（电力电子与电力传动专业论文）无轴承同步磁阻电机支持向量机逆系统解耦控制.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授 权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据 库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将 本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查 询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名：卯纪素 导师签名： 茸函私 签字日期： 汐f 年bf lt o - e l 签字日期：砂l f 年易月l y e t 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：匆钇专 日期：卅j 年6 月l q , 日 江苏大学硕士论文 摘要 无轴承同步磁阻电机继承了无轴承电机和同步磁阻电机的优点于一体，不但 具有无轴承电机无机械摩擦、无需润滑、无污染、寿命长、免维护的特点，同时 由于其转子特殊的凸极结构，该电机还具备同步磁阻电机转矩密度高、动态响应 快、转矩脉动低、功率因数高、结构简单、运行可靠、成本低廉等优点。因此该 电机可广泛应用于生命科学、制药行业、化工行业、半导体行业、食品工业等各 个领域，可在很多特殊的电气传动领域改变传统的传动和运输方式，对减小高速 驱动装置体积重量、提高产品质量、降低成本、减少污染起到重要作用，因此对 于该电机的研究也受到了国内外学者的广泛关注。 本论文是在国家自然科学基金项目( 6 0 9 7 4 0 5 3 ) 等资助下，对无轴承同步磁阻 电机的运行原理、数学模型、解耦控制策略以及数字控制系统设计进行了较为深 入的研究。论文主要内容包括： 首先，由于无轴承同步磁阻电机定子中嵌入两套绕组，其结构特殊，分析了 无轴承电机中不同的电磁力和它们产生的原因以及它们对电机运行所起的不同 作用。推导了理想情况下转矩子系统和悬浮力子系统的数学模型，给出了其运动 系统的数学模型。 其次，由于无轴承同步磁阻电机是一个多变量非线性强耦合系统，实现其电 磁转矩和径向悬浮力之问的解耦控制是无轴承同步磁阻电机稳定悬浮运行的基 本要求。本文针对目前使用矢量解耦控制中存在的诸多不足，提出采用最小二乘 支持向量机( l s s v m ) 逆系统方法对其进行解耦控制，构建了无轴承同步磁阻电 机这个连续系统基于l s s v m 的逆模型，将逆模型与无轴承同步磁阻电机原系 统进行串联，从而将复杂的非线性多变量原系统解耦成3 个相对独立的单输入单 输出伪线性子系统，设计了控制器，最后在m a t l a b s i m u l i n k 中进行了仿真试 验。仿真结果表明：该控制算法成功实现电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制， 系统具有良好的动、静态特性，验证了所提出控制方法的可行性。 最后，应用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 构建了无轴承同步磁阻电机数字控制系统， 开发了数字控制系统的硬件和软件，介绍了几个主要的控制模块，给出了硬件调 试的方法。 江苏大学硕士论文 关键词：无轴承电机，同步磁阻电机，最小二乘支持向量机，解耦控制，数 字控制 本课题得到国家自然科学基金项目( 6 0 9 7 4 0 5 3 ) ；江苏省自然科学基金 ( b k 2 0 0 9 2 0 4 ) ；高校博士点基金项目( 2 0 0 9 3 2 2 7 11 0 0 0 2 ) 资助 江苏大学硕士论文 a b s t r a c t t h eb e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o ri n h e r i t e st h ea d v a n t a g e so f b e a r i n g l e s sm o t o r sa n ds y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o r si no n eb o d y , n o to n l yh a st h e f e a t u r e so fb e a r i n g l e s sm o t o r sw i t hn om e c h a n i c a lf r i c t i o n , n ol u b r i c a t i o n , n o p o l l u t i o n ，l o n gl i f e ，m a i n t e n a n c e f r e ec h a r a c t e r i s t i c s ，b u ta l s oh a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c s o ft h es y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o r sw i t hh i g hm o t o rt o r q u ed e n s i t y , f a s td y n a m i c r e s p o n s e ，l o wt o r q u er i p p l e ，h i g hp o w e rf a c t o r , s i m p l es t r u c t u r e , r e l i a b l eo p e r a t i o na n d l o wc o s ta d v a n t a g e sb e c a u s eo ft h e i ru n i q u er o t o rs a l i e n ts t r u c t u r e s t h e r e f o r e ，t h e m o t o rc a nb ew i d e l yu s e di nl i f es c i e n c e ，p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y , c h e m i c a li n d u s t r y , s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , f o o di n d u s t r ya n do t h e rf i e l d s ，a n di ta l s oc a nb eu s e di n m a n ys p e c i a la r e a so fe l e c t r i cd r i v et oc h a n g et h et r a d i t i o n a lm o d eo ft r a n s p o r t t h e m o t o rw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nr e d u c i n gt h ew e i g h ta n dt h es i z eo fh i g h - s p e e d d r i v e ，i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t y , r e d u c i n g c o s t sa n d p o l l u t i o n s t u d yo ft h e b e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o rh a sa l s ob e e nc o n c e m e db ys c h o l a r sh o m e a n da b r o a d t h ed i s s e r t a t i o ni ss 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 f c h i n a ( 6 0 9 7 4 0 5 3 ) ，a n di t f o c u s e sm a i n l yo nt h em a t h e m a t i c sm o d e l ，d e c o u p l i n g c o n t r o l ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h eb e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o r t h e m a i nw o r kf r o mo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sp r e s e n t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h e r ea r et w os e t so fw i n d i n g si nt h eb e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c e m o t o la n a l y s i so nt h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h ed i f f e r e n tk i n d so fm a g n e t i cf o r c ei nt h e m o t o ra n dt h er o l eo ft h ef o r c eo nt h em o t o rr u n n i n ga r eg i v e n d e r i v e di d e a l l yt o r q u e s u b s y s t e ma n dl e v i t a t i o nf o r c es u b s y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e l ，p r o v e di t sm o t i o n m a t h e m a t i cm o d e lo ft h es y s t e m s e c o n d l y , ab e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o ri s am u l t i v a r i a b l e ， n o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l e dc o m p l i c a t e dn o n l i n e a rs y s t e m t h ed e c o u p l i n gc o n t r o l o fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n ds u s p e n s i o nr a d i a lf o r c ei st h ep r e m i s eo ft h es t a b l e o p e r a t i o no ft h eb e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e p r i n c i p l e o f b e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u s r e l u c t a n c em o t o ri s e x p a t i a t e d a n di t s 1 1 1 江苏大学硕士论文 m a t h e m a t i c a lf o r m u l ai s e s t a b l i s h e d ，t h e nt h ed e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o do ft h e m u l t i v a r i a b l eb a s e do nl e a s ts q u a r e s s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( l s s v m ) i sp u t f o r w a r d ，a n di n v e r s es y s t e m o fb e a r i n g l e s s s y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o ri s c o n s t r u c t e db ya d o p t i n gl s s v mt oa c h i e v et h ed e c o u p l i n go fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e a n ds u s p e n s i o nr a d i a lf o r c e t h eg a i n e dl s s v mi n v e r s em o d e l sa r ei ns e r i e sb e f o r e t h eo r i g i n a ls y s t e mt od e c o u p l eac o m p l e xn o n l i n e a rm u l t i v a r i a b l es y s t e mi n t ot h r e e r e l a t i v e l yi n d e p e n d e n ts i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ( s l s o ) p s e u d o l i n e a rs u b s y s t e m s a tt h es a m et i m e ，c o m p o u n dl i n e a rc o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e d t h ed i g i t a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n th a sb e e nc a r d e do u tb ym a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h a v ev a l i d a t e dt h a t d e c o u p l i n gc o n t r o l i nt h et r a n s i e n tc a s ec a nb ea c h i e v e d s u c c e s s f u l l y , g o o dp e r f o r m a n c eo fd y n a m i ca n ds t a t i cs t a t eo fs y s t e ma l s oc a nb e o b t a i n e d ，a n dt h e s ed e m o n s t r a t ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d 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 mi sc o n s t r u c t e du s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 12o ft i c o r p o r a t i o n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d ，t h e f l o w c h a r t so fe a c hf u n c t i o n a lb l o c ko fs o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ed e b u g g i n gm e t h o d a r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：b e a r i n g l e s sm o t o r ，s y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o r , l e a s ts q u a r e s s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( l s s v m ) ，d e c o u p l i n gc o n t r o l ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c hs p o n s o r e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 6 0 9 7 4 0 5 3 ) ，t h e n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fj i a n g s up r o v i n c e ( b k 2 0 0 9 2 0 4 ) a n dt h er e s e a r c h f u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a mo f h i g h e re d u c a t i o no fc h i n a ( 2 0 0 9 3 2 2 7 110 0 0 2 ) 江苏大学硕士论文 目录 第一章绪论1 1 1 无轴承电机发展概述一1 1 1 1 无轴承电机的特点1 1 1 2 无轴承电机研究概况2 1 2 无轴承同步磁阻电机发展与研究现状3 1 2 1 无轴承同步磁阻电机的研究意义3 1 2 2 无轴承同步磁阻电机的研究现状4 1 2 3 无轴承同步磁阻电机中的关键技术5 1 3 论文研究内容与安排6 1 3 1 本课题研究内容6 1 3 2 本文研究内容安排7 第二章无轴承同步磁阻电机基本原理和数学模型9 2 1 引言9 2 2 无轴承同步磁阻电机运行原理9 2 2 1 无轴承同步磁阻电机的基本结构9 2 2 2 无轴承同步磁阻电机中的磁场分布1 1 2 2 3 无轴承同步磁阻电机的悬浮原理。1 3 2 3 无轴承同步磁阻电机数学模型15 2 3 1 转矩子系统数学模型15 2 3 2 悬浮力子系统数学模型1 6 2 3 3 电机运动方程模型。19 2 4 本章小结：1 9 第三章无轴承同步磁阻电机解耦控制2 1 3 1 引言：2 1 3 2 支持向量机逆系统解耦控制原理2 1 3 2 1 支持向量机逆系统结构2 l 3 2 2 最小二乘支持向量机的关键技术2 9 3 2 3 最小二乘支持向量机的解耦原理3 1 3 3 无轴承同步磁阻电机解耦控制3 3 3 3 1 无轴承同步磁阻电机转矩子系统控制策略3 3 3 3 2 无轴承同步磁阻电机系统状态方程3 4 3 3 3 无轴承同步磁阻电机系统可逆性分析3 6 3 3 4 基于最小二乘支持向量机逆系统的解耦模型3 6 3 4 无轴承同步磁阻电机仿真与结果分析3 9 3 4 1 无轴承同步磁阻电机复合系统的构建3 9 江苏大学硕士论文 3 4 2 无轴承同步磁阻电机的仿真结果与分析4 0 3 5 本章小结4 l 第四章无轴承同步磁阻电机数字控制设计4 3 4 1 引言4 3 4 2 无轴承同步磁阻电机数字控制硬件系统设计4 3 4 2 1 数字信号处理器d s p 的选择4 3 4 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 最小系统设计一4 4 4 2 3 主功率驱动电路的设计4 6 4 2 4 传感器电路设计5 0 4 3 无轴承同步磁阻电机数字控制系统软件构成5 2 4 3 1 主程序构成。5 2 4 3 2 中断子程序构成5 3 4 3 3 控制系统主要功能模块5 5 4 4 无轴承同步磁阻电机解耦控制试验方法5 8 4 5 本章小节5 8 第五章总结与展望5 9 5 1 论文所做主要工作：5 9 5 2 需迸一步研究的工作6 0 致谢6 2 参考文献6 3 攻读硕士期间发表论文6 6 江苏大学硕士论文 图表说明 图2 1 磁轴承支撑的电机结构示意图9 图2 2 二自由度无轴承电机结构示意图1 0 图2 3 五自由度无轴承电机结构示意图。1 1 图2 4 洛仑兹力和麦克斯韦力产生原理图1 2 图2 5 径向力产生原理1 4 图2 6 转子偏心时气隙长度1 7 图3 1 单位逆系统及其复合系统2 2 图3 2a 阶逆系统及其复合系统2 2 图3 3 基于a 阶逆系统的线性化和解耦2 3 图3 4 支持向量机逆系统模型的构建一2 7 图3 5 支持向量机辨识逆模型结构2 9 图3 6 采用l s s v m 辨识非线性系统结构示意图3 1 图3 7 连续系统基于l s s v m a 阶逆系统的线性化和解耦3 3 图3 8 转子磁场定向控制下系统框图3 4 图3 9 无轴承同步磁阻电机解耦控制。如3 8 图3 1 0 基于l s s v m 逆系统的复合控制结构图。k3 9 图3 1 1 系统仿真框图3 9 图3 1 2 转子起浮特性4 0 图3 1 3 转速及位移曲线4 1 图3 1 4 转速及干扰情况下位移曲线4 1 图4 1 最小系统设计结构框图。4 4 图4 2 电源电路。4 4 图4 3 复位电路。4 5 图4 4 转速及位移曲线。4 5 图4 5j t a g 接口电路4 5 图4 6 功率驱动电路的拓扑结构4 6 图4 7 电流滞环原理4 8 图4 8 故障信号检测电路4 9 图4 9 转子径向位移接口电路51 图4 10 电流信号转换电路51 江苏大学硕士论文 图4 11 光电编码器接口电路5 2 图4 1 2 主程序流程图5 3 图4 13 中断子程序流程图5 3 图4 1 4 无轴承同步磁阻电机旋转和悬浮程序流程图5 4 图4 1 5 转子定位中断流程图5 4 图4 16a d 转换子程序流程图5 6 江苏大学项士论文 1 1 无轴承电机发展概述 第一章绪论 现代工业的发展，对电机运行速度要求越来越耐1 1 。由于传统高速电机运行 时其转子机械轴承存在磨损加剧等问题，上世纪6 0 年代学者们提出了有源电磁 轴承支撑的电机，利用磁场力将转子悬浮，使得定、转子间没有任何机械摩擦， 有效地解决了传统轴承在这方面的不足。上世纪8 0 年代末提出将电磁轴承中产 生径向力的绕组叠压到电机定子绕组上，使电机转子同时具有旋转和自悬浮支撑 能力，即磁悬浮无轴承电机。随着电力电子技术、高性能的数字信号处理器和高 精密传感器技术的发展，直到1 9 9 0 年世界上第一台无轴承原理样机由瑞士联邦 工学院学者j b i c h s e l 实现后 2 】，无轴承电机技术才受到国内外众多专家学者的 广泛关注。1 9 9 1 年r s c h o b 实现了交流电机的无轴承技术【3 】，随后其他学者又 分别研制出永磁薄片型无轴承电机、交替极式无轴承电机以及基于永磁被动磁悬 浮轴承支撑的无轴承电机等，这些新颖的结构突破了传统的电机设计观念，为无 轴承电机的设计开阔了眼界、提供了新的参考依据。 1 1 1 无轴承电机的特点 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作用，有意破坏气隙磁场应有的均匀性，同时产 生电机运行所需的转矩和悬浮力【4 】，它继承了传统磁轴承电机无润滑、无磨损、 无机械噪声等特点。 与传统机械轴承、气浮轴承、液浮轴承及电磁悬浮的磁轴承电机相比，无轴 承电机具有如下优点【5 】： 1 无轴承电机结构紧凑，其控制悬浮力的绕组嵌入在电机的定子上，不占 用额外的轴向空间，同等功率条件下电机体积可以设计的比较小。可有效克服磁 轴承电机中存在的体积大的问题。 2 无轴承电机由于充分利用电机轴向空间，减小了轴长，电机的临界转速 江苏大学硕士论文 可以大幅度提高。针对无轴承电机的双端悬浮驱动结构，不仅可以提高电机输出 转矩，而且由于两端所受扭矩对称，转轴所受剪切应力很小，因此可以大大提高 转轴的强度和使用寿命。 3 与传统磁轴承需要附加励磁电源来产生偏置电流而产生电磁力来维持转 子悬浮相比，无轴承电机转子悬浮力产生是基于电机中不均匀的旋转磁场，不需 要独立的励磁电源，这就使得悬浮力控制系统结构趋于简单，维修方便，电能消 耗小。 4 无轴承电机的主要缺点是电机定子中嵌入两套绕组，需要改变电机定子 结构、刚度较滚动轴承小、必须使用控制器实现悬浮、电机转子悬浮是以电机旋 转工作为基础，在危险情况下应变能力弱，因此需要配备辅助轴承，并且无轴承 电机是一个复杂的多变量、强耦合、非线性系统，目前还处于发展阶段，不能形 成大批量生产，实际应用比较少。 1 1 2 无轴承电机研究概况 自从第一台无轴承原理电机被研发出来以后，无轴承技术便受到国内外学者 的广泛关注，目前从电机结构上来看，无轴承电机技术主要集中在无轴承异步电 机、无轴承永磁电机以及无轴承磁阻电机等三种类型的无轴承交流电机上。其中， 异步式无轴承电机具有结构简单、可靠性高、易于弱磁以及能够产生较大的悬浮 力等特点，是研究最早、最多类型之一【6 】。为实现无轴承异步电机中转矩部分与 悬浮力部分之间的解耦控制，r s c h 6 b 在1 9 9 4 年将矢量控制技术应用到异步式 无轴承电机控制当中，即转矩控制的实现依靠转矩绕组应用转子磁场定向技术来 实现【7 ，引。随后t s u z u k i ，a c h i b a 等人又提出了基于气隙磁场定向的无轴承技术， 不仅实现了转矩子系统和悬浮力子系统之间的解耦控制，而且实现了动态稳定悬 浮【9 1 1 1 。 无轴承永磁电机具有体积小、重量轻、损耗小、功率密度大、效率高等显著 优点，而且永磁体转子上无感应电流产生，使得悬浮力控制与转矩控制之间是独 立的，不存在悬浮力幅值小和相位滞后问题，因而永磁同步电机无轴承技术得到 了广泛研列1 2 】。m o s h i m a ，yo k a k a ，d d o r r e l l 等人对无轴承永磁同步电机永 磁体厚度的选取以及悬浮特性做了深入研究，并提出采用埋入式转子，解决了可 2 江苏大学硕士论文 控悬浮力小的问题，从而提高了电机悬浮力控制性能1 3 - 1 s l 。 无轴承磁阻型电机结构简单，制造和维护方便，容错能力强，鲁棒性能好， 适用于高温等恶劣环境中。无轴承磁阻型电机可分为无轴承同步磁阻电机和无轴 承开关磁阻电机两类【幡1 8 】。其中无轴承同步磁阻电机开展研究的时间较早，在 后面章节会进行详细介绍，而无轴承开关磁阻电机直到上世纪9 0 年代末才有比 较系统的研究成果公开发表，a c h i b a , t a k e m o t o 等人对无轴承开关磁阻电机从 数学模型到控制策略都进行了深入的研究【1 蝴1 1 。 国内无轴承电机研究工作起步较晚，已有浙江大学、西安交通大学、沈阳工 业大学、南京航空航天大学、江苏大学等数家单位开展了这项研究，浙江大学对 无轴承异步电机的悬浮力解析模型和优化气隙磁场控制进行了研究，并对永磁类 无轴承电机的无传感技术进行了探索和研究；西安交通大学对无轴承电机的基础 理论进行了探索与研究；沈阳工业大学针对小容量无轴承永磁同步电机不同类型 结构的电机转矩与悬浮力进行了研究，对考虑气隙偏心下的悬浮力的建模和分析 做出了贡献；南京航空航天大学在无轴承电机的磁场定向，磁链观测及悬浮系统 独立控制等诸多方面进行了深入研究；江苏大学在永磁类无轴承电机、感应式无 轴承电机及磁阻类无轴承电机等方面做了很多的研究性工作。国内这些研究机构 借鉴国内外成功实现电机无轴承技术的经验，分别在理论和实验方面取得了一些 成绩，但要在国内实现无轴承电机的商品化、实用化，要走的路还很长。 1 2 无轴承同步磁阻电机发展与研究现状 1 2 1 无轴承同步磁阻电机的研究意义 同步磁阻电机转子结构简单，其定子和磁轴承定子结构相似，因此可以将磁 轴承电机中的悬浮绕组叠绕在同步磁阻电机定子上，这就是无轴承同步磁阻电机 概念的由来，无轴承同步磁阻电机除了具备般无轴承电机的优点外，同时具备 同步磁阻电机的特性。 同步磁阻电机转子结构特殊，没有励磁绕组或者永磁体，无需考虑弱磁效应， 其运行安全可靠。该种机转矩依靠转子在直轴和交轴气隙间磁阻不同而产生，磁 阻电机凸极比越大产生的磁阻越大，转子采用各向异性轴分层结构可以实现较高 江苏大学硕士论文 的凸极比，同时极大地改善了转矩密度、功率因数，使得同步磁阻电机取得了很 大的发展，并且这些性能指标基本上达到同尺寸大小的感应电机水平，与同定额 的感应电机相比，由于同步磁阻电机转子损耗很小，因此其效率高于感应电机。 同步磁阻电机由于其转子结构简单，电机系统的控制复杂度大大减低，控制 系统成本小，同时其转子制造成本也比较低。同步磁阻电机正是具备诸多优势， 因此在现代高品质( 高效率、高转矩密度、高精度、快速响应、宽调速) 的交流调 速传动系统中得到越来越广泛的应用。 1 2 2 无轴承同步磁阻电机的研究现状 无轴承同步磁阻电机相比于其他类型的无轴承电机，具有结构简单坚固、转 子无绕组、控制简单等优势，因此国内外对无轴承同步磁阻电机进行了大量的理 论和实验研究。1 9 9 0 年，日本东京科技大学的a c h i b a 等人首次实现同步磁阻 电机的无轴承技术，并且电机的功率和转速分别达到了1 2 1 k w 和1 2 0 0 0 r p m t 2 2 1 。 针对无轴承同步磁阻电机运行中转子偏心问题以及磁饱和对电机的运行性能的 影响a c h i b a ，l h e r t e l ，w h o f m a n n 等人都进行了大量的研究，但没有具体阐 述该电机结构对稳定悬浮的影响【1 7 ，2 3 之5 1 。m t a k e m o t o ，k y o s h i d a 等人在此基础 上参考传统同步磁阻电机导磁材料和非导磁绝缘材料复合转子结构，讨论了具有 多磁路隔栅结构转子的无轴承同步磁阻电机电磁转矩和悬浮力产生机理与特性， 通过实验研究发现这种结构的电机可以获得很高的凸极比和良好的转矩性能 t 2 6 。但是由于无轴承同步磁阻电机中磁阻的存在，交、直轴间存在严重的耦合 关系，为实现电机的稳定运行，学者们在简化的电机数学模型的基础上对解耦控 制也进行了深入的研究以及对考虑一定磁饱和情况下的电机解耦控制策略进行 了研究【2 3 2 5 朋，本文也是在前面学者研究的基础针对电机中的耦合关系讨论如何 实现该电机的解耦及稳定运行。到目前为止，国内外对无轴承同步磁阻电机的研 究仍停留在理论和样机试验阶段，还未见有工业产品相关的报道。国内对这方面 的报道亦非常少，只有江苏大学的朱烷秋老师在进行这一领域的相关探索研究 2 7 , 3 s 。 4 江苏大学硕士论文 1 2 3 无轴承同步磁阻电机中的关键技术 目前对无轴承同步磁阻电机的研究主要集中在理论分析和试验样机阶段，要 实现无轴承同步磁阻电机的大功率化、高速化、实用化还需围绕以下几个关键技 术进行深入研究。 1 无轴承同步磁阻电机精确的数学模型 无轴承同步磁阻电机转矩部分和悬浮力部分的数学方程间具有非常强的非 线性耦合关系，而现有的研究多采用磁共能法、麦克斯韦张量法、有限元法等来 建立转矩绕组和悬浮力控制绕组的数学模型，无法反映两者间的动态非线性耦 合。想要获得高品质的转矩与悬浮力控制性能，需要建立准确的数学模型，但如 果将铁心磁饱和效应、定子齿槽效应、谐波分量以及转子偏心等因素都考虑进去 无轴承同步磁阻电机的数学模型将会变得非常复杂，影响控制系统的构建，因此 如何综合考虑各种因素对电机控制性能的影响，建立有效的机电能量转换基本方 程是进一步研究无轴承同步磁阻电机的一个重要研究议题。 此外，现有对无轴承同步磁阻电机数学模型的研究主要集中在径向两自由度 悬浮的无轴承电机上，而对五自由度悬浮的电机系统数学模型研究还比较少，从 整个大系统的角度结合转子动力学和现代控制理论开展五自由度悬浮数学模型 的研究也是无轴承同步磁阻电机系统走向实用化的关键技术所在。 2 无轴承同步磁阻电机结构、参数研究 无轴承同步磁阻电机本体研究包括两个方面，一是对无轴承同步磁阻电机转 子优化的设计，由于同步磁阻电机的几乎所有重要性能参数都依赖于凸极比，对 转子设计的最大目标就是可以获得高的凸极比。同步磁阻电机的转子设计经历了 由“迭压结构到分段式转子结构到轴向迭压转子结构几个过程，都是为了提高 转子的凸极比以及对转子凸极比的优化。对于无轴承同步磁阻电机在设计时应该 同时兼顾转子高的凸极比和良好的转矩性能。 另一个方面是对无轴承同步磁阻电机定子尺寸、定予槽形优化、两套绕组匝 数和线径及其绕制方式的设计研究。转矩绕组的设计决定了电机的转速、转矩等 性能指标，悬浮力绕组设计决定了电机磁悬浮力指标，如何能从电机设计之初即 能实现悬浮绕组优化设计并对其悬浮力和悬浮性能进行预测和掌握，这也是该电 机设计中的一大难点。传统的设计方法是借鉴普通同步磁阻电机和无轴承异步电 5 江苏大学硕士论文 机的设计思路，但其运行原理和结构的特殊性决定其设计比较独特，目前尚无成 熟的理论和经验【2 8 1 。 无轴承同步磁阻电机参数随不同工作环境而发生变化，应用直接磁场定向或 独立控制等方法虽然可以很大程度上消除参数变化的影响，但同时带来电机结构 的复杂和相应的参量检测等问题，如何设计有效实用的考虑参数变化的控制系 统，是当前面临的关键技术之一。 3 无轴承同步磁阻电机控制策略 由于无轴承同步磁阻电机转子的悬浮是依靠定子上转矩绕组和悬浮力绕组 相互作用的结果，实现电磁转矩和悬浮力转矩之间的解耦控制可以使得悬浮力控 制摆脱转矩控制绕组磁场定向控制精度以及其参数变化带来的影响，同时实现转 矩绕组控制不再受悬浮理论制约，可提高系统的可靠性和稳定性。 无轴承同步磁阻电机本身是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，相应 参数的测量、辨识或采用补偿控制可有效提高经典p i d 控制器在电机参数发生 变化时系统的稳定性，目前采用的解耦控制策略中前馈法是在已知精确的数学模 型基础上通过求解前馈补偿器实现转矩控制与悬浮力控制问的耦合关系；神经网 络逆系统控制策略需要大量的训练样本数据，训练时间长，控制器设计复杂；微 分几何解耦控制策略需要将问题变换到几何域中，使用的数学工具复杂抽象。因 此选择稳定性好、鲁棒性强、适用面广的控制策略设计出优良的控制器，以提高 无轴承同步磁阻电机系统的稳定性和动态特性是研究的一个难点。同时五自由度 无轴承同步磁阻电机系统属于典型的机电一体化强耦合、非线性、时变不确定的 机电耦合系统，其鲁棒性控制与不平衡补偿控制研究涉及到机械工程、电工科学 以及控制理论等多个学科的交叉领域，这也是无轴承同步磁阻电机一个重要研究 课题。 1 3 论文研究内容与安排 1 3 1 本课题研究内容 针对无轴承同步磁阻电机这个多变量非线性强耦合系统，由于目前使用的矢 量解耦控制中存在计算复杂、控制性能受参数变化影响大等问题，而逆系统或神 6 江苏大学硕士论文 经网络逆解耦控制方法存在运算量大、过学习、局部极点小、结构和类型设计依 赖于专家经验等缺陷，本文提出了一种新型解耦控制方法一最小二乘支持向量 机( l s s v m ) 逆系统解耦控制方法。为实现其电磁转矩和悬浮力之间的解耦控制， 首先阐述了无轴承同步磁阻电机工作机理，推导了其数学模型，在此基础上采用 l s s v m 逆系统解耦控制方法对无轴承同步磁阻电机进行解耦控制。针对输入与 输出的关系将原系统解耦成3 个相对独立的单输入单输出( s l s o ) 伪线性子系统， 并设计附加控制器来实现伪线性系统的控制。 1 3 2 本文研究内容安排 本课题的主要研究工作如下： 第一章首先介绍了无轴承电机的特点、国内外对无轴承电机的研究概况， 在此基础上简要介绍了无轴承同步磁阻电机的研究意义与研究现状。其次针对无 轴承同步磁阻电机的结构特点概括分析了其在研究过程中的几个关键技术。最 后，简述了本课题的研究内容与论文安排。 第二章介绍了经典二自由度和研究常用的五自由度无轴承电机结构图，简 单析他们各自的优缺点。详细阐述了无轴承同步磁阻电机中的磁场分布以及它们 对电机运行的作用。最后根据麦克斯韦张量法推导了悬浮力子系统的数学模型， 并给出了转子偏心时电机中悬浮力的数学公式以及系统的运动方程。 第三章介绍了逆系统的相关定理与概念，对逆系统解耦的原理进行了简单 的阐述，针对逆系统在解耦控制中的不足详细介绍了支持向量机和最t j 、- 乘支持 向量机的辨识原理以及回归运算，在目前支持向量机逆系统广泛运用于离散系统 的解耦控制的基础上将其扩展到对非线性连续系统的解耦中，结合逆系统相关原 理推导出了最小二乘支持向量机对多输入多输出非线性连续系统的逆系统解耦 控制的数学模型。根据系统的状态方程采用i n t e r a c t o r 算法验证该系统的可逆性。 结合无轴承同步磁阻电机的数学模型，将该方法用于无轴承同步磁阻电机系统的 解耦控制中。最后在m a t l a b s i m u l i n k 软件中对所提出来的控制策略上进行相关 验证。 第四章介绍无轴承同步磁阻电机数字控制最小系统的设计方法，给出了系 统基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的总体控制框图，设计无轴承同步磁阻电机控制系统的硬 7 江苏大学硕士论文 件电路，最后开发无轴承同步磁阻电机数字控制系统的控制软件。 第五章总结与展望部分，总结本文所做主要工作及取得的研究成果，并且 提出进一步值得研究的问题。 8 江苏大学硕士论文 第二章无轴承同步磁阻电机基本原理和数学模型 2 1 引言 由于无轴承同步磁阻电机定子由两套绕组构成即转矩绕组和悬浮力绕组，利 用悬浮力绕组产生的磁场来改变气隙中合成磁场的分布，从而产生径向悬浮力