p 2 = n + l 时，可得可 控的麦克思韦力分量为： e = 死c o s ( 允一t ) e = s i n ( 2 一) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中麦克思韦力幅值 ：粤堕 ( 2 - 7 ) z p o 由于每极气隙磁通幅值为 办= 等，唬= 警 协幻 np 2 每相气隙磁链 l = 办，= 欢 ( 2 - 9 ) 又由于悬浮绕组的作用主要是起励磁作用，则 厶2 2 ( 2 1 0 ) 将式( 2 8 2 1 0 ) 代入式( 2 7 ) 可得 = 觜( 2 - 1 1 ) 根据矢量乘法运算公式( 即矽l i s 2 、矽l i ：s 2 ) ，将式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 用同步 旋转坐标系d 、q 下的分量形式表示为( 同步转速为盟，电机三相二相变换 h 采用功率不变变换) ： 只= k m ( 0 2 d l d + 2 9 l q ) ( 2 - 1 2 ) 1 3 江苏大学硕士学位论文 c = ( 2 9 j i 。2 a 弘6 9 ) ( 2 _ 1 3 ) 其中，后m = 瓦万瓦p l i p 2 两l m 瓦2 ，t d 、g 为转矩绕组气隙磁链分量，：d 、l s 2 q 为 悬浮绕组电流分量，r 为定子内径，l 为电机铁心长度，l ：为悬浮绕组互感，彤、 职为两套绕组匝数。 根据电机电磁场理论，当转子和定子偏心时，电机内还存在和偏心位移成正 比的麦克思韦力，它是一种固有的力，其表达式为 瓦= 颤x ( 2 1 4 ) 只= 缸y ( 2 1 5 ) 其中颤为径向位移刚度，t = 尼等，6 为气隙长度，k 为衰减因子( 与 电机的构形有关) ，一般取k 0 3 。 另外无轴承异步电机还存在由洛仑兹力衍生的径向悬浮力，由于在数值上比 麦克思韦力小得多，可以忽略。 设巴、l 为x 、y 方向的外加径向负荷，则无轴承异步电机单个转子悬浮 系统的运动方程为： m 2 + e 只= 疋 ( 2 1 6 ) m y + e 一矗= 巴 ( 2 1 7 ) 注意上述两式中的作用力性质：c 、e 为控制悬浮力分量，b 、b 为固 有的麦克思韦力分量，足、l 为外加干扰力分量。图2 - 4 为转子悬浮系统运动 方程示意副2 2 1 。 图2 4 转子悬浮系统运动方程示意图 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 电机旋转运动基本方程式 在同步旋转d q 坐标系下，电流和磁链用d 、q 轴上的各分量表示，符号下标 中的“1 ”表示电机转矩绕组的各分量，“2 ”表示径向悬浮力绕组的各分量。采用 c r p w m ( 电流控制p w m ) 逆变器供电的电机采用气隙磁链和定、转子电流表 示的基本方程式有： 磁链方程： g i d = 乙l ( d + l d ) ( 2 - 1 8 ) 。= 厶。( c 。+ l 。) ( 2 1 9 ) 电压方程： u r l c ，= r r l i ，+ p d + l ，p 如d 一( g + l r l q ) ( q q ) = 0 ( 2 - 2 0 ) u 1 q = r l i r l q + 蹦g + l ，p g + ( d + t l ，l d ) ( q q ) = 0 ( 2 2 1 ) 转矩方程： 瓦= p l ( g , 。+ g j q l d )( 一- 2 2 ) p l ( 9 6 , s i , t 22 2 p 。+l d j l 。 式( 2 18 - - - 2 2 2 ) 中下标 “s ”、r ，分别对应定子量和转子量 “l ”、“2 ”分别为转矩绕组和悬浮绕组 厶。转矩绕组互感 ，转矩绕组转子漏感 以定子角频率 绒转子角频率 r 是微分算子 2 3 无轴承异步电机转子磁场定向矢量控制 根据无轴承异步电机悬浮机理可知，电磁转矩和悬浮力控制之间关于转矩绕 组气隙磁场耦合，采用气隙磁场定向控制可实现两者之间的解耦。但气隙磁场定 向控制算法复杂，转矩绕组的励磁电流分量t 。d 和力矩电流分量。之间存在相互 江苏大学硕士学位论文 耦合，没有实现真正意义上的解耦控制，且该控制算法受电机参数( 电机时间常，。 数、转子漏感等) 的影响较大。为了简化控制算法，可以采用转子磁场定向控制 算法来对电机进行控制2 3 1 。 转矩绕组的转子磁链可表示为 m d 2 匕，稿d + - w ( 2 - 2 3 ) 【 l q = 厶l l g + 1 确g 采用转子磁场定向控制时，旋转坐标系实轴d 定义在转矩控制绕组转子磁场 轴线上，有以下关系式 = 警 【，。l 三 ，。i i ，。 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 由于转子电压方程为 u l d = 耳l l d + p g t 删一( g + l ，l g ) ( q q ) = 0 ( 2 - 2 6 ) q l g = b i l g + ，l g + ( l d + t l ，l d ) ( q q ) = o ( 2 - 2 7 ) 将公式( 2 2 5 ) 代入( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 可得，转矩绕组电流的励磁分量岛d 和转差率国。为 ，d ：雩坐 ( 2 8 ) 上钿l 驴蒜g ( 2 - 2 9 ) 根据公式( 2 2 4 ) ，电磁转矩公式可表示为 r e = p l f - m l c l g y r l ( 2 - 3 0 ) 厶。为转矩绕组互感；。= 乙。+ l 。，为转子自感 则 i s i q 熹( 2 - 3 1 ) 公式( 2 2 8 ) 、 ( 2 2 9 ) 、 ( 2 3 1 ) 构成了转矩绕组转子磁场定向控制的算 法，构成的转子磁场定向控制的算法如图2 5 所示。采用转矩绕组转子磁场定向 控制，实现了其电流的励磁分量。d 和转矩分量。之间的解耦控制：转子磁链缈，。 1 6 江苏大学硕士学位论文 的调节不受。变化影响，只依靠励磁分量。d 来完成；如果保持转子磁链，。( d ) 恒定不变，调节l 。就能线性调节电磁转矩。式( 2 3 0 ) 、( 2 3 1 ) 还表明如果控 制转子磁链恒定，不仅可使机械特性线性化，改善了驱动系统的控制特性，而且 输出电磁转矩无最大转矩限制，提高了系统的过载能力。 图2 - 5 转矩控制绕组转子磁场定向数学模型 由于径向悬浮力是转矩控制绕组和悬浮控制绕组气隙磁场共同作用的结果， 所以要想得到优良的悬浮控制性能，必须利用转子磁链和定子电流来辨识出悬浮 控制所需的转矩控制绕组气隙磁链分量 舻( 1 + 等渺n ( 2 - 3 2 ) g = 笋t 1 ，l g ( 2 3 3 ) 1 l 由于无轴承异步电机的悬浮力表达式为 e = k 肘( 2 d d + i $ 2 q ￥j l 口) ( 2 3 4 ) c = ( 2 9 d 一2 d l g ) ( 2 3 5 ) 结合公式( 2 3 4 ) 、( 2 3 5 ) 即可得到径向悬浮力部分数学模型。 根据转矩绕组转子磁场定向控制基本方程式( 2 2 8 ) 、( 2 2 9 ) 、( 2 3 1 ) ， 转矩绕组气隙磁链分量公式( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) ，以及矢量控制中坐标变换矩阵， 图2 6 为无轴承异步电动机转子磁场定向控制系统结构框图。 1 7 江苏大学硕士学位论文 光电码盘 位置检测 蒿：丽f 州 l ， _ 2 山 t ， 1j 2 d 一 x f 咄一 力电 一一 1i 2 冬 一 流转换c 蛔i 。b c 2 ，3 c r p - m ，2 口 一 y ，2 口一 7 ，2 幺 jj 2 9 2 c 一 父口h y ：- ijl 一 径向力 鼠笼式 荠掣沈。 沙二 t 矿 绕组 i盟 气隙磁链观测 l 十t 1。 l l l q 一 电枢i 培i 转了定向 i c 岫| i c 2 ，3 _ 三譬 c 删 q n。冈 彳 一l 解耦控制 r 转予 ，j 7 丫 一l 7 i j “， ， j , l c 口+ b j | ，i 。式 绕组 ，ii jiil够 9 7 图2 - 6 无轴承异步电机转子磁场定向控制系统结构框图 在实际控制系统设计中，电机电枢绕组和控制绕组均采用电流调节型逆变器 ( c r p w m ) 供电，电机转速测量采用旋转光码盘，转子径向位移测量采用电涡 流传感器，位移、磁链、旋转力矩调节均采用p i d 调节器。 2 4 本章小结 本章首先介绍了无轴承异步电机的基本原理，并说明了可控径向悬浮力的产 生机理；接着推导了无轴承异步电机的数学模型，其中包括旋转运动基本方程式 和径向悬浮力基本方程式；然后对数学模型进行分析，指出了无轴承异步电机的 电磁转矩和径向悬浮力是通过转矩控制绕组的气隙磁链耦合在一起的；最后分析 了无轴承异步电机的转子磁场定向控制。 1 8 江苏大学硕士学位论文 第3 章基于高频注入的无轴承异步电机转速自检测技术 绪论中提到的几种无速度传感器控制技术，有一个共同的缺陷，就是无法实 现或者满足低速，特别是零速时的控制要求。高频信号注入法能够实现电动机全 速范围( 包括低速甚至零速) 的转子速度和位置检测。由于这种方法追踪的是电 动机转子的空间凸极效应，因此对电动机参数的变化不敏感，鲁棒性好。 高频信号注入法的基本原理是在电机中注入特定的高频电压( 电流) 信号， 然后检测电机中对应的电流( 电压) 信号以确定转子的凸极位置。高频信号注入 法具有三个基本特征：利用电机的凸极效应、注入高频激励信号和需要高带宽的 噪声过滤器【2 4 】【2 5 】。每个特征都可以利用多种方法来实现，因此高频注入法的实 现也有多种方式。 首先，高频信号注入法要求适用的电机必须有凸极效应。由电机端部可见的 凸极效应最终表现为电磁或损耗的空间变化，这些变化与电感或电阻的空间变化 有关。由于电阻量对温度变化很敏感，而电感量一般与温度变化无关，因此电感 量成为分析电机凸极效应的优先选择。每一类型电机都会有某种凸极。在一些电 机的运行中，凸极是必不可少的，如凸极同步电机、内埋式和内插式永磁同步电 机、开关磁阻电机。除此之外，在一些电机中还存在寄生凸极，如转子和定子开 槽引起的凸极、转子和定子叠片动态偏心引起的凸极和电机铁心饱和引起的凸 极。对那些凸极效应不明显的电机，如转子斜槽的感应电机和面贴式永磁同步电