（电力电子与电力传动专业论文）无轴承永磁同步电机数字控制系统研究.pdf

江荠人学硕l 学位论文 a b s t r a c t t h eb e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a 印e t s y n c h r o n o u sm o o r ( b p m s m ) i s 孤 i n n o v a t i v et y p eo fm o 饥i nt h es t a t o rs l o t s ，t h eb p m s mh a sas e to fa d d i t i o n a l s u s p e n s i o nf o r c ew i n d i n g se x c e p tm o t o r st o r q u ew i n d i n g s t h er o t o rs h a f tc a l lb e s u c c e s s f u l l ys u s p e n d e da n dt h eb p m s mc a l lo p e r a t ea st h ec o n v e n t i o n a lm o t 0 姻 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 sh a v ef u n c t i o n sa n dv i r t u e so fm a g n e t i cb e a t i n g sa n d p 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 s ，a n dh a v eg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d si na e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，b i o l o g i ca n dm e d i c i n ee n g i n e e r i n g , 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 g ，e t c a st h er a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ed s pt e c h n o l o g yh a s g a i n e dr a p i dd e v e l o p m e n t t h eh i g h - s p e e da n dh i g h - p r e c i s i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h e b p m s mc a nb cs u c c e s s f u l l yr e a l i z e d a n da p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft h eb p m s mh a s b e e nd r i v e ni nt h eh i g h - s p e e da n ds u p e rh i g h - s p e e ds p e c i a le l e c t r i cd r i v ef i e l d s f i r s t l y , t h er u d i m e n t a lp r i n c i p l e sa n dt h e b a s i cf l a m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e b 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 ra r ee x p o u n d e d a n dt h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fb p m s mi sd e d u c e d t h e nb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp r o d u c i n g r a d i a lf o r c ea n dt h em a t h e m a t i c sm o d e lt h er o t o rf i e l do r i e n t e dv e c m rc o n t r o lm e t h o d i sp r o p o s e df o rd e c o u p l i n gc o n t r 0 1 。 s e c o n d l y , e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ( e k f ) i sa p p l i e di nb e a r i n g l e s sp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r e k fm o d e l so fb p m s m i nm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n e n v i r o n m e n ta r ec o n s t r u c t e da n dt h es i m u l a t i o ns t u d yi sc a r r i e do u t t h i r d l y , b a s e d o nt h ep r i n c i # eo fp r o d u c i n gs u s p e n s i o nf o r c e sa n dt h e m a t h e m a t i c sm o d e la n du s i n gd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 p lt h eh a r d w a r ea n ds o r w a r eo f t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h ed i s s e r t a t i o n f i n a l l y , t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fb p m s m h a sb e e n d e b u g g e da n d t h er e l a t i v e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e df o r2d e g r e e so ff r e e d o mb p m s m t h r o u g h t h ep a r te x p e r i m e n t sa n dt e s t i n g ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v eb e e no p t i m i z e d t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h et h e o r yi sv a l i d i t yf o rt h eb p m s m k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s sp e r m a n e n t m a t h e m a t i c sm o d e l ，e x t e n d e dk a l m a n s o f t w a r e m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( b p m s m ) ， f i l t e r ( e k f ) , d i g i t a lc o n t r o l ，h a r d w a r e ， + p r o j e c ts p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 2 7 5 0 6 7 ) a n dh l 矾 t e c h n o l o g yr e s e a r c ho f j i a n g s up r o v i n c e ( b g 2 0 0 1 0 2 9 ) 江苏大学硬e 学位论叟 图表索引 图i i 磁悬浮无轴承电机样机一 图1 , 2 无轴承电机产品“ 2 3 图2 ，l 永磁同步电机转子三种结构图”l o 图2 2 永磁同步电机结构简图l l 图2 3 永磁同步电机# - q 旋转坐标图- 1 2 图2 4 电机中麦克斯韦合力示意图1 4 图2 5 加入悬浮绕组后的径向悬浮力示意图 1 4 图2 6 无轴承永磁同步电机矢量控制系统框图1 7 图3 1 卡尔曼滤波器的基本结构”2 0 图3 2 无轴承永磁同步电机扩展卡尔曼滤波状态估计器仿真图”2 4 图3 3 基于扩展卡尔曼滤波器的无轴承永磁同步电机调速系统结构图2 5 图3 , 4 基于e k f 无轴承永磁同步电机调速系统仿真图“2 6 图3 5p 、q 、r 赋经验值时获得的速度跟踪仿真波形2 6 图3 6p 、q 、r 赋单位矩阵时获得的速度跟踪仿真波形 图3 7 电机输出a 、6 、c 三相电流波形”2 7 圆3 8e k f 估计出来的a 、p 电流波形- 2 7 图4 11 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 内部结构图2 9 图4 。2p w m 产生d a 转换的原理图一3 0 图4 3p w m 信号的偶对称波形“3 l 围4 4 电流信号调理电路3 2 图4 5 电源转换电路3 2 图4 6 无轴承永磁电机数字控制系统硬件功能框图3 3 图4 7a 、b 、z 输出信号相位波形3 4 图4 8 脉冲信号调理电路3 4 图4 9 电涡流位移传感器输出特性3 6 图4 1 0 位移传感器信号调理电路3 6 图4 1 l 电流检测电路3 8 图4 1 2p s 2 1 8 6 5 内部功能框图“3 9 v 江苏大学硕t 学位论文 图4 1 3i p m 自举逆变电路示意图一4 0 图4 1 4 光码盘输给q e p 脉冲序列波形图 4 1 图4 1 5i p m 三相输出端电压输出波形4 2 图4 1 6 三相绕组线电压波形图 图5 1 主程序流程图一4 5 图5 2 小r r l 中断服务子程序流程图”4 7 图5 3i n t 2 中断服务子程序流程图”4 7 图5 4c a p 3 捕获中断服务子程序流程图4 8 图5 5 系统扔始化子程序流程图”5 0 图5 6 转子相位仞始化定位5 0 图5 7 电机转子初始定位5l 图5 8 转速计算子程序流程图5 3 图5 9 速度环p i d 调节子程序流程图5 6 图5 1 0 坐标变换子程序流程图5 7 图5 1 la d 转换后的位移量标量图”5 8 图5 1 2 ，d 转换子程序流程图5 8 图5 1 3 位置闭环p i d 调节子程序6 0 图5 1 4 电机初始定位的设定波形( 左) 及反馈波形( 右) 6 1 图5 1 5 电机速度为1 5 0 0 、2 5 0 0 转分给定电流波形以及反馈电流波形6 i 图5 1 6x 、y 方向动态径向位移波形6 2 表5 1系统中断分配表”4 6 表5 2 时钟资源分配表“4 9 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。 学位论文作者签名：影卜菱哩 导师签名： 签字只期舯占月) 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 采城参亿 u 签字同期痧叼军f 月j 7 日 电话： 邮编： 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：鼋涵摊 日期a 一年6 月1 7 日 江苏大学硕土学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机研究发展现状 1 1 1 无轴承电机研究起源 自从1 8 3 1 年英国的f e r a r r i s 发明了第一台感应发电机和1 8 8 8 年美国的t e s l a 发明第一台交流感应发电机后，1 9 世纪8 0 年代后期，德国的m i c h a e ly o n d 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机。异步电机不需要电刷和换向器 了，但电机两端仍然需要轴承来支撑。对需要长期高速稳定运行的传动系统，轴 承维护保养是一个很大问题，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无接触运行 成为可能，但这种传动系统造价很高，因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁场中 稳定悬浮。主动磁轴承的发明，解决了这个难题，但用主动磁轴承支承转子要在 5 个自由度上施加控制力，为此造成磁轴承体积大、结构复杂和造价高。 在2 0 世纪后半叶，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。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， 采用磁轴承能满足这个要求，于是在欧洲开始了各种主动磁轴承的研究计划。 1 9 7 5 年德国p k h e n n a n n 申请了无轴承电机专利口- 2 1 ，根据p k h e r m a n n 专利中提出的方案，在那年代是不可能制造出无轴承电机样机，因为不可能制造 出必要功率驱动电路和复杂的控制设备。直n - 十世纪八十年代后期，瑞士苏黎 世联邦工学院( e t h z ) 的j b i c h s e l 才首次制造出无轴承电机样机。 无轴承电机克服了磁轴承的一些缺点，轴向空间利用率为1 0 0 ，在轴向长 度保持一定的条件下，其输出功率将大幅度提高；电能消耗减少，对无轴承交流 电机而言，传统磁轴承中的直流励磁电流不再需要，电机径向力的产生是基于电 机旋转磁场，悬浮力控制系统的功率消耗只有电机功耗的2 - 5 。另外。无轴承 电机依然保留了磁轴承的优点，如无需润滑、无磨损、低噪音、高速度、高精度 及其寿命长等，并且无轴承电机比磁轴承支承的电机结构紧凑，对于研究新型特 种电机创造了很好的设计空间。图1 1 ( a ) 是磁轴承支承的电机样机实物图，图 江苏人学硕i ：学位论文 1 1 ( b ) 是无轴承电机的实际样机图片。 ( a ) 磁轴承支承的电机( b ) 无轴承电机 图1 1 磁悬浮无轴承电机样机 1 1 2 无轴承电机研究现状 在2 0 世纪7 0 年代中期，德国的ek h e r m a n n 申请了无轴承电机专利，专 利中提出了一种由p l 极对数转矩绕组和阢= p l 1 极对数悬浮绕组相结合的双绕 组定子结构，使电机既可以产生悬浮力又能产生转矩力。但用p - k 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驱动和控制设备来的，所以无轴承电机 样机在那个年代是不可能制造出来的。在2 0 世纪8 0 年代，磁性材料磁性能的迸 一步提高，为永磁同步电机奠定了有利的竞争地位，同时，双极晶体管的应用， 并结合德国b o e h r i n g e r 提出的无损丌关电路，能够制造出满足无轴承电机要求的 新代离性能功率放大器，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 技术进步是用高速集成芯片实现完全数字控制。大约在1 9 8 5 年，具有快速和负 载能力的功率丌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实际应用。因此，直到2 0 世纪8 0 年代后期，瑞士苏黎世 联邦工学院的j b i c h s e l t 3 1 才首次制造出了无轴承永磁同步电机样机。 1 9 8 5 年，t h i g u e h i 提出了将磁轴承应用到步进电机上成为无轴承步进电机 的概念【4 1 。1 9 9 3 年，瑞士苏黎世联邦工学院的r s c h 6 b 首次实现交流电机的无 轴承技术【5 l ，无轴承电机取得实际应用，关键性的突破是在1 9 9 8 年瑞士苏黎世 联邦工学院n b a r l e t t a 研制出无轴承永磁薄片电机 6 1 ，电机结构简单，控制系统 2 江苏大学顼上学位论文 成本显著降低，使其在众多领域具有很大的应用价值。 自2 0 世纪9 0 年代中期以来，无轴承电机发展应用正广泛被展开。一些特殊 的应用发展也将出现。 在2 0 0 0 年，瑞士苏黎世联邦工学院的s 。s t ! b e t 研制了无轴承永磁同步单相 电机【”，在无轴承电机研究历史上前进了一步，减少了整个系统的费用，使得无 轴承电机结构和控制变得比较简单。除瑞士苏黎世联邦工学院大力开展无轴承永 磁同步电机的研究工作外，日本的m o o s h i m a 等人对表面凸装式无轴承永磁同 步电机进行了研究，并研制成功了功率为4 k w 、转速1 10 0 0 r m i n 的表面凸装式 无轴承永磁同步电机样机i s 】，该样机为四自由度，仅能连接轴向共线负载，并没 有真正意义上的应用价值。以瑞士苏黎世联邦工学院的i ls c h s b 为首的研究人 员已将无轴承永磁薄片电机技术应用在医学工程以及生物工程等应用领域阻挖】。 此外，美国的d k i l n 等1 3 j 、奥地利的w a m r h e i n 等1 4 1 也对无轴承永磁电机进行 了基础研究。目前国内正在研究的无轴承电机主要包括无轴承异步电机、无轴承 永磁同步电机、无轴承永磁薄片电机和无轴承磁阻电机【l 7 】。 如今，瑞士苏黎世的l e v i t r o n i x 公司拥有全球最先进的无轴承技术，并将无 轴承电机成功应用于医学和半导体工业领域。图1 2 为无轴承电机产品。 ( a ) 气泡反应床 ( b ) 无轴承电机泵系统( j 卜导体i 业川) 图1 2 无轴承电机产品 1 1 3 无轴承电机发展趋势及应用 无轴承电机在特殊的电气传动领域改变传统的传动和传输方式，对降低生产 成本，提高生活质量具有很大的帮助，具有很大的潜在应用市场。但对于大规模 的应用还有相当一段距离，随着新材料、新技术和新工艺的出现及应用，将进一 江苏大学硕上学位论文 步提高无轴承电机的性能，降低无轴承电机的制造成本，成为无轴承电机发展新 的目标。无轴承电机的最新发展趋势为：( 1 ) 由于大量新型高温超导材料的发现， 如y b a c u o 等，并利用超导材料的抗磁特性或磁链守恒特性产生巨大的电磁力， 可以预见这些超导材料将在无轴承电机中得到广泛应用，如超导磁轴承和无轴承 电机用于大惯量飞轮储能装置，直线电机超导磁场梯度悬浮推进系统。( 2 ) 在新技 术方面，超声波传感技术和激光传感技术在无轴承电机定位控制中的应用，提高 了定位精度和速度；d s p 高速数字信号处理器和c p l d 在磁悬浮控制系统中实 现数字化控制，为实现复杂智能控制算法提供了保证；无位置无速度传感器技术、 直接力矩控制等技术在无轴承电机中的应用研究。上述各方面都将对无轴承电机 的发展产生深远的影响。 在实际应用方面，国外已将无轴承电机在人工心脏血液泵、化工密封泵、高 速飞轮储能装置等方面得到了成功应用。如今，将无轴承电机应用到机床工业、 航空航天、机器人、生命科学和食品工业等领域，已成为研究人员追求的目标。 因为应用和研究是相辅相成的，所以只有不断推广应用新产品，力能提高产品研 究水平，开发出性能更优良的无轴承电机。 1 2 数宇信号处理器技术 1 2 1 数字信号处理器产生和发展 世界上第一片数字信号处理器( d s p ) 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司的$ 2 8 l i ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司宣布生产的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要标志。 这两款芯片都没有单周期乘法器。1 9 8 0 年，只本n e c 公司推出了第一款具有硬 件乘法器的商用d s p 芯片p d 7 7 2 0 。美国1 1 公司在1 9 8 2 年成功推出了第一代 d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品。日本的同立公司首先采用了c m o s 工艺于 1 9 8 2 年推出了浮点d s p 芯片。而a t & t 公司在1 9 8 4 年推出了第一款商性能的 浮点d s p 芯片d s p 3 2 。摩托罗拉公司半导体部( 现为f r e e s e a l e 公司) 于1 9 8 6 年推出了定点芯片m c 5 6 0 0 1 ，并且在1 9 9 0 年推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮 点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。到2 0 0 5 年，f r e e s c a l e 公司推出了5 6 f 8 3 0 0 系列的定点 d s p 。美国的模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，a d 公司) 也不甘落后，相继推出 了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、 4 江苏大学硕_ 上学位沧空 a d s p 2 1 1 1 2 1 1 5 和a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 等。 在国际上的大公司中，1 1 公司经过多年来不断发展，开发了一个庞大的 t m s 3 2 0 的d s p 家族。其中主要可分为三大系列： ( 1 ) 1 m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，包括c 2 0 x 、c 2 4 x 、c 2 4 x x 、c 2 8 x 等，此系列 产品主要用于数控系统中。 ( 2 ) r r m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列，包括c 5 4 x 、c 5 5 x 等，该系列产品主要用于无线 终端语音通信产品当中。 ( 3 ) 1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，包括c 6 2 x 、c 6 7 x 、c 6 4 x 等，该系列主要用于 高性能的通信系统或图象处理系统中。 1 r i 公司中的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列芯片主要是应用在交流伺服控制系统中。本 课题主要是针对无轴承电机的控制，因此，选用了此系列中的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ， 此芯片的最高运算速度达到了4 0 m i p s 。近年来t i 公司又推出了具有更高性能的 t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列翰芯片，迸一步增大了芯片的运算速度，增强了接口能力及 其嵌入功能，特别适用于有大量数据处理的控制场合，如电机控制、伺服系统、 工业自动化控制等。 1 2 2 数字信号处理器结构与特点 为了实现高速数字信号处理以及实时地进行系统控制，d s p 芯片一般都采用 了不同于c p u 和m c u 的特殊软硬件结构。当然在不同的公司，d s p 的结构不 尽相同，但在处理器结构和指令系统等方面有许多共同点。 d s p 芯片主要包含以下结构特点 1 9 , - 2 3 1 ： 1 ) 哈佛结构 为了进一步提高d s p 的处理速度，d s p 芯片内部一般采用哈佛结构。哈佛 结构的最大特点是计算机具有独立的数据存储空间和程序存储空例，即将数据和 程序分别存储在不同的存储器中，每个存储器单独编址、独立访问。相应地，系 统中有独立的数据总线和程序总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序 和数据存储在两个分开的空间中，因此取指令和执行能完全重叠。 2 ) 流水线操作技术 计算机在执行一条指令时，总要经过取指令、译码、取操作数、执行操作等 江苏犬学顽l 学位论文 几个步骤，需要若干个机器周期4 能完成。流水线与哈佛结构相关。d s p 芯片广 泛采用了流水线技术以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。流水 线技术是以哈佛结构和内部多总线结构为基础的。通常指令重叠数也称为流水线 深度，处理器可以并行处理2 q 条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。 3 ) 硬件乘法器 在控制系统的算法中，乘法和累加运算是使用率较高的基本运算。为了提高 d s p 处理器的运算速度，在d s p 内核当中都集成了硬件乘法器，并且设置了m a c 一类的指令。由于具有专用的应用乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成。 4 ) 丰富的片内外设 d s p 处理器为了自身工作的需要和与外部环境的协调工作，往往都设置了丰 富的片内外设。 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器。 通信接口模块。 定时器模块。 通用接口。 a d 转换模块。 p w m 模块。 j t a g 边界扫描逻辑电路。 1 2 3d s p 系统的优点 基于通用d s p 芯片的数字信号处理系统与模拟信号处理系统相比，具有以 下优点： 1 精度高，抗干扰能力强，稳定性好。精度仅受量化误差即有限字长的影响， 信噪比高，器件性能影响小。 2 编程方便，易于实现复杂算法( 含自适应算法) 。d s p 芯片提供了高速计算平 台，可实现复杂的信号处理。 3 可程控。当系统的功能和性能发生改变时，不需要重新设计、装配、调试。 如实现不同的数字滤波( 低通、高通、带通) 软件无线电中不同工作模式的电 台通信；虚拟仪器中的滤波器、频谱仪等。 6 江苏大学顾j ：学位论文 4 接口简单。系统的电气特性简单，数据流采用标准协议。 5 集成方便。 1 3 论文研究意义及内容安排 1 3 1 论文研究意义 由于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，在真空技术、静室、无菌车间、腐蚀性介 质或非常纯净介质的传输等领域具有广泛的应用前景，特别是无轴承电机驱动的 密封泵用于生物化工，半导体加工等领域，具有传统电气传动无法实现的优势。 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 巨大的影响。因此，在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数字控制系统的研究是实现永磁同步电机无轴承化的 关键，研究合适的数字控制系统对无轴承永磁同步电机的应用具有重要的意义。 因此，本论文着重进行了无轴承永磁同步电机数字控制系统的设计。主要从研究 永磁同步电机的基本理论开始，迸一步分析了无轴承永磁同步电机工作原理并建 立其数学模型，并且采用转子磁场定向的控制策略设计了无轴承电机的数字控制 系统。 1 3 2 本文内容安排 本文的研究工作主要包括以下几部分内容： 第一章阐述了无轴承电机研究、发展和应用现状，d s p 发展和产品情况。介绍 了论文主要工作安排。 第二章对普通永磁同步电机的基本结构和数学模型进行分析，阐述了加入径向 力绕组成为无轴承永磁同步电机后产生可控径向力的工作原理，并推导 了无轴承永磁同步电机的数学模型。结合转子磁场定向的矢量控制策 略，得出了数字控制系统的矢量控制框图。 第三章介绍了一种在多噪声、强干扰的环境下可实现对状态变量的参数估计的 7 江苏大学硕t 学位论文 扩展卡尔曼滤波器算法，并将此算法在无轴承永磁同步电机上的应用进 行了理论上的研究，并给出了仿真结论。 第四章详细阐述了无轴承永磁同步电机硬件系统的实现过程。本实验系统中硬 件系统主要由d s p 控制电路和功率驱动电路组成。在对d s p 数字评估 板分析的基础上，着重对硬件接口调理电路和i p m 自举电容充放电电路 进行了设计，并测量了部分试验波形。 第五章介绍了1 1 公司提供的c c s 2 0 0 0 软件调试环境，并结合评估板硬件和实 际硬件控制系统平台，完成了该数字控制系统中的所有工作，包括信号 的采集、测量、滤波、整形、转换等处理工作。详细介绍了软件系统中 各个功能模块及其作用，并给出了详细流程图。在结合系统软件调试的 基础上，给出了部分实验结果并进行了分析。 第六章总结本论文所做的主要工作，并对今后要做的进一步研究进行了简单描 述。 8 江苏大学硕l 学位论文 第二章无轴承永磁同步电机运行原理和数学模型 2 1 引言 由于普通永磁同步电机( p m s m ) 采用了永磁材料磁极，因此具有体积小、 重量轻、运行效率高、转动惯量小、动态性能好，结构紧凑和运行可靠等特点。 无轴承永磁同步电机正是基于普通永磁同步电机优点的基础上，将另一套悬 浮绕组按一定规律和转矩绕组一起叠压在定子槽中，两套绕组产生的磁场通过气 隙相互作用产生径向力，通过对径向力和转矩进行解耦控制就可实现转予悬浮， 从而实现永磁电机的无轴承化，为研制高速甚至超高速领域电力驱动系统提供技 术储备。 本章首先从普通永磁同步电机的基本结构和数学模型分析入手，然后阐述了 加入径向力绕组成为无轴承永磁同步电机后产生可控径向力的工作原理，推导了 无轴承永磁同步电机的数学模型。最后结合转子磁场定向的矢量控制策略，得出 了数字控制系统的矢量控制框图。 2 2 永磁同步电机的基本结构及数学模型 2 2 1 永磁同步电机的基本结构 普通永磁同步电机定予是由铁心和三相绕组构成，通常电枢绕组都是以y 型连接的；转子主要是用永磁体代替了电励磁。与普通电机不同的是永磁同步电 机必须装有转子永磁体位置检测器，它是用来检测磁极位置的。p m s m 的气隙 长度在物理上是均匀的，但是由于永磁材料的磁阻和铁磁材料磁阻不同，气隙磁 阻的分稚并不均匀。 根据永磁体在转子上安装的位置不同，永磁同步电机转子可分为表贴式、嵌 入式和内埋式三类，如图2 1 所示。表贴式和嵌入式结构可以减小转子直径，从 而降低转动惯量。在转轴上直接黏附永磁体，这样可以获得低电感，更有利于改 善电动机的动态性能。内埋式转子是将永磁体装在转子铁心内部，其磁路气隙比 较小，适用于弱磁控制。一般来说，为了更方便的控制电机，p m s m 的定子绕 组都采用短距分布绕组，气隙磁场设计为j 下弦波，用来产生正弦波。本实验中研 9 江苏大学霸上学位论文 究的也是这种正弦波供电的永磁同步电机。 ( a ) 表贴式( b ) 嵌入式( c ) 内埋式 图2 1 永磁同步电机转子三种结构图 因为表贴式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，且永磁材料的磁导率十分 接近空气的磁导率，交轴和直轴磁路对称，所以可以得到 k = k = k ( 2 1 ) 其中柑和。是d - q 轴的励磁电感，厶是励磁电感。 嵌入式转子则是将永磁铁嵌入在转子轴内部，因此交轴的电感大于直轴的电 感，即：三。 厶。并且除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 2 2 2 永磁同步电机数学模型 作为控制对象的数学模型应当能够准确地反应被控系统的动静态特性，而数 学模型建立的准确程度则关系到控制系统动静态性能的好坏。所以在数学模型建 立的过程中做如下的基本假设【2 4 l ： 不计铁心涡流与磁滞损耗； 在不影响控制性能的前提下，忽略电机铁心饱和，认为磁路是线性的，电感 参数不变； 转子上没有阻尼绕组： 永磁材料的磁导率为零； 三相绕组是对称、均匀的，转子永磁磁场在气隙空间分布为j 下弦波。定子绕 组中的感应电势也为正弦波。 通过上述假设，可以得到如图2 2 所示的永磁同步电机等效结构简图。图中 o a 、o b 、o c 为三相定子绕组的轴线，取转子的轴线与定子a 相绕组的电气角为口。 i o 江苏大学颤1 ：学位论文 讣蠢瓣雠 眨2 ， 2 | = 1 2 l 1 2 其中、是三相定子绕组的电压，、乇、t 是三相定子绕组的电流，、 甄、矿。是三楣定子绕组的磁链，、磊、是三帽定子绕组的电阻，且 = = = ，是转子磁场的等效磁链。 通过在永磁同步电机中建立固定于转子的参考坐标，取磁极轴线为d 轴，顺 着电角速度旋转方向超前9 0 0 电角度为g 轴，d 轴与参考轴。口之间的电角度为研 则d - q 旋转坐标系如图2 3 所示。 经过d - q 旋转坐标系的建立，在d - q 旋转坐标和三相静止坐标中电机模型之 自j 具有如下的关系： u 0 一 p 协抖 瞄仪却却 1旷ouoioio|1 口 豳2 3 永磁同步电机如旋转坐标图 ：；= 厅 v 2 6 0 s 0 一s i n 0 f 1 、2 。_ 一塾1 l 3j r 。2 万、 - 8 m l 扎了 厅 怯 c o 。0 一垒1 3 一s i n ( o 一一2 7 1 3 厅 、，i r 2 万、 瞄r 了j s m 一+ 塾1 l3 r v 2 。阽+ 丝1 l 3j r n2 万、 - 8 m l 了j 压 、f 2 一 l ( 2 4 ) 嘲 乇表示的是中线中的电流，由于在永磁同步电机定子绕组采用的是y 接法，所以 乇的值为零。 通过上述的一系列的假设与经过一系列的推导可以获得永磁同步电机在如 坐标轴下的数学模型【2 ”7 】。 定子电压方程： uj，d：=pole。d川-9iqca堋+flie。d1,11 p v i ( 2 6 ) 【q2q + 媚+ “ 其中“、u l q 为转矩绕组定子电压；。、。为转矩绕组定子磁链：为转予角 速度；为定子相绕组电阻；p 为微分箅子；“、。为止g 轴定子电流。 定子磁链方程为： i 旧= 厶d l 埘+ 缈r i 崎= 钒。 ( 2 7 ) 1 2 础 枷 压怄 压恬 i i 1，j 如如蜘 r。l 江苏大学预上学位论文 其中k 、厶，为咖轴定子线圈绕组自感；竹为转子上的永磁体产生的磁势，并 且妒f ；i f l 耐 电磁转矩方程为： 乙= a ( 。一。) ( 2 8 ) 将磁链方程( 2 7 ) 代入方程( 2 8 ) ，可以得到下式 乙= a l 。吩+ ( 厶。一三i 。) 。 ( 2 9 ) 由于在本实验中使用的为表贴式隐极永磁同步电机，即k = i 。= ，所以该式 可以简化为乙= b 吩毛。 永磁同步电机的运动方程为： 安：乙一瓦 ( 2 1 0 ) p l 出 。 、 其中j 为转动惯量：孔为负载转矩；a 为转矩绕组极对数。 2 3 无轴承永磁同步电机径向悬浮力产生机理 通常来说，传统的永磁同步电机在运行过程中存在着两种不同类型的电磁 力：麦克斯韦力和洛伦兹力。旋转磁场对场中载流导体施加的力称之为洛伦兹力。 永磁同步电机的旋转力矩就是基于洛伦兹力产生的。 磁路中在不同的磁导率的磁性物质边界上形成的磁张应力称之为麦克斯韦 力，该力作用方向均垂直于电机转子的表面。一般情况下，它比洛伦兹力要大得 多。如果电机中的磁通是对称分布的，其麦克斯韦合力为零，如图2 4 ( a ) 所示。 如果转子偏离了电机定子的中心引起电机磁通分布的不均匀，则麦克斯韦合力就 不为零，其作用方向和转子偏心的方向一致，这就是电机理论中的磁张应力效应， 如图2 4 ( b ) 。转子的偏离量越大，磁张应力也越大，该力的作用相当于一个负 刚度的弹簧作用力。要实现转子的悬浮，必须将负刚度转变为正刚度，这可以通 过控制悬浮力的大小和方向来实现。 江苏人学硕b 学位论文 ( a )( b ) 幽2 4 电机中麦克斯韦台力示意图 在永磁同步电机的转矩绕组( 极对数为只) 基础上，叠加另一套匝数不同极 对数为恳的悬浮绕组，这就构成了无轴承永磁同步电机。当在电机转矩绕组中 通入三相交流电后，将使电机产生旋转磁场和力矩，使转子旋转。当极对数满足 皆只1 时，电机中彳能产生可控的径向悬浮力。由于悬浮绕组的引入，打破了 电机原旋转磁场的平衡，使得电机气隙中一块区域磁场增强，而其另一对称区域 磁场减弱，其产生的麦克斯韦力将指向磁场增强的一方。如图2 5 ( a ) 所示的 无轴承永磁同步电机( p l = l ，恳= 2 ) 两个磁场的相互调制使得转子左右侧气隙磁 感应强度不均匀，其结果产生的麦克斯韦合力( 即径向悬浮力) 指向x 轴的正 方向；图2 5 ( b ) 中两个磁场的作用产生了沿y 轴正方向的悬浮力。通过转子 径向位移的负反馈控制，可以控制转轴上的径向力的大小和方向，从而实现转轴 的悬浮。与普通永磁同步电机一样，无轴承永磁同步电机也是通过洛伦兹力产生 旋转力矩盼，所以此处不在探讨。 ( a )( b ) 图2 5 加入悬浮绕组后的径向悬浮力产生示意图 2 4 无轴承永磁同步电机数学模型 无轴承永磁同步电机就是因为悬浮绕组的加入，使其成为比永磁同步电机更 复杂、高阶的非线性系统，而且也正是由于悬浮绕组通入的电流打破了转矩绕组 1 4 江苏大学醍l ：学位论文 产生的旋转磁场的平衡，从而产生了便转子悬浮的j 空同力。 设电机中的气隙磁密为b ，作用在转子表面面积微元刎上的麦克斯韦力为 抒= 等 其沿石，y 方向上的分量为 矧力2 去铲) c o s 咖 ( 2 1 2 ) 二“ 晖( 衍= 瓦r 艿2 ( 洲n 州妒 ( 2 1 3 ) 其中z 为电机定子铁心长度，r 为定子内径。 由于电机中的气隙磁密是由电枢绕组和控制绕组共同产生的合成气隙磁密， 即口8 j 联妒) = 宣c o s ( p 1 妒一) + 龟c o s ( 见妒一a ) ( 2 1 4 ) 将( 2 1 4 ) 代入( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 并分别积分运算，则当p ：= p 。+ 1 时，可得可 控的麦克斯韦力分量为： 只= f c o s ( 2 一) ( 2 1 5 ) f y = f s i n ( 2 一) - ( 2 1 6 ) 其中麦克斯韦力幅值f ； r 万b t b 2 。 2 l o 由于每极气隙磁通为； 稿：2 l r b i ，晚：2 l r b 2 ( 2 17 ) 巩p2 设一、他分别为转矩绕组和悬浮绕组的匝数，则每极气隙磁链可以表示为： = m 破r 妖= 嘞破( 2 t 8 ) 由于通入悬浮绕组的控制电流2 的作用1 4 ：= 厶：，其中厶：为悬浮 绕组互感。 由式( 2 。1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 及e 式可得： 江苏大学硕t 学位论文 只= n 跏 p 胁p 2 啊l 伤, 2 c 。s ( 2 - p ) ( 2 19 ) 弓2 啦奶2 s i n ( 8 l r z o n l n ，a 一) ( 2 2 0 ) y r l p ， 、。， 在同步旋转坐标系击g 坐标系下e 、，v 的数学表达式为： e = k 【i 2 d u l , 4 + 如g 崎) ( 2 2 1 ) 乃= ( 之。一一如一。) ( 2 2 2 ) 其中= 三1 2 鱼l r b 血o n n 2 d 、。为转矩绕组气隙磁链在以g 坐标轴下的分量， 乞、f 2 。为悬浮绕组电流在d 、q 坐标轴下的分量。 从上式中可以看出，无轴承永磁同步电机是一个强耦合的闭环控制系统，因 此，对两套绕组中力与电流之间的解耦控制是电机实现悬浮的核心。 2 5 无轴承永磁同步电机控制策略分析 永磁同步电机的矢量控制是一种基于磁场定向的控制策略，通常如果按照磁 链控制的方法可以划分出四种方案：转子磁链定向控制、定子磁链定向控制、气 隙磁链定向控制、阻尼磁链定向控制。当按照控制目标来划分时，控制策略主要 分为：“= 0 控制、c o s 伊= 1 控制、总磁链恒定控制、最大转矩电流控制、最大