（电力电子与电力传动专业论文）无轴承异步电机悬浮子系统独立控制的研究.pdf

重塑至墨圭皇塑：垦堡王墨堑塑兰堡型盟堑茎 一 a b s t r a c t t h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , w h i c hi n t e g r a t e si n d u c t i o nm o t o ra n dm a g n e t i c b e a r i n g ，h a st h ef u n c t i o no f r o t a t i o na n ds e l f - l e v i t a t i o n i th a sb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c h w o r ko n h i g hs p e e dm o t o r s i n c e1 9 9 0 s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h eb a s i ct h e o r yo fi n d e p e n d e n tc o n t r o lo fl e v i t a t i o n s u b s y s t e mo f b e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h ep r i n c i p l eo fi n d e p e n d e n tc o n t r o lo fl e v i t a t i o ns u b s y s t e mo f b e a r i n g l e s si n d u c t i o n m o t o rb a s e do nu im o d e li sd e s c r i b e di nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h ek e yp r o b l e m so fa i r g a p f l u xe s t i m a t i o no f d f i v ec o n t r o lw i n d i n gb a s e do nu im o d e la r ea n a l y z e d t h e ya r e ： h o wt oo b t a i nt h ep h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n to f d r i v ec o n t r o lw i n d i n g ； h o wt og e tt h es t a t o rp a r a m e t e r so f d r i v ec o n t r o lw i n d i n g ； h o wt oi m p l e m e n tt h e p u r ei n t e g r a t o ra l g o r i t h m ? t oa c q u i r et h ep h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n to fd r i v ec o n t r o lw i n d i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t sa n o v e ls t a t o rv o l t a g ee s t i m a t i o nm e t h o d t h es t a t o ry o l t a g ei sr e c o n s t r u c t e df r o m t h ed u t yc y c l e sa n dd cl i n kv o l t a g eo ft h ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r t h e r e f o r e ，t h ev o l t a g e s e n s o r sm a yb ee l i m i n a t e da n dt h ec o s to f t h ec o n t r o ls y s t e mc a r lb er e d u c e d t oo b t a i nt h e s t a t o r p a r a m e t e r s ，t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sa no n - l i n es t a t o r p a r a m e t e r e s t i m a t i o n m e t h o d ，w h i c hg a i n st h ep a r a m e t e rb ys o l v i n gt h el e a s ts q u a r em i n i m i z a t i o np r o b l e mo f z e r o s e q u e n c em o d e l t or e a l i z et h ep u r ei n t e g r a t o ra l g o r i t h m ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sa n o v e la n ds i m p l ei n t e g r a t i o na l g o r i t h mw i t ia p r o g r a m m a b l eb a n d p a s sf i l t e ri ns e r i e sw i t h t h ep u r ei n t e g r a t o r t h el o w e ra n du p p e rc u t - o f ff r e q u e n c i e so ft h eb a n d p a s sf i l t e ra r es e t t ot h es y n c h r o n o u s f r e q u e n c y o fi n d u c t i o nn l t o t o r a f t e rt h et h r e ep r o b l e m sa r es o l v e d ，t h ep e r f o r m a n c e so fi n d e p e n d e n tc o n t r o lo f l e v i t a t i o ns u b s y s t e mb a s e do nu im o d e la r ei n v e s t i g a t e di nm a t l a b s i m u l i n k w h a t sm o r e ， t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o ri sc o n s t r u c t e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sv e r i f yt h a tt h es t a b l eo p e r a t i o nc a r lb er e a l i z e du n d e rt h ec o n t r o ls t r a t e g yi n t r o d u c e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n 。 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 ，i n d e p e n d e n tc o n t r o l o fl e v i t a t i o ns u b s y s t e m , 硝r g 印f l u xl i n k a g e ，d u t yc y c l e o f s w i t c h i n g ，s t a t o r p a r a m e t e r e s t i m a t i o n ， z e r o s e q u e n c ec u r r e n t ，l e a s ts q u a r ee s t i m a t i o n ，i n t e g r a t i o na l g o r i t h m u 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书1 作者签名： 日期：姗r 、；， 南京航空航天大学硕士学位论文 、主要符号与名称 注释表 符号名称基本符号名称 转矩控制绕组电机定子电流在叩轴 l 口，ls 8 ! 且 气隙磁密幅值 上的分量 悬浮控制绕组 岛 l t 口，l s b l t c 电机定子三相电流 气隙磁密幅值 d a ，d 8 ，d c 开关占空比j r电机转子电流 8 感应电动势 l j o 零序电流 e感应电动势幅值 j 电机转动惯量 磁动势 f 电机有效铁心长度 径向悬浮力转矩控制绕组 f x ，fvl 。 在删轴上的分量定子漏感 不平衡磁拉力转矩控制绕组 足，瓦l ， 在叫轴上的分量转子漏感 外加径向负荷悬浮控制绕组 只，只t 2 f 在础轴上的分量定子漏感 ，。 转矩控制绕组定子电流悬浮控制绕组 z n d z5 l 。 ，“ 在由轴上的分量转子漏惑 ，转矩控制绕组定子电流 l 口，0 l 口l 电机定子漏感 在叩轴上的分量 转矩控制绕组转子电流 t 一，“。t 电机定子自感 在由轴上的分量 转矩控制绕组转子电漉 l r l 口，i r t f l 上，电机转子自感 在口口轴上的分量 悬浮控制绕组定子电流转矩控审绕组 0 2 d j ，2 目k 。 在由轴上的分量定转子互感 悬浮控制绕组定子电流悬浮控制绕组 l s 2 口，i s 2 , gk ： 在祁轴上的分量 定转子互感 - 1 5 电机定子电流三。电机定转子互感 无轴承异步电机悬浮子系缆独立控制的研究 l p微分算子 m ，“仆 “f 电机定予三相电压 i n 转矩控制绕组 电杭转子电压 “； 极对数 i p ： 悬浮控制绕组电机定子电压在“轴 “5 a ，“、口 极对数上的分量 j ， 电机转子外径 “。电机定子电压 f 转矩控制绕组 u 出 直流电压 定子电阻 f 转矩控制绕组 m 转矩控制绕组 转子电阻每相串联匝数 悬浮控制绕组悬浮控制绕组 r 2 定子电阻每相串联匝数 悬浮控制绕组转矩控制绕组气隙磁链 r ，2d ，a 转子电阻在由轴上的分量 转矩控制绕组气隙磁链 蜀 电机定子电阻审i 。，眠8 在叩轴上的分量 电机气隙磁链 r ，电机转子电阻v 。，掣8 在叩轴上的分量 【 开关周期 气隙磁链 转矩控制绕组定子磁链 疋 负载转矩虬l d ，y n d 在由轴上的分量 转矩控制绕组定子磁链 t 电磁转矩 妒j 1 口i 妒5l 4 在叩轴上的分量 转矩控制绕组转子磁链 t 。m ，t 。8 tt a 开关管导通时间”l d ，l 。 在由轴上的分量 转矩控制绕组定子电压转矩控制绕组转子磁链 “j l d “n 1 r i 口，弘，i d 在由轴上的分量 在础轴上的分量 转矩控制绕组转予电压电机定子磁链 “r l d d ，t 口毕。，毕。b 在幽轴上的分量 在鲫轴上的分量 转矩控制绕组定子电压 d s l a ，“n 口织电机定子磁链 在邪轴上的分量 转矩控制绕组转子电压悬浮控制绕组气隙磁链 r l 口，r 1 0矿2 d ，2 4 在祁轴上的分量 在由轴上的分量 x 南京航空航天大学硕士学位论文 !：。，y ：卢 悬浮控制绕组气隙磁链 珊。转子角速度 在叩轴上的分量 i q 转矩控制绕组悬浮控制绕组 出、 定子角频率 一 定子角频率 | 五 悬浮控制绕组气隙磁势转矩控制绕组气隙磁势 与其定子磁势的夹角与其定子磁势的夹角 妒定子空间上的机械角度 掣。 气隙磁导率 二、主要下标符号及意义 l下标符号 意义 下标符号 意义 口零序分量f漏感 ，转矩控制绕组直轴分量 2悬浮控制绕组 叮交轴分量 s定子分量甜口轴分量 ，转子分量 8 口轴分量 x i 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 无轴承电机的研究意义 第一章绪论 随着科学技术的进步，高速和超高速电机在机床主轴、涡轮分子泵、离心机、压 缩机、机电贮能、航空航天等领域获得了广泛的应用。支撑轴承技术一直是高速电机 发展的瓶颈。高速电机一般采用气浮、液浮或磁浮轴承。气浮和液浮轴承需要配备专 门的气压和液压系统，造成电机系统结构复杂、能耗增大、效率降低。磁浮轴承具有 无磨损、无润滑、无机械噪声和结构简单等优点，经过近三十年的发展和完善，在高 速电机中使用比例越来越大“。但由于磁轴承本身占有一定的轴向空间( 见图1 1 a ) ， 降低了电机的轴向利用率，从而限制了电机的临界转速和输出功率，同时也影响到高 速电机的微型化。 ( a ) 轴向往向磁轴承电机径向磁轴承 ( b ) 图1 1 磁轴承电机系统 提高了电机的轴向利用率，相应也提高了电机的临界转速和输出功率。种途径 是研究集轴向悬浮和径向悬浮功能于一体的轴向径向混合磁轴承( 见图1 1 b ) ：另一 途径就是研究集径向悬浮功能和驱动力矩功能于一体的无轴承电机( 见图1 2 a ) ，即 根据磁轴承和电机结构的相似性，将磁轴承中产生悬浮力的悬浮绕组和电机的转矩绕 轻向磁轴承轴向磁轴承无轴承电帆无轴承电机轴向磁轴承无轴承电机 ( a ) 图1 2 无轴承电机系统1 ( b ) 无轴承异步电机悬浮子系统独立控制的研究 组共同绕制在电机定子上，使电机的悬浮力磁路和旋转磁路合成一个整体，并通过一 定的控制策略使两套绕组分别控制电机的悬浮和旋转。 早在8 0 年代的末期，无轴承电机的构想就被提出。1 ，但由于机理制约，缺乏实 现悬浮力和电磁转矩之间解耦的有效手段，其实用价值有限。文献。”中针对永磁同步 电机( 转矩控制绕组极对数为p ) 提出在电机定子上再叠绕极对数为p ，l 悬浮控制 绕组，利用矢量控制初步实现径向悬浮力和电磁转矩之间的解耦。至此，无轴承电机 开始受到高度重视。九十年代至今，交流异步电机、同步磁阻电机、单极性感应子电 机、开关磁阻电机的无轴承技术相继被提出”。 1 2 无轴承电机的结构、特点及工业应用 1 2 1 无轴承电机的结构 单个无轴承电机一般只能约束转子沿径向方向的两个自由度，要实现转子稳定悬 浮，需在五个自由度上施加约束。因此，无轴承电机系统除了图1 2 的两种结构形式 ( 径向磁轴承+ 轴向磁轴承+ 无轴承电机，无轴承电机+ 轴向磁轴承+ 无轴承电机) 外， 还有图1 3 a 的结构形式( 轴向径向混合磁轴承+ 无轴承电机) ，这种结构对提高电机 系统的轴向利用率尤其显著，而且结构更简单。 当转子的轴向长度与其直径相l l o y d , 时，单个无轴承电机就能实现稳定的悬浮。 这种特殊的电机被称为无轴承薄片电机9 1 ，如图1 3 b 所示。 轴向径向混合磁轴承无轴承电机 ( a ) ( b ) 图1 3 无轴承电机系统i i 该电机利用无轴承技术实现径向悬浮的基础上，依靠磁阻力实现其他三个自由度 上的被动悬浮，其工作原理如图1 4 所示。 1 2 2 无轴承电机的特点 无轴承电机系统和传统的磁轴承电机系统相比，具有如下优点： 1 无轴承电机大幅度缩短轴向空间，提高轴向利用率，可突破大功率和超高转 2 南京航空航天人学硕士学位论文 转子：定子转予一定子 ( a )( b ) i 划14 无轴承薄片电机在轴向和手h 转方向上的被动悬浮 速限制： 2 结构紧凑，轴承固有刚度大，可微型化，从而体积可以更小，重量可以更轻： 3 悬浮能耗减少，转子的悬浮控制是以电机本身的旋转磁场作为偏置磁场，功 率消耗只有电机功耗的2 一5 。0 1 ； 4 系统成本降低。一套磁轴承电机系统( 图1 1 a 所示) 需要四个功率放大器驱 动两个径向磁轴承，来实现电机除轴向外其他四个自由度的悬浮，而无轴承电机系统 ( 图1 2 b 所示) 只需两个三相逆变器来实现两个无轴承电机四个自由度的悬浮。 无轴承电机系统的主要缺点如下： 1 与普通电机相比，定子上有两套绕组使电机结构更复杂： 2 与磁轴承电机相比，产生悬浮力的偏置磁场是电机的旋转磁场，从而使控制 算法更复杂。 1 2 3 无轴承电机的工业应用 与磁轴承电机相比，图1 2 和图1 3 中四种类型的无轴承电机均提高了轴向利用 率( 其中薄片电机接近于1 0 0 ) ，从而在大功率和超高速领域有着明显的应用优势。 除此之外，其独特的悬浮机理和简单的结构特点又使得无轴承电机在一些生、化、医、 机电等领域也逐渐展示其独：有的使用价值。 1 飞轮贮能 飞轮贮能是以高速旋转的飞轮质体作为能量贮存的介质，利用电动发电机和电子 控制设备来控制能量的输入和输出。它在公共电网的动力调节、电动汽车、不间断电 源( u p s ) 、备用电源、太阳能和风能的储存等领域有着广泛的应用。采用无轴承电 机的飞轮贮能系统可以提高电机的临界转速，从而在相同功率的情况下。可以降低飞 轮的体积和重量，提高飞轮贮能系统的“比能量”。 2 无轴承密封泵 在制药、化工、核废料处理等领域的密封传送和生产系统中，为了保证一些物质 如药品、酶类在生化反应过程中避免受到外面的热源和微生物进入，或者避免危险物 质被工作人员接触，或者对环境造成污染，其中广泛采用密封泵。无轴承密封泵具有 无轴承异步电机悬浮子系统独立控制的研究 无接触、无涧滑和结构简单等优点，可阻有效地解决影响密封泵使用寿命的密封和轴 承问题，从而提高密封泵的使用寿命和可靠性，其中一个典型的应用就是采用无轴承 薄片电机的人工血泵( 图1 5 a 所示) 。 输入 ( b ) 图1 5 无轴承电机的应用 3 无轴承电机在机械领域中的应用“ 在机械轴承支撑的转子系统中，当转子端部受到外力作用时，转子中部弯曲程度 很大。采用无轴承电机后，径向力作用在转子中部，转子弯曲程度得到明显改善( 如 图1 5 b 所示) 。出于转子的弯曲模式可以得到有效控制，因此无轴承电机在机床主轴 设计中具有独特的优越性。 1 3 无轴承异步电机的研究概况及发展趋势 1 3 1 无轴承异步电机的研究概况 “无轴承电机”的概念最初是由r b o s c h 于八十年代末提出来的f 2 】，意指“具有 自悬浮功能的电机”。但早在七十年代初，英国学者p k h e r m a n n 就提出了一种由p 极对数绕组同肚l 极对数绕组相结合的双定子绕组结构，使电机既可以产生旋转力矩 又能产生径向悬浮力“”i ”。然而就当时条件而言，实现这种具有自悬浮功能的驱动装 置几乎是不可想象的。随着电力电子技术、高性能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，第一台无轴承原理样机由瑞士联邦工学院( e t h ) 学者 j b i c h s e i 实现了同步电机的无轴承技术之后“，无轴承电机技术才受到了国内外众多 专家学者的广泛关注。 1 3 1 1 国内外主要研究机构 国外的研究机构主要有瑞士联邦工学院( e t h ) 的r ，s c h 6 b ，日本茨城大学( i b a r a k i u n i v e r s i t y ) 的yo k a d a ，东京工学院( t o k y oi n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 的rf u k a o 和t m a s a t s u g u ，东京理工大学( s c i e n c eu n i v e r s i t yo ft o k y o ) 的a c h i b a ，奥地利林兹大学 4 南京航空航天大学硕士学位论文 ( u n i v e r s i t yo f l i n z ) 以及美国肯塔基州大学( u n i v e r s i t yo f k e n t u c k y ) 等研究机构和 学者。其中在瑞士l e v i t r o n i xg m b h 公司与其他研究机构的共同合作下，已经有部分 产品实现了系列化、商品化“。 国内的研究机构主要有南京航空航天大学、西安交通大学、江苏理工大学、浙江 大学、沈阳工业大学等数家单位也开展了这项研究，并得到国家自然科学基金委和国 防科工委等有关部门的大力支持。 1 3 1 2 国内外研究概况 从电机结构上看，无轴承磁悬浮技术研究主要集中在鼠笼式异步、永磁同步以及 开关磁阻等类型的无轴承交流电机“”。其中无轴承异步电机具有结构简单、可靠性 高、易于弱磁等特点，是研究最早、最多的类型之一。由于最初的原理样机都是非常 简单的集中式绕组，因此转矩控制绕组采用的控制策略也多为简单的正弦电流直接驱 动。”2 ”。为实现转矩与悬浮力之间的解耦控制，矢量控制技术很快就被引入到无轴承 异步电机控制中，即转矩控制绕组采用转子磁场定向实现转矩控制。“。然而这种方 法在悬浮控制中是以转矩控制绕组转子磁链近似替代气隙磁链，悬浮性能必然受到影 响。因而又提出基于气隙磁场定向的无轴承电机控制技术，不仅实现了转矩和悬浮力 间的解耦控制，而且实现了无轴承电机动态时的稳定悬浮o ”。另一方面，由于悬浮 控制绕组在鼠笼式转子上有感应电流产生，造成实际悬浮控制力给定值幅值减小、相 位滞后问题。”1 。虽然在径向位移控制器中采用了相位滞后补偿器可以实现鼠笼式无轴 承异步电机的稳定悬浮”1 。但这种方法比较适用于静态补偿，而当无轴承异步电机负 载或转速变化时，补偿器参数设计仍是个难点。因而又提出了利用磁链检测的方法实 现磁场闭环控制”“。也可以在转子结构设计上作改进，使得转子上只存在转矩控制绕 组感应电流”3 一。这种方案在磁链变化的时候具有明显的优势，而且控制器简单，但 其转子结构相当复杂，缺乏实用性。此外，对悬浮控制绕组自供电技术进行了研究， 悬浮控制绕组所需的有效电能由自激发电获得，从而实现无轴承电机的单电源供电， 有利于无轴承电机的集成化o ”m 。 1 3 2 无轴承异步电机的发展趋势 随着无轴承异步电机研究继续深入，今后无轴承异步电机的发展方向大致集中在 以下几个方面： 1 无轴承异步电机数学模型 无轴承异步电机数学模型是无轴承异步电机及其控制系统设计的基础。目前使用 的数学模型在推导过程中进行了一些理想化的假设，比如忽略了两套绕组之间的互 无轴承异步电机悬浮子系统独立控制的研究 感、定转子齿槽效应等，从而在数学模型中引入了误差。为了获得高品质的控制性能， 则必须建立更准确的数学模型。 2 无轴承异步电机本体的优化设计 无轴承异步电机尺寸、定转子结构形式、定子绕组导线匝数以及线径大小等因素 对无轴承电机基本参数、转矩控制和悬浮控制都有重要影响，其决定了电机转速、刚 度以及反映承载能力的电磁悬浮力和电磁转矩等性能指标。另一方面，无轴承电机结 构的复杂性又给相应参数测量或辨识带来了很大的问题，尤其是悬浮控制绕组匝数很 少、转子处于偏心位置的情况下，如何得到绕组电感系数矩阵和转子电阻等参数是当 前面临的困难之一。此外，考虑因磁饱和及温度变化等因素所引起的参数变化，以及 如何消除参数变化对转矩控制和悬浮控制带来的影响也需要相应的分析和研究。 3 数字控制系统硬件和软件的优化 为满足无轴承电机更高的性能要求，控制器的数字化、智能化、集成化是必然的 发展趋势。随着电机转速的提高，对控制系统的软件和硬件提出了更高的要求，因此 有必要进一步优化软硬件设计，使控制系统不仅能高效可靠的运行，而且成本要进一 步降低。 4 自传感技术 为了实现无轴承异步电机的稳定悬浮，需要实时检测转予的位移信号。目前无轴 承异步电机使用的电涡流传感器，虽然能满足性能要求。但是价格昂贵。因此，需要 进步研究其它满足性能要求且价格便宜的传感器或根据电机本体参数变化来识别 转子位移的自传感技术。 5 自供电技术 与普通异步电机相比，无轴承异步电机增加了一套悬浮控制绕组。这样一来就增 加了一套外接供电电路，使无轴承异步电机外部控制系统更复杂，降低了效率。如果 利用无轴承异步电机两套绕组极对数之间的关系，让转矩控制绕组工作在电动状态， 而悬浮控制绕组工作在发电状态，通过控制实现悬浮控制绕组的无外接电源运行，即 自供电技术，那么不仅可以简化外部控制系统，而且可以进一步提高无轴承异步电机 的实用性。 6 独立控制技术 无轴承电机控制系统具有复杂的非线性强耦合特性，实现其电磁转矩和径向悬浮 力之间的解耦控制是无轴承电机稳定运行的基本要求，设计有效而可靠的控制系统也 是该领域研究的难点。在目前研究的无轴承电机控制策略中，转矩控制子系统和悬浮 控制子系统之间大多存在气隙磁场信息传递。这样，不仅在控制策略上相互受到诸多 制约，而且解耦算法复杂，缺乏实用性。因此，有必要实现转矩控制子系统和悬浮控 南京航空航犬大学硕士学位论文 制子系统之间相互独立控制，这样悬浮控制子系统不受转矩控制性能的影响，同时转 矩控制也不再受悬浮理论制约，促进了无辅承悬浮技术向高速化、实用化方向发展。 1 4 本文研究的主要内容 考虑到时间和个人能力等因素，本论文主要对基于u i 模型的无轴承异步电机悬 浮子系统独立控制技术进行了一些基础研究。具体研究工作主要包括以下儿部分内 容： 第一章：首先阐述了无轴承电机的研究意义，接着分析了无轴承电机的结构、特 点及工业应用，然后介绍了无轴承异步电机的研究概况及发展趋势，最后对本文的研 究内容进行了简单介绍。 第二章：首先介绍了无轴承异步电机的基本原理，说明了可控径向悬浮力产生的 机理。接着推导了无轴承异步电机的数学模型，并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。 然后，在此基础上介绍了一种经典的无轴承异步电机解耦控制算法，即基于转矩控制 绕组气隙磁场定向控制算法，分析了该算法的优缺点。为了克服气隙磁场定向控制算 法存在的缺点，介绍了另一种的控制算法无轴承异步电机悬浮子系统独立控制算 法，指出了悬浮子系统如何准确获得转矩控制绕组气隙磁链是实现独立控制算法的关 键。最后，介绍了几种常用的气隙磁链观测和辨识方法，并具体分析了基于u i 模型 的无轴承异步电机独立控制算法，指出t n 用u i 模型来辨识转矩控制绕组气隙磁链 需要解决的三个关键问题，分别为： 1 电机转矩控制绕组定子相电压和定子相电流的获得： 2 电机转矩控制绕组定予电阻和定子漏感的获得； 3 纯积分算法的实现。 针对上述三个问题，本文在后续三章中分别进行了具体的分析，提出了一些新的 解决方法，并进行了仿真分析和实验验证。 第三章：针对上述的第一个问题，提出了一种新的定子相电压在线辨识方法，即 电机定子绕组的相电压通过逆变器的开关占空比和直流母线电压计算获得。该方法省 去了检测定子电压所需的三个电压传感器，降低了控制系统的成本，提高了系统的实 用性。 第四章：首先分析了定子参数变化对气隙磁链的影响，然后针对上述第二个问题， 介绍了一种基于零序模型的定子电阻和定子漏感在线辨识方法，并提出了一种新的实 现方法，即基于零序电流注入的定子电阻和定子漏感在线辨识方法，该方法可以有效 无轴承异步电机悬浮子系统独立控制的研究 地消除电机定子参数变化对辨识的气隙磁链的影响，提高辨识算法的精度。 第五章：首先分析了纯积分算法存在的局限性，然后针对t 述第三个问题，提出 了一种新的积分算法，即由一个可编程带通滤波器和纯积分环节串联而构成新的积分 算法。该算法不仅可以有效解决纯积分算法存在的问题，而且具有良好的动态性能。 第六章：首先根据无轴承异步电机的数学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了 无轴承异步电机仿真模型。然后在此基础上，对基于u i 模型的无轴承异步电机独立 控制算法进行了仿真分析。最后在一台无轴承异步电机上进行了实验验证。 第七章：对全文的工作进行了总结，指出了进一步需要研究的问题。 附录郝分介绍了攻读硕士研究生期间参与完成的科研项目、参考文献、致谢以及 发表论文和获奖情况。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章无轴承异步电机的基本理论 2 1 无轴承异步电机的基本原理 在电机中存在着两种不同类型的磁力：洛伦磁力和麦克斯韦力”。 2 i 1 洛伦磁力 磁场对场中载流导体施加的力称为洛伦磁力。无轴承异步电机的旋转力矩就是基 于洛伦磁力产生的。图2 1 a 以电流和磁链均为正弦分布的一对极电机为例来说明洛 伦磁力和旋转力矩的产生。 一鸯 2 1 2 麦克斯韦力 ( b )( c ) 图2 1 洛伦磁力和麦克斯韦力 磁路中在不同磁导率( 如空气和铁心) 的磁性物质边界上形成的磁张应力称为麦 克斯韦力。该力的作用方向垂直于电机转子的表面。如果电机中的磁密是对称分布的， 其麦克斯韦合力为零( 如图2 i b 所示) ；如果转子偏心引起电机磁密分布不均匀，那 么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( 如图2 1 c 所示) ，这 就是电机理论中的磁张应力效应。无轴承异步电机的可控悬浮力就是基于麦克斯韦力 产生的。 2 1 3 可控悬浮力的产生 在无轴承异步电机的定子中放入两套具有不同极对数的绕组，转矩控制绕组( 极 对数p 。，电角频率。) ，悬浮控制绕组( 极对数p ：，电角频率国：) ，当两套绕组极对 数满足p ：= p 。4 - l ，电角频率满足珊l = ( - 0 ：时，电机中才能产生可控的悬浮力“”“3 。悬 浮控制绕组的引入，打破了转矩控制绕组产生旋转磁场的平衡，使得电机气隙中某一 无轴承异步电机悬浮f 系统独立控制的研究 区域的磁场增强，而其空间对称区域的磁场减弱，从而产生的麦克斯韦台力将指向磁 场增强的一方。图22 所示的无辅承异步电机( p = 1 ，p ，= 2 ) 中，实线表示转矩控 制绕组产生的磁场，虚线表示悬浮控制绕组产生的磁场。图2 2 a 中的丽个磁场相互 调制使得转子右侧气隙磁密大于左侧，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 2 b 中的两个磁场相互作用产生了沿y 轴正方向的径向悬浮 力。因此，通过转子径向位移的负反馈控制，调节悬浮控制绕组产生磁场的大小和方 向，就可以控制作用在转子上径向力的大小和方向，从而实现转子的稳定悬浮。 ( a )( b ) 图2 2 无轴承异步电机径向悬浮力产生示意图 2 2 无轴承异步电机的数学模型 无轴承异步电机数学模型建立步骤如下：首先根据普通异步电机的数学模型得到 旋转运动基本方程式，然后在定转子中心重合的条件下推导出悬浮控制绕组通电时产 生的可控径向悬浮力基本方程式；接着假设悬浮控制绕组中没有电流，得出转子发生 偏心位移时不平衡径向磁拉力公式；最后得到转子悬浮系统的运动方程“。 2 。2 1 旋转运动基本方程式 假设无轴承异步电机的转矩控制绕组三相对称分布，所产生的磁动势沿气隙圆周 按正弦规律分布，同时不考虑频率和温度变化对电机参数的影响，并忽略磁路饱和铁 心损耗，可以推导出无轴承异步电机的旋转运动基本方程式如下： 气隙磁链方程 l d = 三。l ( 【d 十i ，l d )( 2 1 ) 妒l q = 三。l ( l v + f ，l g ) ( 2 2 ) 电压方程 m n d = r 。l i ，1 d + p 妒l j + 州p i ，l d q ( _ 】，i 。+ t l i ；i 目)( 2 0 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 “f l q = r ，i i 。l 口+ p t l q + 。l l p i , l v + 国l ( y l d + 州i ；) “，1 = r 九f ，l d + p q i j + l r p f r l j 一( c o l 一，) ( l q 十l 川f ，l q ) = 0 “，= 月n f ，哳+ p q ：l q + l r i ，p j g + ( c o l 一卯r ) ( p i j + ，l f f ，l d ) = 0 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 转矩方程 瓦= h ( 奶n ii q y i ，i j )( 2 7 ) 式中，工。为转矩控制绕组互感，上“和上。分别为转矩控制绕组定子和转子漏感，帆 转矩控制绕组定子角频率，d ，转子角速度，p 为微分算子，p 为转矩控制绕组极对 数。 2 2 2 径向悬浮力基本方程式 设电机中的气隙磁密为b ，则作用在转子表面出面积上的麦克斯韦力为： d f ：粤 ( 2 - 8 ) 二p o 式中，胁为真空磁导率。 其沿x ，y 方向上的分量分别为： d f a e ) = 兰【妒) c o s 彬妒( 2 9 ) 一。 峨劬) = 去酽印) s i n 咖 ( 2 - 1 。) 式中，f 为电机有效铁心长度，r 为转子外径，1 , o 为空间位置角。 由于电机中的气隙磁密是由转矩控制绕组和悬浮控制绕组共同产生的合成气隙 磁密，即： b ( e ，f ) = b lc o s ( p 1 妒一0 5 l f + ) + b 2c o s ( p 2 o - c 0 2 t + ) ( 2 1 1 ) 其中，五，口为初始相位角。 将式( 2 1 1 ) 代入( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 并分别积分运算，当p 2 = p l _ + 1f i tc o ：= 缈2 时， 可得沿x y 方向上可控的麦克斯韦力分别为： 只= c o s ( 一) ( 2 1 2 ) 2 一s i n ( 2 一)( 2 1 3 ) 其中，麦克斯韦力的幅值为； ：_ l r x _ b i b z ( 2 - 1 4 ) z o 转矩控制绕组和悬浮控制绕组在每相每极下的气隙磁通值分别为： 无轴承异步电机悬浮了系统独立控制的研究 珐：2 l r b 竺 p l ，2 l r b ， 口，= 一 p 2 对应的每相气隙磁链值分别为： = 破暇 ：= 龙 式中，吸分别为转矩控制绕组和悬浮控制绕组的匝数。 j 日 j 彭7 1 】”q 7r e 望 l 沁一一， p 弋 五+ 脚，f 7 相) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 3 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 圈2 3 气隙磁链向量图 根据矢量乘法运算公式( 即p 。2 、p 2 ) ，将式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 用同步 旋转坐标系下的分量表示为( 如图2 3 所示) ： 只= k u ( 矿2 d 埘+ 2 q 妒l )( 2 1 9 ) e = k m ( 2 q l d 一2 d 】q )( 2 2 0 ) 式中，k m2 面。鬲p l p 2 两。 从式( 2 1 9 ) 和( 2 - 2 0 ) 中可知，径向悬浮力的大小和方向与两套绕组的气隙磁 链有关，因此控制两套绕组的气隙磁链是实现径向悬浮力控制的核心问题。 2 2 3 转子偏心时的不平衡磁拉力 当定转子同心时，转子所受的麦克斯韦合力为零。当转子发生偏心时，因气隙不 均匀造成气隙磁场的不平衡会产生偏心的麦克斯韦合力，即不平衡磁拉力。设岛是 定转子中心重合时的平均气隙长度，民，y o 是转子的偏心位移( 见图2 4 所示) ，定 义占= ：了万居。，口：c 增( ) ，则气隙长度g 徊) 可表示为口( 曰是气隙处与。 南京航空航大大学硕士学位论文 轴之间的顺时针夹角) 的函数“： g ( o ) = g o 【l 一8 c o s ( o 一“) 】( 2 2 1 ) 图2 4 转子偏心示意图 如果定转子中心重合时的气隙磁导为，实际的偏心气隙磁导屹则近似表示为 l 乞( 目) = v 0 1 + e c o s ( 0 一口) ( 2 2 2 ) 在忽略了谐波分量之后，由p 。对极转矩控制绕组产生的旋转磁动势厂为 f ( o ，r ) = f c o s ( p 。0 一c o l t p ) 式中，为旋转磁动势的幅值。 那么气隙磁密b 。( 目) 也是关于目的函数： b 。( 臼，t ) = b l ( 目，0 1 1 + e c o s 0 一口) 】 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 其中：且( 臼，) = f v oc o s ( p 【0 - c o i t - o ) = b jc o s ( p 1 0 - c o i ，一妒) 。 根据式( 2 _ 8 ) ，作用在转子上的不平衡磁拉力沿x 、y 方向上的分量分别为 =p(气c。s(口)=旦2p。,jhea 0 2 ( 国c 。s ( 臼口 f ：_ m - ib 2 6 c o s i 2 = 墨届k 2 2 风g o 1” 2 a p ( 巴s i n ( 劝2 芸00 肛2 ( 臼) s i i l p 矽目j _ 一 = - n r l 研e s i n 口= 兰占h 2 胁12 风9 0 ( 2 。2 5 ) ( 2 2 6 ) 考虑到齿槽效应、电机结构等因素的影响，实际的麦克斯韦力要小得许多， 引入衰减因子k ，“”，这样一来实际作用在转子上的不平衡磁拉力为 需要 1 3 无轴承异步电机悬浮子系统独立控制的研究 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 从式( 2 2 7 ) 和( 2 2 8 ) 中可以看出，当转子偏一i 2 , 时，不平衡磁拉力的大小与偏 心的距离成正比。偏心越大，不平衡磁拉力也就越大。 2 2 4 悬浮子系统的运动方程 设兄、l ；d x 、y 方向的外加径向负荷，m 为转子质量，则无轴承异步电机转 子悬浮系统的运动方程为： r e x + f 。一f 。= f 。 m y + f y f b y = f w ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 式中，c 、为可控径向悬浮力，吃、为转子偏心时的不平衡磁拉力。 图2 5 悬浮子系统运动方程示意图 2 3 无轴承异步电机独立控制的基本理论 2 3 1 经典控制算法及其局限性 2 3 1 1 转矩控制绕组气隙磁场定向控制 无轴承异步电机典型的控制算法是基于转矩控制绕组气隙磁场定向控制，即西 旋转坐标轴随转矩控制绕组气隙磁场同步旋转，且气隙磁场轴线与d 轴重合，故有： l d = 1 ，= 0( 2 3 1 ) 从而可将径向悬浮力的计算公式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 化简为： c = k u 2 d ( 2 - 3 2 ) 研 ，研 州一脶 州一 一2 2 乜 缸 瓦 南京航空航大大学硕十学位论文 = k m _ ；f ，2 q 妒i 如果忽略悬浮控制绕组在转子上的感应电流，即 2 d l m2 i j 2 d _ ；f ，2 q m 2 i 2 q 式中，l 。：为悬浮控制绕组互感。 则径向悬浮力在z 、y 方向上的分量分别为： c = k m l 。2 i 妒l f 。= k l m l i j s 2 q 叭 同时电磁转矩式( 2 7 ) 可简化为： 2 ：2a t z m( 2 - 3 8 ) 从式( 2 - 3 6 ) 、( 2 - 3 7 ) 和( 2 - 3 8 ) 可知：电磁转矩和径向悬浮力都是转矩控制绕 组气隙磁链的函数，也就是说，电磁转矩和径向悬浮力是通过转矩控制绕组的气隙磁 链而耦合在起的。如果实现了转矩控制绕组气隙磁场定向控制，即为常数，那 么就可以通过控制转矩控制绕组电流对电磁转矩进行控制，通过控制悬浮控制绕组电 流对径向悬浮力进行控帝8 ，从而实现电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制。图2 6 给出了无轴承异步电机基于转矩控制绕组气隙磁场定向控制的原理框图。 图2 6 基于转矩控制绕组气隙磁场定向控制的原理图 2 3 1 2 气隙磁场定向控制的局限性 盘 虽然气隙磁场定向控制算法可以实现电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制，彳e | 是该算法在使用中存在如下的局限性： 1 ) ) ) ) 3 4 5 6 7 3 3 3 3 3 - 一 - 一 - 2 2 2 2 2 无轴承异步电机悬浮f 系统独立控制的研究 1 气隙磁场定向控制算法相对于转子磁场定向控制要复杂得多，而且受电机参 数( 如转子电阻、转子漏感等) 的影响较大i 2 气隙磁场定向控制存在着失稳转矩，使用范围受到限制”： 3 气隙磁场定向控制算法的高度非线性，不便实现高效的自适应控制算法和无 速度传感器技术，在高精度调速和超高速应用领域受到限制： 4 气隙磁场定向控制算法需要在两套绕组之间传递转矩控制绕组的气隙磁链( 如 图2 6 中虚框部分所示) ，因此悬浮控制绕组得到的气隙磁链至少存在一个通讯周期 的相位滞后。 2 3 2 无轴承异步电机悬浮子系统独立控制算法 为了克服转矩控制绕组气隙磁场定向控制算法存在的上述局限性，本世纪初提出 了一种新的解耦控制算法无轴承异步电机悬浮子系统独立控制算法“”1 。 研究表明：转矩控制绕组的气隙磁场定向控制只是实现无轴承异步电机解耦控制 的充分条件，而非必要条件“。如果无轴承异步电机悬浮子系统能在线辨识或测量出 转矩控制绕组的气隙磁场幅值和相位，那么转矩控制绕组和悬浮控制绕组之间就可以 不再需要传递任何信息，从而使无轴承异步电机电磁转矩和径向悬浮力之间的独立控 制成为可能( 如图2 7 所示) 。这样一来，转矩控制绕组不再受到气隙磁场定向控制 算法的制约，可以采用普通的转子磁场定向控制算法，从而克服了气隙磁场定向控制 算法存在的局限性。具体算法如下： 在2