（电力电子与电力传动专业论文）无轴承电机结构和数字控制研究.pdf

江苏人学硕十学位论文 a bs t r a c t t h eb e a r i n g l e s sm o t o r , w h i c hc o m b i n e sf u n c t i o no fm o t o ra n dm a g n e t i cb e a r i n g ， i san o v e ls p e c i a lt y p em o t o r t h eb e a r i n g l e s sm o t o r sh a v ec o m p a c ts t r u c t u r e ，h i g h e r r e l i a b i l i t ya n ds h o r t e rs h a f tl e n g t h f o rt h i sr e a s o n ，t h e yh a v eg o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nh i g h s p e e dd r i v e s i nr e c e n ty e a r s ，f o rt h eu n i q u es u s p e n s i o np r i n c i p l e a n ds t r u c t u r e ，b e a r i n g l e s sm o t o r sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rb i o l o g i ce n g i n e e r i n g ， a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，h i 曲t e c h n o l o g ye n e r g yr e s o u r c e s ，s e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s ，f o o dp r o c e s s i n g i n d u s t r i e s ，m e d i c i n e a n ds a n i t a t i o n i n d u s t r i e s ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，t h eb e a r i n g l e s sm o t o r sw i l lb eu s e dw i d e l yi nt h e f u t u r ea n dt h er e s e a r c ho nb e a r i n g l e s sm o t o r sh a sr e a l i s t i ca n df a r - r e a c h i n g s i g n i f i c a t i o n i nt l l ep a p e r , t h er e s e a r c he m p h a s i z e so nt h es t r u c t u r e ，h a r d w a r eo fd i g i t a lc o n t r o l s y s t e ma n dd i g i t a lc o n t r o la l g o r i t h mf o rab e a r i n g l e s s m o t o r f i r s t l y , c o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f a 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 d t h ef l u xp a t hi sc a l c u l a t e db yu s i n ga l le q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t t h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p , i n c l u d i n ga da n dd a c o n v e r t e r s ，i sd e s i g n e d s e c o n d l y , s o m es t r u c t u r e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rb e a r i n g l e s sm o t o r s a r e d i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e s i n b e a r i n g l e s sm o t o r s i s i n t r o d u c e d t h em a t h e m a t i c sm o d e l so fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sa n dt h er o t a t i o np a r t o ft h em o t o ra r ed e d u c e d ac o n t r o ls y s t e mb a s e do nm a t h e m a t i c sm o d e l si sd e s i g n e d f i n a l l y , i no r d e rt oa c h i e v et h er e a l t i m eo fc o n t r o ls y s t e mf o rb e a r i n g l e s sm o t o r , ad s p b o a r di sd e s i g n e d 。u s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h e c o n t r o l l e r sc p u b y a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g y o fb e a r i n g l e s sm o t o r , b a s e do nt h e d s p b o a r d ，i n c l u d i n gi n t e r f a c em o d u l ea n dp o w e rm o d u l e ，t h eh a r d w a r eo fd i g i t a l c o n t r o ls y s t e mf o rb e a r i n g l e s sm o t o r si sd e s i g n e da n dae x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o r c o n t r o ls y s t e mi ss e tu p t h ep a r a m e t e r so ft h ep r o t o t y p em o t o ra r eg i v e na n dt h e c o n t r o is y s t e mh a sb e e nt e s t e d t e s tr e s u l t sa l ei na c c o r d a n c ew i t ht h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n dt h e o r yr e s u l t s k e y w o r d s ：b e a r i n g l e s sm o t o r ；m a g n e t i cb e a r i n g ；c o n f i g u r a t i o n ；d s p ；h a r d w a r e ； d i g i t a lc o n t r o l 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。 保密氏五 在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：翟红云 导师签名： 和振 签字日期：2 0 d 辞6 月8 日签字日期：沙6 年6 月6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 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：霞钮三 日期：z 0 0 6 年6月8 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无轴承电机的起源及研究现状 1 9 世纪8 0 年代后期，德国m i c h a e lv o nd o l i w o d o b r o w o l s k i 发明了三相鼠笼 异步电动机。异步电动机不需电刷和换向器，但电机两端需要轴承来支承。采用 传统的机械轴承支承时，由于转子高速运行时带来的摩擦阻力增加，使轴承磨损 加剧，造成电机气隙不均，绕组发热，不仅降低了电机工作效率，缩短电机和轴 承使用寿命，也增加了对电机轴承的维护费用。为了克服电机机械轴承性能的不 足，高速电机一般采用气浮、液浮轴承。但是气浮和液浮轴承均需要匹配专门的 气压、液压系统，这不仅使电机结构复杂、体积庞大、耗能多、效率低，同时气 压、液压系统的故障会使气浮、液浮轴承失效，从而导致电机无法正常运行，这 同样降低了电机和系统的可靠性。为此，人们也探索了很多解决方法。二次世界 大战后，直流磁轴承技术的发展，使得电机和传动系统完全无接触运行成为可能， 但是这种传动系统造价很高。 在2 0 世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要用超高速离心分离的方 法生产浓缩铀。离心分离方法是否成功，取决于离心分离机工作转速的高速程度， 采用磁悬浮轴承能满足这个要求，于是在欧洲开始了各种主动磁轴承研究计划。 磁悬浮轴承技术即是利用磁场力将转子悬浮起来，实现了转动过程中转子和定子 之间的无接触支承，从而消除了机械接触，从根本上改变了传统的支承形式。1 9 7 5 年德国的p k h e r m a n n 申请了无轴承电机专利，专利中提出电机绕组极对数p m 和轴承绕组极对数p b 的关系为p b - - p m 1 。按h e r m a n n 提出的方案，在当时是 不可能制造出必要的控制设备。直到2 0 世纪8 0 年代后期，瑞士苏黎世联邦工业 大学( e t h z ) 的b i c h s e l 才首次制造出了无轴承永磁同步电机样机i l j 。 在2 0 世纪8 0 年代，磁性材料磁性能的进一步提高，为永磁同步电机奠定了 有力的竞争地位，同时，双极晶体管的应用，结合德国b o e h r i n g e r 提出的无损开 关电路，能够制造出满足无轴承电机要求的新一代高性能功率放大器，为无轴承 电机的研究奠定了硬件基础。另外，永磁同步电机有一个很大的优点：永磁磁场 的位置能够用旋转编码器测量，还有一个重要的技术进步是用高速集成芯片实现 江苏大学硕+ 学位论文 完全数字控制。大约在19 8 5 年，具有快速响应和负载能力强的功率开关器件和 数字信号处理器的出现，使得已经提出2 0 多年的交流电机矢量控制技术得到了 实际应用。无轴承电机要实现复杂的控制系统，具有足够速度的高速信号处理器 是必不可少的。j b i c h s e l 成功研究的无轴承永磁同步电机的原样机就是建立在 这些相关学科技术进步的基础上【l 】。 自从2 0 世纪9 0 年代中期，无轴承电机得到迅速的发展，在一些特殊领域已 开始使用。关键性突破是1 9 9 8 年n b a r l e t m 研制了无轴承永磁同步薄片电圳2 1 ， 其转子的3 个自由度由被动磁轴承来支承，大大降低了控制系统费用，并且已经 发现在很多领域具有很好的应用价值。 2 0 0 0 年，s s l i b e r 研制了无轴承永磁同步单相电机【3 】，再一次在无轴承电机 研究历史上前进了一步，减少了无轴承电机控制系统的费用，使得无轴承电机在 实际应用中不仅仅是可行的，而且是经济的。无轴承永磁同步电机像机械轴承支 承的电机一样简单，电气控制系统也不复杂，在很多领域采用无轴承永磁同步电 机是非常经济的，例如在电气保养和维修方面。 除瑞士苏黎世联邦工学院( e t h ) 大力开展无轴承永磁同步电机的研究工作 外，日本的m o o s h i m a 等对表面凸装式无轴承永磁同步电机进行了研究【4 】，最 新研究成果完成了对功率为4 k w 、转速为1 10 0 0 r m i n 的表面凸装式无轴承永磁 同步电机实验样机的研制，该样机为4 自由度，仅能连接轴向共性负载，并没有 真正意义上的应用价值。此外，美国的d k i m 等、奥地利的w a m r h e i n 等也对 无轴承永磁电机进行了基础研究【5 6 】。 我国开展磁悬浮轴承和磁悬浮列车研究多年，掌握和积累了一些磁悬浮技术 的基本理论和实践经验。目前，数字信号处理技术、电力电子技术和交流电机调 速技术比较成熟，为研究无轴承电机奠定了基础。2 0 世纪9 0 年代后期以来，南 京航空航天大学、沈阳工业大学、西安交通大学、浙江大学及江苏大学等单位先 后开展了无轴承交流异步电机、无轴承开关磁阻电机、无轴承永磁同步电机和人 - r - , 心脏泵用无轴承电机等方面的研究工作，并且在理论和实验方面取得了一些成 绩。江苏大学和瑞士苏黎世联邦工学院共同开展了对功率为4 k w 无轴承永磁同 步电机的研究和应用工作【7 9 】，解决了传感器检测、降低功率损耗等关键技术问 题，4 k w 无轴承电机泵( 见图1 1 ) 不久就会在化工、半导体工业等领域得到应 2 川。爿外，我同稀上含世f 高，研究和越 尤轴承水磁步电机j , l 确得天独曙f 一条什。 2 无轴承电机的结构和应用 传统的磁轴承电机结构如图l2 所示羽 磷轴承实现转于的悬浮控制，乜机”7 e 转矩 蚓1 】功率4 k w 无轴承电机泵 实耻转子的旋转，转子完全的恳浮需要对两 个径向融轴承和个轴向磷轴承控制米实现。山于磁轴承电机具有突出的特点， 国内外已对萁作过全面而深入的研究，并已在多个领域获得了成功应用。 u 是在 应j h 一1 个磁悬浮轴承轱子在径向需要两个磁轴承来史承同时还需要个轴同 碰轴承控制轴向位移，因此磁轴承。有较大的轴向长度，从而降低r 转子的临界 转运，返就导致电机功率的提高t 要依赖径向尺- 的增加，而转轴径向尺寸受机 械强度的限制，同时径向j t 寸增) j i i 势必使磁轴承体积增人。咒外，磁轴承需要尚 胜能的功率放大器和造价小菲的传感器，导数磁轴承结构复杂和成奉较高，这 系列的缺点和不足大大影响r 融轴承电机的使用范罔。 磁轴承占有独立的轴向空| 1 1 j 使得碰轴承电机的轴! 柚利用率较低，而磁轴承 结构和交流电机定f 结构具有。定的相似性，如果把磁轴承t 啪悬浮绕组叠绕枉 也机定子绕组r ，使曲种磁场合成一体，且能同时独立控制电机转均悬浮和旋 转足最为理想的，无轴承电机一是基丁这一设想而提出的无轴承电机结构如图 l3 不，电机中【珂套绕组的磁场相 h 作刚产生丁作用在电机转子j ： 的往向山，通过控制电机中的径 同力- 实现转子的悬浮。1 j 传统 础轴承电机相比， 麦电机具有同 时产牛旋转力和径向悬浮力的功 能，闻而碰轴承电机中用到的支 承转子的径向磁轴承町以省去。 为了实现电机转子n ：五个臼i b 度 j 的控制，般需要眄个电机和 剀l2 姓车_ l _ 承电机 簿 黪 个耗；_ 目磁轴承构成。图14 为甘 f “流i 呐无轴 纛 艘唾， 江：人 颐十一 竹论文 承电机转子t j 定，部件圈。 无轴承电机就足利用电机的铁心州时 作为磁悬浮轴承的铁心，从磁路上将电机和 磁轴承合为一体，但是h 要确保电机定于绕 组产生的极对数p ”与径向悬浮j 绕组产生 的极对数p b 的关系满足p m - p b 1 ，电机 本身就能产生大小和方向可以控制的径向 悬浮力和旋转力。 吲i4 无轴承【u 机转r 与定f 结构图 无轴承电机比磁轴承支承的电机结构紧凑，为研究小l “特种新型电机提供了 很好的殴计空阳j 。此外，无轴承电机在一些高新技术领域具有的技术和经济优势， 如需要免维修、寿命运行、无菌、无污染以及有毒有害液体和气体的传输等场 合，是传统电机无法实现和曾代的。 日前，无轴承电机己在半导体工业、化学化工、牛物上程等领域得到了很好 的应用。其中就研究水平而占，瑞士苏黎世联邦工学院( e t h ) 和东京理工大学 ( s c i e n c e u n i v e r s i l yo f t o k y o ) 在无轴承电机研究领域处于领先低位，已经有部分成 果商品化。 瑞士苏婺世联邦工学院采用无轴承电机设计出了气泡反应床( 见图15 ) ， l c v i r t o n i x 公司与o r q i s 医药公司联台生产研制出体积小、重量轻的体外血液泵 ( 见图l6 ) ，以及在医学和牛物工稗泛应用的可交换泉头的无轴承电机泵见 ( 图17 ) ，在液体传输领域应用的功率为5 0 w 的无轴承电机泵( 见图l8 ) 。 瓣 崩15 无轴承电机气泡反衄床削i6 体外向渡泵 _ 一 幽l7 可交挟泵头的无轴承电机泵幽18 功率为5 0 w 的无轴承电机泵 13 电机控制技术的发展。2 ” 近二十年来，电机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和人工智能技 术的发展，使得电机的控制理论和控制技术上升到一个新的高度。电动机作为机 电能量转化装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以厦人们的f 1 常生活之 中。近年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应 用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。除了人们已经熟悉的 普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无 刷直流电机和高精度的步进电机，用于照相机的超声波电机用于心脏血液循环 系统的微型电机，用于生命科学、制药行业、化工行业、半导体工业、食品e i i 的无轴承电机等等。另一方面，由于应用了电力电子技术。电机的控制技术变得 更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子。 在实际应用中，电机已由过去简单的起停控制、提供动力为目的麻用，上升 到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要 求。例如在工业自动化、办公自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几 乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运 动。这种新型控制技术已经不是传统的“电机控制电气传动”而是“运动控 制”。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制，速度拧制、加速度控制， 转矩力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。因此现代电机控制技术离不开 功率半导体器件和电机控制器的发展。 131 功率半导体器件的发展 乜力电子技术是电机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅 门巴 ， 江苏人学硕+ 学位论文 猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高，而功率器件的发展是电力 电子技术发展的“笼头”，一代新型功率器件的出现，总是带来了一场电力电子 技术的革命。因此，电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发 展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。 2 0 世纪6 0 年代出现的硅晶闸管( s c r ) 可以算作是第一代电力电子器件， 它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。7 0 年代出现了称之为第二代的 自关断器件( g t o ) ，它们的开、关均有控制极控制，开关频率相对晶闸管高， 可达几至几百千赫兹。8 0 年代，绝缘栅门控双极型晶体管( i g b t ) 问世，它综 合了功率m o s f e t 和双极型功率晶体管两者的功能。进入2 l 世纪后，功率半导 体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓补结构，将各 个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可 以、缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。现已经出现了第四代电力电子器件 一集成功率半导体器件( p i c ) ，它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路 集成在一块芯片上，从而开辟电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应用前景。 目前经常使用的智能功率模块( i p m ) 就是典型的例子，i p m 除了集成功率器件 和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号 传送至c p u ，以保证i p m 自身不受损害。 1 3 2 电机控制器的发展 有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是 对控制系统的基本要求。电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发 展。由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所以这 些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想。因此调速电机的控制 器逐渐朝数字化方向发展。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参 数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境不敏感等优点。 现有的数字控制器主要分为3 大类：基于c p u 的数字控制器、基于单片机 的数字控制器和基于d s p 的数字控制器。基于单片机的数字控制器在高速数据 处理方面显得力不从心，而基于c p u 的数字控制器虽然能够满足高速数据处理 的要求，但是在稳定性方面不如基于d s p 的数字控制器。因此，在一些数据处 理量大，实时性和精度要求高的复杂控制系统中，自然而然地想到基于d s p 数字 6 江苏大学硕士学位论文 信号处理器。采用d s p 实现数字化处理和控制已成为未来的发展趋势，将一系 列外围设备如模数转换器( a d ) 、脉宽调制发生器( p w m ) 和数字信号处理器 ( d s p ) 集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的d s p 芯片。近年来，各种集成化的单片d s p 性能得到了很大的改善，软件和开发工 具越来越多；价格却大幅度降低，低端产品的价格已接近单片机的价格水平，但 却比单片机具有更高的性能价格比。越来越多的单片机用户开始选用d s p 器件 来提高产品性能，d s p 器件取代高档单片机的时机已经成熟。 采用d s p 的数字控制方式是目前设计控制系统的发展趋势，主要优点如下： 能够用软件实现复杂的控制算法，而不需要采用复杂的模拟电路设计。 由软件程序修改而实现不同的控制方法，无须更改硬件电路。 可降低体积、重量和功耗，同时价格也降低。 具有较高的可靠性，且易于维修和测试。 对噪声与干扰有较强的抗干扰能力。 因此，有众多的半导体制造商投入到高性能的d s p 开发中。美国德州仪器 公司凭借自己的实力，推出了电机控制器专用d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为新一代数字电机控制器的专用d s p 系列，可支持用于电机 控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能。集成化d s p 核、 最佳化电机控制器事件管理器、a d 转换模块等诸多功能加在一起，就可以提供 一个单芯片式数字电机控制方案，在数字控制领域有广阔的应用前景。 d s p 运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，如自适应控制、模 糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 、神经网络控制( n e u r a lc o n t r 0 1 ) 、鲁棒控制( r o b u s t c o n t r 0 1 ) 等，大大提高控制系统的品质。而且d s p 控制软件可用c 语言、汇编 语言或者二者嵌套使用。因此采用d s p 芯片制造的电机控制器便于用户的调试 和应用。 目前，在越来越多的场合，如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等， 它们往往是运算控制量比较大，时序、组合逻辑都很复杂的情况，这时如果同时 运用d s p 芯片和一些可编程控制器件可以大大减小系统的体积，提高系统运算 能力，实现复杂的实时控制。可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp l d ) ，是在p l d ( p r o g r a m m el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 、g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，通用 7 江苏人学硕十学位论文 阵列逻辑) 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的逻辑器件相比较，它更 适合于时序、组合逻辑电路。在电机调速、变频控制中，存在大量的逻辑与、或、 非运算等，运用c p l d 可以快速的实现这种逻辑运算。因此使用d s p 和c p l d 共同对电机实施控制，使c p l d 分担逻辑运算并对d s p 进行监视，无疑可以对 电机更方便的进行控制。 1 4 本课题的研究意义 无轴承电机是高速电机研究领域的一大突破。它不仅拓展了高速电机的应用 领域如微型化、大功率等，其独具的悬浮机理和结构特点使之在人工血泵、机械 减振、轴承卸载及精密压制等领域也得到成功的应用。并且随着新技术和新材料 的应用，其研究成果必将对机械工业、机器人、生物工程、新材料研制、高新能 源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等领域产生较大的影响。因此为了使 得这一科学技术尽快的为我国生产建设服务，必须将无轴承电机这项新技术迅速 转化为生产力，这是我国科技人员面临的新课题。 随着大规模集成电子技术和微处理机技术的飞速发展，包括信号处理及现代 控制理论的发展，使得数字控制技术越来越得到人们的青睐，它所具有的优点正 逐渐为人们所普遍使用，数字控制具有灵活、可实现复杂的控制器功能，在开发 阶段易于进行各种可能控制策略的试验。 无轴承电机己在生命科学、制药行业、化工行业、半导体工业、食品工业等 领域得到了成功应用。随着我国经济进一步发展，在很多特殊的电气传动领域必 将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到 重要作用。因此，无轴承电机在我国具有很大的潜在应用市场，积极开展无轴承 电机的研究和应用具有现实和深远意义。 1 5 本论文的主要研究内容 本文的研究工作主要包括以下几个部分： 第一章阐述了无轴承电机的起源及研究现状，然后介绍了功率半导体器件和电 机控制器的发展及特点，接着阐明了本课题的研究意义，提出了本论文 的主要研究内容。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章设计了一种新型结构的轴向混合磁轴承，介绍了轴向混合磁轴承结构及 工作原理，阐述了其悬浮力产生机理，用等效磁路法对永磁和励磁混合 磁轴承磁路进行了计算，讨论了以定点数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，辅以a d 、d a 等外围电路构成的数字控制系统。控制策略采 用经典p i d 控制器和h 。控制器分别进行了仿真和实验，给出了p i d 控 制和h 。控制实验波形。 第三章介绍了无轴承电机的各种结构及其相应的控制策略，分析了无轴承电机 径向力产生原理，推导出径向力和径向力绕组电压、电流之间的关系， 提出了基于转子磁场定向控制方法来实现旋转力和径向力之间的解耦； 最后根据无轴承电机径向力产生及数学关系，建立电机控制的数学模 型。 第四章详细介绍了无轴承电机硬件和软件系统构成。硬件系统主要包括d s p 系统板、功率驱动电路和外围电路，在硬件设计过程中，强调了硬件系 统设计的小型化，结构紧凑，抗干扰性强。软件系统主要介绍了d s p 和c p l d 的开发软件，给出了控制系统的主要功能模块及控制软件流程 图。 第五章构建了无轴承永磁同步电机实验系统平台，得出了相关实验结果并给出 相应的分析，通过实验验证所设计的控制系统是可行的。 第六章对硕士论文工作进行了全面总结，建议需要进一步开展的研究工作。 9 江苏人学硕+ 学位论文 2 1 引言 第2 章无轴承电机结构和工作原理 无轴承电机集磁轴承和电机功能于一体，是特种电机研究领域的重大突破， 也是磁悬浮技术发展的重要方向。它对于减少悬浮传动系统装置体积、重量，提 高设备性能有重要的意义，在民用和国防领域均有重要应用价值。无轴承电机自 身的结构特点决定了它是一个较之普通电机更为复杂的非线性系统，电机的旋转 力控制和悬浮力控制之间存在复杂的非线性强耦合控制，其解耦控制系统的设计 与实现是难点所在。 本章主要构建了无轴承电机基本结构及其控制方法，介绍了无轴承电机工作 原理，分析了无轴承电机径向力产生的机理，推导了无轴承电机径向悬浮力和电 机转矩的数学模型，并采用转子磁场定向控制对转矩力和径向力之间的解耦来实 现转子旋转和稳定悬浮的独立控制，建立了转子磁场定向控制的数学模型。 2 2 无轴承电机结构 2 2 1 永磁材料的性能与选择【2 5 也7 1 对于无轴承电机性能、体积、重量和成本影响最大的是永磁材料。目前广泛 使用的有铁氧体、钐钴( s m c o ) 和钕铁硼( n d f e b ) 等三种材料。其中，铁氧 体材料剩磁通密度和磁能积较低，电机转子体积大，适合应用于电机成本比高性 能指标更重要的场合；钐钴材料成本高，主要用于高性能小容量伺服电机；而钕 铁硼材料的剩磁和矫顽力比钐钴材料的要高，其原材料来源丰富，价格低。另外， 采用钕铁硼材料可同时减少电机铁和铜的用量，使电机总成本也降低。从力学性 能考虑，铁氧体和钐钴材料脆而硬，加工困难，而钕铁硼材料则容易加工。从以 上综合考虑，本课题样机采用了钕铁硼材料的永磁体，主要考虑到钕铁硼材料是 目前磁性能最高的永磁材料，价格适中，性能稳定等一系列优点。 2 2 2 永磁体转子结构 无轴承电机转子磁路结构不同，则电机的运行性能、控制方法、制造工艺和 l o 江苏大学硕十学位论文 使用场合也不同。无轴承电机的转子结构总的来说可以分为磁阻式、永磁式和鼠 笼式三种，其中永磁式又分为内插式和外贴式两种。图2 1 给出了无轴承电机通 鼠笼转子磁阻转子 外贴式永磁转子 内插式永磁转子 图2 1 无轴承电机的转子结构 常采用的四种转子结构 2 8 - 3 1 l 。 永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则 产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定。 子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。因此，对无轴承电机 的控制也和对异步电机的控制相似，采用矢量控制。 2 2 3 无轴承电机结构与控制 无轴承电机与传统机械轴承支承的电机不一样，电机转子在5 个自由度上是 靠磁场产生作用力来实现转子稳定悬浮。其中径向4 个自由度上的悬浮力，是由 叠加在定子槽里的径向悬浮力绕组产生的磁场，打破电机定子绕组产生旋转磁场 的平衡而产生的。轴向位置的控制则采用磁轴承来进行准确定位。单个的无轴承 电机一般只能约束转子沿径向方向的二个自由度，要实现转子稳定的悬浮，需在 江苏入学硕十学位论文 五个自由度上施加约束。要实现无轴承电机的稳定悬浮需要对其转子的五个自由 度施加控制，而无轴承电机的结构与控制有着紧密的联系，根据不同的目的合理 的选用不同的结构是研究无轴承电机的基础。本章总结了五种无轴承电机的机械 结构，其结构简图如图2 2 图2 6 所示。 图2 2 的两端采用了机械结构完全一样 的2 个无轴承电机结构，采用一套d s p 控 制器硬件和软件，同时驱动2 组功率变换器 ( 每1 组2 个逆变器) ，对2 个无轴承电机 进行控制。优点是电机功率可以做得较大， 缺点是对小功率的无轴承电机，采用这种结 构，机械结构复杂和庞大，控制系统复杂， 成本高，难以在实际中应用。 无轴爨麴自无轴承 电机磁轴承电机 图2 2 图2 3 所示结构的无轴承电机，也是由2 鼋轴震鼋轴覆毽轴皇 个无轴承电机单元和1 个轴向磁轴承构成。 轴向磁轴承放在一端，两个无轴承电机单元 放在一起，这样带来的好处可以缩短轴向长 度，提高临界转速。该结构的无轴承电机的 控制与图2 2 所示结构的电机控制一样。 图2 4 所示的无轴承电机结构是由一个 无轴承电机单元、一个单自由度轴向磁轴承及 一个2 自由度径向磁轴承组成。这种结构无轴 承电机的结构特点：电机轴向尺寸较2 2 和2 3 小，功率也可以做得较大，在实际中已经得到 应用。该结构无轴承电机轴向和径向磁轴承独 立安装，这样就减少了相互之间的耦合性。三 个部分分别进行独立控制，无轴承电机采用转 图2 3 无轴承电机结构 鼋轴毳霪轴璺毽轴象电机磁轴承磁轴承 船因阱园 i l 栅唧删 船因囟一圆 图2 4 无轴承电机结构 子磁场定向控制策略，控制径向两个自由度；单自由度轴向磁轴承可以采用h 。 控制器控制转子的轴承位移，2 自由度径向磁轴承采用经典p i d 控制器控制径向 位移。这样，无轴承电机就能实现在5 个自由度上悬浮和运转。 1 2 江苏大学硕十学位论文 图2 5 所示结构的无轴承电机是由1 个 三自由度轴向一径向磁轴承和1 个二自由度 无轴承电机构成。这种电机结构紧凑，轴向 利用率高，比图2 2 、图2 3 和图2 4 结构简 单，控制相对容易，可突破大功率和超高转 速限制，并可实现微型化，对于大功率领域 有一个很好的应用前景。 图2 5 无轴承电机的控制策略为：对于 3 个自由度的径向轴承混合磁轴承，轴向控 3 自由度径向 2 自由度无 图2 5 无轴承电机结构 制为：轴向位移传感器检测出转子轴向偏移位置后，反馈位移信号至d s p 控制 器，经数字控制器进行p i d 调节后输出控制电流信号至直流功率放大器，对轴向 控制线圈控制电流进行控制，从而控制轴向气隙处的磁通大小，确保转子处于轴 向平衡位置。径向控制为：径向位移传感器检测出转子径向偏移位置后，反馈位 移信号至d s p 控制器、经p i d 调节后转换成力的控制信号，再转换成参考控制 电流信号，与电流互感器检测出的径向三相绕组中的实时电流进行电流跟踪比较 后，通过控制三相逆变器开关器件来改变径向三相绕组中控制电流的大小，从而 改变控制磁通，产生磁吸力使转子回到径向平衡位置。2 个自由度的无轴承电机 单元采用转子磁场定向控制，这样，电机就可以在5 个自由度上实现转子的悬浮 和旋转。 但是对于功率远小于l k w 的电机，通过设计转子的长度大大小于转子的半 径，这样转子的3 个自由度由被动磁轴承进行控制，其它3 自由度由无轴承电机 单元主动控制，当转子从平衡位置轴向偏移( 图2 6 b ) 或倾斜( 图2 6 c ) 时，则转 子受到相反的被动吸力，使其回到平衡位 置，这就是所说的薄片电机【3 2 1 。这种电机 是一种集驱动和自悬浮功能与一体的高效 环保型电机，是磁悬浮领域和超洁净驱动 领域研究的重大进展。它即克服了传统磁 轴承电机结构复杂、难以微型化、成本高、 定转子难以实现完全隔离等局限性，又保 峰一 e 一 图2 6 无轴承薄片电视结构 凰面圈倒凰 江苏人学硕十学位论文 持了磁悬浮技术无磨损、无润滑等特点，在机电制造、生物、制药、医疗机械、 化工、核废料处理等超洁净领域有很好的应用前景。 图2 6 所示无轴承电机控制策略：利用高精度位移传感器测量转子的位移， 高精度速度传感器测量转子的转速，采用非线性逆系统进行旋转力和悬浮力之间 的动态解耦控制。 2 3 无轴承电机径向悬浮力产生原理 2 3 1 电机中的电磁力 电机中存在两种不同的电磁力：洛伦兹力和麦克思韦力。洛伦兹力是电机旋 转磁场对定子中载流导体作用产生的力，作用在转子上产生切向的力，永磁同步 电机的转矩就是基于洛伦兹力作用而产生的。图2 7 ( a ) 以电流和磁链均为正弦 分布的两极电机为例，说明洛伦兹力和转矩产生过程。麦克思韦力是磁路中不同 磁导率介质边界上形成的磁张力。如果电机的磁通是对称分布的，其麦克思韦力 为零，如图2 7 ( b ) 所示。如果转子偏离了电机轴心，引起电机磁通分布不均， 图2 7 ( a ) 洛伦兹力( b ) 转子位于中心时的麦克思韦力( c ) 转子偏离中心时的麦克思韦力 则麦克思韦力就不为零，其作用方向和转子偏心方向一致，这就是磁张力效应， 如图2 7 ( c ) 。转子的偏移量越大，磁张力也越大。 2 3 2 径向悬浮力产生原理 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。无轴承电机在电机的定子中嵌入了两套具有不同极对数的 绕组，电机转矩绕组极对数p m ，径向悬浮力控制绕组极对数p b ，保证电机转矩 1 4 江苏大学硕士学位论文 绕组产生的磁场极对数p m 与悬浮力绕组产生的磁场极对数p b 的关系为：p a - - - p m 1 ，悬浮力绕组产生的磁场和电机( 或永磁体) 产生的磁场合成一个整体，通 过径向悬浮控制绕组电流的引入，打破了电机原来旋转磁场的平衡，使得电机气 隙中的一区域中磁场增强，而 其对称磁场减弱，其产生的磁 张应力，即麦克斯韦( m a x w e l l ) 悬浮力将指向磁场增强的一 方。如图2 8 ( a ) 所示的无轴承 电机( p m = 1 ，p b = 2 ) 两个磁 场的相互调制，使得转子左右 ( a )( b ) 图2 8m a x w e l l 力产生机理 侧气隙磁感应强度不均匀，其 结果产生的麦克斯韦合力指向x 轴的正方向；图2 8 ( b ) 中两个磁场的作用产 生了沿y 轴正方向的麦克斯韦力。 无轴承电机中除麦克斯韦合力产生径向悬浮力外，径向悬浮力绕组中的电流 也会受到洛伦兹力( l o r e n t z ) 的作用，不过由于两套绕组极对 数关系的限制( 除异步电机外) ， 这个力不会产生阻转距，仅仅构 成径向悬浮力的一部分。图2 9 是电机绕组极对数p m = l ，悬浮 力绕组极对数p 8 = 2 ，分别产生 沿x 或y 方向的洛伦兹力。 图2 9l o r e n t z 力产生原理 当p b = p m + 1 时，无轴承电机径向悬浮力绕组通电后，转子所受的麦克斯韦 力( 图2 7 ) 和洛仑兹力( 图2 8 ) 方向相同，这两个相加：当p b = p m 一1 时，这 两个力的方向相反，则通电所受合力等于麦克斯韦力减去洛仑兹力。 另外，根据电磁场理论，当无轴承电机悬浮转子偏离中心平衡位置时，电机 转子还将受到一个与偏心位移成正比的麦克斯韦力，它是一种固有的力。对转矩 绕组极对数p u l 的无轴承电机，在x ，y 方向其受力表达式为： 江苏大学硕十学位论文 f f x x = k 。s 工 ( 2 1 ) 【勺2 y p 一7 其中颤为径向力位移刚度，与电机的结构和参数有关。 无轴承电机控制系统通过检测转子径向力位移，进行负反馈控制，控制转子 所受径向悬浮力的大小和方向，实现转子稳定悬浮。无轴承电机输出的电磁转矩， 则是基于洛仑兹力产生的，与普通电机没有差异。 2 4 无轴承电机径向悬浮力和旋转力数学模型 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，对 转矩绕组极对数p m = 1 的无轴承电机，径向悬浮力与位移、电流之间存在着非常 复杂的非线性关系，在此不详细讨论。如直接采用转矩绕组极对数砌 1 的所 有数学公式，对转矩绕组极对数p m = 1 的无轴承电机同样可以得到足够的控制精 度。转矩绕组极对数p m 1 的转子表面叠装式无轴承电机，悬浮力绕组通电后 所受径向麦克斯韦力和洛仑兹力合力洲1 名= ( 如- - - k l ) 。( 2 d b 7 i d + i s 2 9 幻) = ( 吒x m ) ( 2 9 + 缈 l d + i s 2 d 。缈幻) k ，：三型丝虹 ( 2 2 ) ” 24 l r g o w k w i w 2 k w 2 k ，：1 m p m w 2 k w 2 2 2 r w l k w l 式中 h 一麦克斯韦力常数； 也一洛伦兹力常数； 2 d ，l 。s 2 口一悬浮绕组电流在同步旋转坐标d 、q 轴上的分量； 沙埘，杪埘一转矩绕组气隙磁链在旋转d 、q 坐标系中的分量； ，一电机定子铁心长度； ，一电机定子内径： 1 6 江苏大学硕士学位论文 厶2 一悬浮力绕组互感； ，一分别为转矩绕组和悬浮绕组匝数； k j ，k w 2 一分别为转矩绕组和悬浮力绕组的绕组因数； m 一转矩绕组和悬浮力绕组相数。 ； 无轴承永磁同步电机电磁转矩：疗程： 丁= 华( y 付l s l q - - v l q i ，肘) ( 2 3 ) 式中膨，i s l q 一转矩绕组电流在同步旋转坐标系d 、q 轴上的分量。 从式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可知，无轴承表面叠装式电机的径向悬浮力和电磁 转矩直接存在相互耦合。缈蹦为转子永磁体磁链，坩是转矩绕组电流在d 轴上 的分量，当采用转子磁场定向控制策略，膳= 0 ，妙肘= y 肼，y 幻= 0 控制时， 能够实现控制径向悬浮力和转矩的大小和方向，此时，根据公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，径向悬浮力和电机转矩数学模型为 f f ，= 足+ 只= ( j 0 托) 2 d 删+ t x fy = 乃+ = ( 丘如) 。幻蹦+ t 。y ( 2 4 ) 【卜孚k 2 5 小结 本章首先介绍了无轴承电机各种结构特点，接着分析了无轴承电机转子结构 和工作原理，建立了无轴承电机的数学模型，然后在此基础上，分析了径向悬浮 力产生原理，根据径向力产生机理，采用转子磁场定向矢量控制的策略对转矩力 和径向力进行了解耦控制，得出要实现电机中旋转力矩和径向力解耦控制必须要 控制好两个