（电机与电器专业论文）无轴承异步电机悬浮控制研究与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 a b s t r a c t + t h eb e a r i n g l e s sm o t o ri san e w t y p eo f m o t o rw h i c h h y b r i d i z e st h em o t o r sa n d t h e m a g n e t i cb e a r i n g s d i f f e r e n t f r o mt h et r a d i t i o n a l s u s p e n s i o np r i n c i p l e o f m a g n e t i cs u s p e n s i o nm o t o lt h eb e a r i n g l e s sm o t o rw i n d st h el e v i t a t i o nw i n d i n g s t o g e t h e r w i t hc o n v e n t i o n a lm o t o rw i n d i n g st o p r o d u c e r a d i a lf o r c e s b yt a k i n g a d v a n t a g e so f t h es i m i l a r i t yb e t w e e n t h es t r u c t u r eo f m a g n e t i c b e a r i n ga n dt h a to f t h e a cm o t o lt h er o t o rs h a f tc a r lb es u c c e s s f u l l y s u s p e n d e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i c f o r c e s a st h eb e a r i n g l e s sm o t o ri sc o n s t r u c t e d 、v i t hc o n t a c t f r e eb e a r i n g s i tw o r k sf r e e o f w e a l - , f r i c t i o n l e s s ，f r e eo f a b r a s i o na n dw i t h o u tl u b r i c a t i o n w i t ht h e s ea d v a n t a g e s a n do t h e rf e a t u r e s ，t h eb e a r i n g l e s sm o t o rd e m o n s t r a t e st h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si n s p a c et e c h n o l o g y , m a c h i n et o o l s ，h i f g hv a c u n mt e c h n o l o g y , u l t r ah i 曲一s p e e dd r i v e s a n ds oo n t h i sp a p e rf i r s te x p o u n d st h eb a s i c p r i n c i p l eo f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r ，t h e n a n a l y z e s s o m ec h a r a c t e r i s t i c so ff l u x o r i e n t a t i o nc o n t r o l c o n t r a p o s i n g t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r f o rt h el e v i t a t i o nw i n d i n g ，t h e m e t h o do f a i r - g a pf l u xt r a c e dp w m i sp r o p o s e dt oe l i m i n a t ec o u p l i n go fl e v i t a t i o n c o n t r o lc a u s e d b yn e g l e c t i n gr o t o rc u r r e n to f t h el e v i t a t i o nw i n d i n g t h ei n d e p e n d e n t c o n t r o lo fl e v i t a t i o ns u b s y s t e mi sr e a l i z e db a s e do nm a g n e t i cf l u x d e t e c t i n gw i t h s e a r c hc o i l so rw i t ht h em e t h o do f v o l t a g e - m o d e l t h ea f f e c to fh a r m o n i c sa n dr o t o r e c c e n t r i c i t yi sa n a l y z e dw h e nm e a s u r i n gt h ea i r - g a pf l u xd e n s i t y , a n dt h ep o s s i b i l i t y o f m e a s u r i n g t h es h a f t d i s p l a c e m e n tw i t hs e a r c hc o i l si sa l s os t u d i e d ad i g i t a lc o n t r o l s y s t e mf o rr e a l - t i m e c o n t r o li s d e s i g n e dw i t hs i n g l ed s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h ep e r f o r m a n c ee f f i c i e n c yo ft h e p r o p o s e dc o n t r o l l e ri ns t e a d ys t a t e ，a sw e l la st r a n s i e n ts t a t e a c k n o w l e d g e t h eg r a n t so f n a t i o n a l n a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( 5 0 3 7 7 0 1 2 ) n a t i o n a ld e f e n s ef o u n d a t i o n a ls c i e n c er e s e a r c ho f c h i n a ( 1 ( 16 0 0 0 6 0 6 0 3 ) ，a n dd e l t a e l e c t r i c e l e c t r o n i c ss c i e n c e e d u c a t i o nd e v e l o p m e n tf o u n d a t i o n l i l 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 k e y w o r d s ：m a g n e t i cl e v i t a t i o n ，b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , f i e l do r i e n t e d c o n t r o l ，i n d e p e n d e n tc o n t r o l ，l e v i t a t i o ns u b s y s t e m ，m a g n e t i c f l u x d e t e c t i n g ， d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 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) 作者签名：基垒当 日期： 丝q 盂3 ：呈3 壹室堕窒堕丕查堂堡主堂堡笙茎 主要符号说明 符号名称 妒 转矩绕组d 轴气隙磁链 y l 。 转矩绕组g 轴气隙磁链 y 1 “ 转矩绕组d 轴定子磁链 妒】。 转矩绕组q 轴定子磁链 少1 m 转矩绕组d 轴转子磁链 p 】。 转矩绕组g 轴转子磁链 三。 转矩绕组定转子间互感 厶“ 转矩绕组定子漏感 厶h 转矩绕组转予漏感 国 同步角速度 印， 转子角速度 国。 转羞角频率 r l ， 转矩绕组定子电阻值 t 。 探测线圈感应电动势 m 探测线圈匝数 足探测线圈个数 g o 定转子均匀气隙长度 a 偏心时的气隙磁导率 占l 。 转矩绕组气隙磁密基波口分量 名称 毳 转矩绕组气隙磁密幅值 j 0 悬浮绕组气隙磁密幅值 1 0 麦克斯韦力幅值 1 l 可控径向悬浮力 1 l 每相气隙磁链值 1 1 绕组每相串连匝数 1 l 空间位置角 9 气隙磁链初始相位角 9 转子时问常数 1 4 转矩绕组定子磁链a 分量 3 4 转矩绕组定子磁链口分量 3 4 转矩绕组气隙磁链a 分量 3 4 转矩绕组气隙磁链口分量 3 4 空间某一位置处气隙磁密 3 6 探测线圈截面积 3 6 旋转磁动势 4 2 对应g o 的气隙磁导率 4 2 机械轴承与转轴间隙 4 2 悬浮绕组气隙磁密基波a 分4 6 量 号 c o 。 ， 符露如妒椰 o毋只fj 页码7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 h 拍 拍 拍 让 舵 拍 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机研究背景和概况 1 1 1 历史背景 随着现代化工业技术的发展，高速和超高速电机被广泛运用于高速机床、 涡轮分子泵、离心机、压缩机、飞轮储能以及航空航天等领域。然而转子高速 运行时带来的摩擦阻力增加，机械轴承磨损加剧，造成电机发热，不仅降低电 机工作效率，缩短电机和轴承使用寿命也增加了对电机和轴承维护的负担。 为了克服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配备专门的气压、液压系统，这不仅使电机的结构复杂、 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。 至t 7 0 年代末，发展了磁轴承技术。磁轴承是利用电磁力将转子悬浮于空间， 使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承。磁轴承按照磁场 产生性质的不同，有主动磁轴承( a c t i v e ) 和被动磁轴承( p a s s i v e ) 之分“2 ”。 主动磁轴承的磁场是主动可控的，被动磁轴承的磁场是不可控的。磁轴承的磁 力可由电磁铁提供称电磁轴承；也可由永久磁铁和电磁铁共同提供，称为混 合磁轴承：或由永久磁铁单独提供。前两者称为主动磁轴承，而后者称为被动 磁轴承。由于主动磁轴承明显地优于被动磁轴承，在磁悬浮领域，应用最广泛的 是主动磁轴承。图1 1 所示是一个简单磁轴承的工作原理示意图。 图1 1 磁轴承工作原理图 磁轴承具有无磨损、无润滑、无机械噪声、寿命长等优点，从根本上改变 了传统的支承形式，因而在近三十年来得到了迅速的发展和完善，传统的磁轴 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 承电机的结构如图1 2 ( a ) 所示。但是由于磁轴承本身占有一定的轴向空间， 因而存在着转子刚度小、临界转速低等问题，限制了其临界转速和输出功率， 同时也影响到高速电机的微型化：此外，由于每个自由度的磁轴承需要一套功 放，从而使系统成本增加。由于以上原因，使磁轴承高速电机在大功率和微型 应用场合受限制。 无轴承电机是上世纪9 0 年代发展起来的一种新型磁悬浮电机。它不仅继承 了传统磁轴承无润滑、无磨损、无机械噪声等特点，而且还具有如下优点： 1 径向力绕组缠绕在电机的定子上，不占用额外的轴向空间，无轴承交流 电机的轴向长度可以设计得较短，临界转速可以非常高。 2 由于充分利用了轴向空问，无轴承电机在转轴长度保持一定的条件下输 出功率将大幅度提高。 3 结构紧凑，可微型化。体积可以更小、重量可以更轻、结构更趋简单， 维修更为方便。 4 电能消耗减少。对无轴承电机而言，传统磁轴承中的直流励磁电流不再 需要，使转予悬浮的电机径向力的产生是以电机本身的旋转磁场作偏置磁场， 径向力控制系统的功率消耗只有电机功耗的2 5 “1 。 5 系统成本降低。一套磁轴承系统需要4 个功率放大器，而采用无轴承电机 其悬浮控制只需一个三相逆变器。 单个无轴承电机只能约束转子沿径向方向的二个自由度，要实现转子在五 个自由度上稳定悬浮，无轴承电机系统除了采用图1 2 ( b ) 的结构形式( 轴向 径向混合磁轴承+ 无轴承电机) 外，还可采用图1 2 ( c ) 的结构形式( 无轴承 电机+ 轴向磁轴承+ 无轴承电机) 。 径向磁轴承轴向磁轴承电机往向磁轴承径向轴向磁轴承无轴承电机 ( a ) 传统磁轴承电机系统( b ) 无轴承电机系统i 南京航空航天大学硕七学位论文 无轴承i n 机 轴向磁轴承 无轴承电机 ( c ) 无轴承电机系统1 1 图12 悬浮电机系统的典型结构类型 1 1 2研究概况 19 8 5 年h i g u c h i 在“m a g n e t i c a l l y f l o a t i n g a c t u a t o rh a v i n ga n g u l a r p o s i t i o n f u n c t i o n ”中提出了一种结合磁轴承的步进电机，提出可以利用电机励磁电流来 解耦转矩和径向力。1 9 8 8 年r b o s c h 在“d e v e l o p m e n t o f a b e a r i n g l e s s e l e c t r i c a l m o t o r “第一次提出了无轴承电机的概念。八十年代末，r b o s c h 提出了无轴承 交流电机的思想”，在j b i c h s e l 实现了同步电机的无轴承技术之后嘲，无轴承交 流电机的研究开始引起重视。九十年代至今，交流异步电机、同步磁阻电机、 永磁同步电机、开关磁阻电机的无轴承技术相继研究成功”“，并有部分成果商 品化。目前无轴承电机的应用己不仅仅局限于高速驱动领域，在一些生、化、 医、机电等特殊领域也逐渐展示其独特的优越性。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，在今后相当一段时间内将是高速电机研究领域的热点。 目前，国际上对无轴承电机的研究工作和学术气氛非常活跃。国际电工学 科通常将无轴承电机技术归类为磁轴承技术一类，1 9 8 8 年在瑞士苏黎世召开了 第一届国际“磁悬浮轴承会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m o n m a g n e t i c b e a r i n g s ) ” 此后每两年召开一次。美国航空航天局1 9 9 1 年3 月召开了一次“磁悬浮技术在航 天中的应用( a e r o s p a c e a p p l i c a t i o no f m a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) ”的学术 讨论会。美国扶1 9 9 1 年起，在上下两届国际“磁悬浮轴承会议”的中间一年，召 开国际“磁悬浮技术会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m o i l m a g n e t i c t e c h n o l o g y ) ”， 也是每两年召开一次。此外，瑞士、同本、美国、法国和我国等国家都在大力 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 支持开展磁轴承的研究和应用工作，国际上的这些努力，大大推动了无轴承电 机的理论研究和在工业中的广泛应用。就目前研究水平而言，瑞士联邦工业学 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 t yo f t o k y o ) 在无轴承电机研究领 域处于领先地位。 目前，清华大学、上海交通大学、沈阳工业大学、江苏大学、南京航空航 天大学等单位都在开展这方面的研究工作。由于无轴承电机涉及到电机理论、 机械设计、转子动力学、控制理论、电力电子技术、电磁理论、测试技术、计 算机技术及数字信号处理技术等众多学科的知识，研究难度相当大，到目前为 止尚未能取得大批量成果，仅仅处于单机实验阶段。 1 2 课题背景和研究意义 相对于其它类型的无轴承电机而言，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“”3 ，采用此方法虽然能实现电机的悬浮，但由于转矩与悬 浮力之间存在耦合，因而动态效果不理想。为实现转矩与悬浮力之间的解耦控 制，进而引入了矢量控制技术对无轴承异步电机进行控制，即转矩控制绕组采 用转子磁场定向控制“。然而这种方法的不足之处在于以转矩控制绕组转子磁 链近似替代气隙磁链，从而使悬浮性能受到影响。考虑到电磁转矩和悬浮力是 通过转矩绕组气隙磁链耦合的，从而提出基于气隙磁场定向的无轴承控制技术， 不仅实现了转矩和悬浮力控制间的解耦控制，而且实现了无轴承异步电机动态 时的稳定悬浮n 7 “。 采用磁场定向控制虽然能实现电磁转矩与悬浮力之间解耦，但由于需要将 转矩绕组气隙磁链信息实时传递给悬浮绕组，因而没有实现真正独立意义上的 解耦控制。“”3 。此外在在超高速电机的控制过程中，该算法对控制器的运算速度 和转速传感器的响应频率有过高的要求而缺乏实用性，因而提出了采用悬浮子 系统的独立控制来解决此问题。悬浮子系统独立控制策略的引入使转矩绕组 的控制不再受悬浮控制理“：的制约，可以采用通用的控制算法如聊控制来实现， 从而使无轴承异步电机的j 性大为提高。 另一方面，由于悬浮控f ，“绕组会在鼠笼式转子上产生感应电流，从而造成 南京航空航天大学硕十学位论文 实际悬浮控制力给定值幅值减小、相位滞后等问题。“。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“，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。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”4 “。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。因而又提出了利用磁链检测 的方法实现磁场闭环控制“6 1 ，使无轴承异步电机在负载转矩波动时仍可实现稳 定悬浮。 无轴承异步电机自身的特点决定其应用的广泛性。在军用方面，它不仅符 合未来高可靠性、小体积和长寿命新一代战斗机和直升机用航空电机的发展要 求，如飞机电动环境控制系统、飞机燃油供给系统、电动刹车系统、飞机舱门 与起落架的电力传动系统、机载激光武器或其它能束武器配用的大功率发电机、 飞机起动发电系统等；还有望促进航空航天器储能系统的更新换代和隐身技术 的发展。另一方面，无轴承电机是目前国外竞相研制的飞轮电池中的关键环节。 由于飞轮电池具有比能量大( 是蓄电池的五倍以上) 、可靠性和效率更高、充电 时间短、环保性能好的特点，已成为国际上公认的传统蓄电池的一种更新换代 产品。更由于它无红外线辐射，具有良好的隐身性能尤其受到军方的高度重视， 在电动军车、电动鱼雷、导弹、潜艇的贮能系统、航天器中( 人造卫星等) 能 量贮存和姿态控制一体化系统中具有重要实用价值。从民用的角度来看，无轴 承电机在高速离心泵、风机、主轴电机、涡轮分子泵、压缩机、高速硬盘驱动 装置等领域具有广泛的应用价值。目前我国无轴承异步电机的研究水平总体处 于初级阶段，因此对无轴承异步电机基本控制策略研究和实现将会为我国无轴 承电机悬浮技术理论研究和产品实用化起到积极的推动作用。 1 3 本文研究内容 本文从无轴承异步电机的矢量控制出发，分析比较了两种磁场定向控制的 共同点及各自的优缺点：采用了磁链跟踪型p w m 逆变器对悬浮绕组进行控制， 以解决悬浮控制绕组中转子感应电流对悬浮系统的影响，并通过仿真和实验验 证了其有效性。研究了矢量控制在无轴承异步电机控制中存在的不足之处，采 用了u i 模型辨识或探测线圈测量气隙磁链，实现了转矩控制绕组和悬浮控制绕 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 组在控制策略上的相互独立 研制了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的数字控制系统： 在此基础上，完成了整个系统程序的编写和调试，成功实现了转矩控制系统和 悬浮控制系统的稳定运行；通过引入i q m a t h 专用数据处理程序库，大大提高 了c 语言的执行速度，从而优化了控制系统的执行效率。 本文的研究工作主要包括以下几个部分内容： 第二章：首先分析了普通异步电机的数学模型，然后从电机内部麦克斯韦 力入手，阐述了无轴承异步电动机产生径向悬浮力的工作原理。推导了径向悬 浮力的数学公式，并由此建立了电机径向力控制部分的数学模型。 第三章：针对无轴承异步电枫的电磁转矩与悬浮力之间存在的强耦合关系， 采用了磁场定向控制算法来实现两者的解耦控制。推导了两种磁场定向控制的 具体算法，并对这两种磁场定向控制的优缺点进行了比较，最后给出了实验波 形。 第四章：针对无轴承异步电机鼠笼转子中存在转子感应电流而导致给定悬 浮力存在偏差的现象，采用了磁链跟踪型p w m 逆变器代替原有的电流跟踪型 p w m 逆变器来对悬浮绕组进行控制。分析了基于s p w m 控制的磁链跟踪逆变器 工作原理，并给出了仿真和实验结果。 第五章：针对无轴承异步电机的发展趋势及磁场定向控制方法存在的不足， 利用u i 模型辨识或探测线圈测量气隙磁链，实现了无轴承异步电机的独立控 制。分析了谐波磁密对探测线圈测量结果的影响，提出了提高探测线圈测量精 度的改善方法。研究了转子偏心时探测线圈所测磁密与电机内实际磁密之间的 关系，并分析了用探测线圈检测转子位移的可能性，最后给出了实验结果。 第六章：设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器( d s p ) 为核心的数字 控制系统，实现了无轴承异步电机的单d s p 控制。并用i q m a t h 实现了浮点c 程序 到定点c 程序的转换，大大缩短了程序执行时间，为无轴承异步电机实现稳定悬 浮控制提供了可靠的实验条件。 第七章：对所做工作的总结以及今后研究的展望。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章无轴承异步电机工作原理和数学模型 无轴承异步电机是集电机和磁悬浮轴承于体的新型电机。其悬浮机理是 利用悬浮绕组产生的磁场来改变气隙中合成磁场的分布，从而控制转轴所受麦 克斯韦力的大小和方向，实现转轴的稳定悬浮。无轴承异步电机的悬浮机理决 定了转矩控制和悬浮控制之间存在着电磁耦合关系。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控 制性能的理论基础。 2 1 电机旋转运动基本方程 为了分析方便，一般对普通三相异步电机做如下理想化假定 1 电机定转子三相绕组完全对称； 2 无齿槽效应，气隙磁动势在空间呈正弦分布： 3 磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。 在d 、q 坐标下无轴承异步电机转矩绕组的数学模型为： 磁链方程 缈i d = ( i l “+ 。l , d ) k 妒l 口= ( i 1 砷+ 呷) 三。 y l 叫宅p l d + 一上1 “ y l w = 畸+ f l s q 厶盯 y 1 耐= 吵憎+ i l , d l l h 妒i q2 口+ l i , v 厶h 电压方程 u l 鲥= r 1 i l 蚶+ p 妒1 耐一妒i 肿c 0 1 “1 町= k h 7 l 叼+ p 驴- 珥+ 妒i 耐c o l “l 坩= r l ，f l 吲+ p 妒1 耐一妒l 坩( c 0 1 一，) = 0 甜1 川= r 1 ，i l 瑚+ p w + 妒1 耐( q q ) = 0 转矩方程 丁乙= p l ( 妒1 d f l 。一y l 。“) 机械运动方程式 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 乙= 五+ 瓦d 百d c o ， 2 2 无轴承异步电机工作原理 ( 2 4 ) 无轴承异步电机是将普通异步电机定子槽中的定子绕组置换成不同匝数的 的两套绕组而制成的，这两套绕组分别为p l 对极和p ：对极。其中n 对极绕组用 以产生旋转磁场驱动转子旋转，与异步电机定子绕组作用相似，称电枢绕组或 转矩绕组；p ，对极绕组中通以电流后，该绕组产生的磁场与转矩绕组产生的磁 场通过气隙共同作用产生了可控的径向力，称为悬浮控制绕组。无轴承异步电 机转矩绕组通入三相交流电后，在气隙中产生一旋转磁场驱动电机旋转，这是 径向力产生的基础；当悬浮绕组通电后，其所产生的旋转磁场打破了转矩绕组 产生的气隙磁场平衡，使得合成的气隙磁场在某一区域增强，而在对称的区域 减弱。两个磁场相互作用产生了可控的麦克斯韦力，其方向由这两个绕组磁链 矢量的相位决定，指向磁场增强的一方，大小与转矩绕组和悬浮绕组的气隙磁 链相关。无轴承电机径向悬浮力产生示意图如图2 1 所示，图2 1 ( a ) 所示的 无轴承异步电机( p 。= 1 。p 2 = 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，其结果使产生的麦克思韦合力( 即径向悬浮力) 指向x 轴的 正方向；同理图2 1 ( b ) 中所示两个磁场的相互调制产生了沿y 轴正方向的径 向悬浮力。通过对转子径向位移的负反馈控制，间接控制作用在转子轴上的麦 克斯韦力的大小和方向，从而可以实现转子轴在径向的悬浮。 ( a )c o ) 图2 】无轴承电机悬浮力产生示意图 由上分析可知，径向力产生的实质是悬浮绕组电流产生的磁场打破了原来 南京航空航天大学硕士学位论文 电机旋转磁场的平衡，只有旋转磁场的不平衡，才会有径向力作用在转轴上。 电机的旋转磁场是由电机转矩绕组电流建立起来的，而旋转磁场的不平衡又是 悬浮绕组电流作用的结果。为了保证无轴承电机能产生可控的径向悬浮力，两 套绕组必须满足如下关系： 1 极对数：p ，= p 1 ； 2 两套绕组产生的磁场旋转方向一致； 3 两套绕组中流通的电流频率厂一致。 2 3 无轴承异步电机数学模型 在分析无轴承异步电机数学模型之前，先对参数标号作如下设定：矿一幽 坐标下气隙磁链，f 绕组电流，矽一绕组匝数，f 一麦克斯韦力，卯一角频 率，p ，一绕组极对数，b 。一磁感应强度幅值，工。一定转子间互感，r 一电阻。 5 一定予绕组，1 一转矩绕组，2 一悬浮控制绕组，d d 轴分量，g q 轴分量， r 一转子外径，一电机铁心长度，t 一电磁转矩，1 1 。磁导率，厶。一转矩绕 组定子漏感，厶。一转矩绕组转子漏感，p 一由坐标下旋转角度，一曲坐标 下转矩绕组气隙磁链的初始相位角，五一由坐标下悬浮控制绕组气隙磁链的初 始相位角。 设电机中气隙磁密为b ，则作用在转子表面幽面积上的麦克斯韦力为： d f ：b = ：一d a ( 2 - 5 ) 2 麦克斯韦力沿x 、y 方向上的分量为： d t ( 妒) = = l b 2 ( 妒) c o s 驴咖( 2 6 ) z t o a e y ( q , ) = 。l b 2 ( 妒) s i n 饵p ( 2 7 ) z , u o 由于无轴承异步电机定子上有两套绕组，因此无轴承异步电机内的气隙磁 场是由转矩绕组和悬浮控制绕组共同产生的合成气隙磁场。两套绕组产生的定 子磁势只、气隙磁势b 和转子磁势f 的矢量图如图2 2 所示。图中转矩绕组处 于电动状态，因而气隙磁链滞后于定子磁链，而悬浮绕组则相反。 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 f 图2 2 两套绕组磁势矢量示意图 假设定转予中心重合、不考虑齿槽效应和磁饱和影响，则由两套绕组电流 产生的气隙磁场磁感应强度时间空间向量表达式为： b ( 妒，t ) = b l 。c o s ( p l 伊一0 9 1 t + ) 十b 2 。c o s ( p 2 妒一0 9 2 f + ) ( 2 - 8 ) 将式( 2 8 ) 代入( 2 6 ) 、( 2 7 ) 并分别积分运算，得到可控径向悬浮力在z 、 y 方向的分量为 e = 乃f e o s ( p 】一p 2 1 ) 9 + ( 咤一q ) 卜( a 删( 2 9 ) + c o s ( p , 一p 2 + 1 ) p + ( c 吒一q 弦一( 丘一) 】) d 妒 e = f “( s i n ( p i p z 一1 ) 妒+ ( 哆一q ) ，一( 五一) 1( 2 1 0 ) + s i n ( p i 一n + 1 ) p + ( 吐b c o o t 一( 五一) 】) d p 由上式易知，若a p 2 1 0 ，则只= = 0 ，即系统不产生可控的径向 悬浮力m 1 。只有在p ：= p ，1 和0 9 ，= ：同时成立时，t 和才是可控量。此时 x 、y 方向的径向悬浮力表达式为： 只= 昂c o s ( 2 一) ( 2 - 1 1 ) = 一，0s i n ( 2 一) ( 2 - 1 2 ) 其中麦克思韦力幅值为： ：l r z c b - 1 b 2 二“0 电机两套绕组每极下的气隙磁通值分别为 矗；2 l r b , p 1 欢；2 1 r b 2 对应的每相气隙磁链值分别为 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 巴( 2 - 1 5 ) ：= 如 将式( 2 - 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 代入式( 2 - 1 3 ) 可得 耻畿鬻 协，s ， 由于悬浮控制绕组主要起悬浮作用，并受其定子电流如，控制。若忽略悬浮 绕组产生的转子感应电流，认为其定子电流即为励磁电流，近似可得： p 2 l 2 ，i 2 。 ( 2 1 7 ) 依据矢量点乘和叉乘的原理 i 矿1 i s ，= 矿l m i 2 _ mc o s ( , u 一五) = 妒l d i 2 硝+ y l 口i 2 田 l l 矿，x i ：，l = 少。屯。s i n ( t 一五) = y 。i ：。一y ，i 2 。 可以将式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 在同步旋转坐标系下分解为d 、 量形式 只= k 盯( y l d i 2 坩+ 妒1 q i 2 岬) = 意m ( v l a i 2 呻一p l q i 2 州) 其中2 五z r p 巧1 丽p 2 l 2 ，由上式即可求出悬浮绕组给定电流值： ( 2 1 8 ) q 坐标轴上的分 ( 2 。1 9 ) ( 2 2 0 ) 酬= 赢丽阪讲纠 ：t ， kj 2 而万i 丽k 1 托j 旺。2 从( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可以看出，无轴承异步电机在定转子同心情况下产生的 径向悬浮控制力与两套绕组气隙磁链在d 、q 轴上的分量有关，要实现对作用在 转子上的径向悬浮力的控制，必须准确控制两套绕组气隙磁链的幅值和相位。 2 4 小结 无轴承异步电机转矩绕组通入电流建立旋转磁场，主要作用是产生电磁转 矩使电机旋转，并作为悬浮绕组的偏置磁场。悬浮绕组通电后，所产生的磁场 与转矩绕组气隙磁场共同作用，改变原有的气隙磁场分布，从而改变了转子所 受的麦克思韦力的大小和方向，使可控径向悬浮力的产生成为可能。由以上分 析可知，电磁转矩和径向悬浮力是通过转矩绕组气隙磁链耦合在一起的，因而 相对于普通电机而言无轴承异步电机自身的结构特点决定了它是一个更为复 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 杂的非线性、强耦合系统。要实现电磁转矩和径向悬浮力的解耦控制，必须合 理控制两套绕组所产生的磁场。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章无轴承异步电机的磁场定向控制 由前面分析的悬浮原理可知，无轴承异步电机的电磁转矩和径向悬浮力是 通过转矩绕组气隙磁链耦合在一起的，如果不能准确控制转矩绕组气隙磁链的 幅值和相位，则无法实现电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制。采用磁场定 向控制对无轴承异步电机电磁转矩和径向悬浮力进行解耦控制，是实现无轴承 异步电机稳定悬浮的一种有效方法。本章首先分析了气隙磁场定向控制和转子 磁场定向控制的解耦算法，并绘出了其控制框图，然后对这两种磁场定向控制 的优缺点进行了比较，最后给出了实验波形。 3 1 气隙磁场定向控制 磁场定向控制可分为直接型磁场定向控制和闽接型磁场定向控制，两者的 区别在于，从静止坐标到旋转坐标变换所需的角度是直接测量得到的，还是通 过电压、电流等量间接计算得到的。其中直接型磁场定向控制由于需要直接 测量磁通与静止坐标口轴之间的角度，因此需要额外安装测量元件和线路，在 实际应用上有困难；此外受电机齿槽影响，低速时所测角度不准o “，不能满足 无轴承异步电机高精度控制的要求，因而在实际应用中常采用间接型磁场定向 控制。依据所选择的与旋转坐标d 轴重合的磁链不同，磁场定向控制又可分为 定子磁场定向控制、转子磁场定向控制和气隙磁场定向控制三种。间接型定子 磁场定向控制算法相当复杂，励磁电流和转差频率受定子漏感和转子漏感的影 响：力矩电流分量屯。和励磁电流分量i 。之间存在耦合；而且在三种磁场定向控 制方法中，其所能输出的最大转矩也是最小的。“”1 。上述问题的存在使间接型定 子磁场定向控制在应用中受到了极大的限制，不仅在无轴承电机的控制中很少 使用此方法，在普通电机的控制中也鲜见。 从悬浮力表达式( 2 - 1 9 ) ，( 2 - 2 0 ) 中可以看到径向悬浮力与电枢绕组气隙磁 链密切相关，可以考虑直接以电枢绕组气陈磁场为控制对象，有效地控制其大 小和方向，即采用气隙磁场定向控制。气隙磁场定向控制是实现无轴承异步电 机电磁转矩和径向悬浮力解耦控制的一种有效手段，只有准确地把握气隙磁链 的幅值和相位信息，才能有效地施加悬浮力。气隙磁场定向控制具有使转矩绕 组所产生的气隙磁链不受电磁转矩影响的特点，此外由于电机磁通的饱和程度 与气隙磁通致，故采用气隙磁场定向控制更适合于处理饱和效应。”1 。 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 电枢绕组采用气隙磁场定向控制，保证了旋转坐标系上的d 轴与电枢绕组 的气隙磁链方向一致，则有： y l 。= 0 ，少l 。d2 l ( 3 - 1 ) 由于电枢绕组气隙磁链与d 轴重合，因此对于电枢绕组，电流的励磁分量i ，。 和转矩分量i 。可表示为： 2 i 乏 c h 瓦f i r 却毒+ 峨每k 。 r ， i 】。= _ 二l ( 3 3 ) r 胄，+ l i , t p ) i l 、- i t i r t i s q 峨1 叫r 2 孽五瓦 c s 4 ， 对于悬浮绕组，麦克思韦力在西坐标轴上的表达式可以简化为： t = “i 2 “ ( 3 5 ) = f 2 。帆 ( 3 6 ) 间接型气隙磁场定向解耦控制算法如图3 1 所示，其中f ，= l i t r 。， “= 厶。置，。 闺3 1 间接型气隙磁场定向控制原理图 3 2 转子磁场定向控制 由式( 3 2 ) ( 3 - 4 ) 可以看出，气隙磁场定向控制不仅解耦算法复杂，而 且转矩绕组励磁电流分量f 。受力矩电流分量f 。影响，没有实现真正意义上的 解耦控制；该控制算法受转子漏感这一参数的影响较大，而转子漏感一般难于 南京航空航天大学硕士学位论文 准确测量；采用气隙磁场定向控制存在固有的失稳转矩慨捌：此外由于该控制算 法的高度非线性，不便于实现有效的自适应控制算法和无速度传感器技术“0 。 由于上述缺点的存在，使气隙磁场定向控制算法的使用范围受到了限制。 为了简化控制算法，提高最大转矩输出，可以采用转子磁场定向控制算法 来对转矩绕组进行控制。采用转子磁场定向控制，能大大简化系统控制算法， 数字控制实现时离散化容易，耗时较少；而且该控制算法可以做到力矩电流和 励磁电流之间的完全解耦；转子磁场定向控制算法不受转子漏感的影响，理论 上无最大转矩的限制。8 ”，因而其实用性大大提高。 电枢绕组采用间接型转子磁场定向控制，令妒。，= y 。、p ，口= 0 ，利用普 通异步电机基本方程( 2 1 ) ( 2 3 ) 可以得到电枢绕组电流分量和转差率分别 为： 1 1 呷= 乎l ( 3 7 ) p l l l m 缈i r d 1 + 等力等 ( 3 _ 8 ) 螺= 型l 旦( 3 9 ) f ，1 7 实现转子磁场定向后，= 矿。、g ，。= 0 ，而径向悬浮力只与转矩绕组气 隙磁链有关，利用气隙磁链和转子磁链的关系，可以辩识出转矩绕组气隙磁链 分量： y 埘= l l ，( y l 耐+ l l i l 耐) 上1 ， ( 3 1 0 ) 目= l l 。l l a k 肛l ， ( 3 。1 1 ) 得到转矩绕组气隙磁链信息后，即可按式( 2 2 1 ) 实时求出悬浮控制绕组 所需电流值。按转子磁场定向的解耦控制算法如图3 2 所示： 图3 2 间接型转子磁场定向控制原理图 一一 垂塑墨墨垄皇垫量堡楚型堕窒皇墨墨 3 3 磁场定向控制的比较与分析 无轴承异步电机磁场定向控制系统框图如图3 3 所示，其中悬浮绕组控制 所需的气隙磁链是通过转矩绕组实时传递过去得到的。 图3 3 磁场定向控制系统框图 量 由式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可控麦克思韦力分量计算公式可知，只要得到转矩绕 组气隙磁链值，即可确定给定径向悬浮力时悬浮控制绕组所需的电流值。为了 优化控制算法，式( 2 2 1 ) 可以改写为： 阱抽1i c o s p - s i 。n p p 卫1 - 劫 b 式中屯= 厩伊耐引是气隙磁链与d - g 坐标轴系的夹角。咀转 予磁场定向为例，户即为经转子磁链折算后得到的气隙磁链y 与旋转坐标轴系d 轴的夹角， c o s , o = 1 警。又由于 、 f ，占十妒丢 阱1 2 s ap c o s 瓣- s i n 岛8 2 谢1 2 s d 岛是d - q 坐标轴系与口一户坐标轴系的夹角，即旋转坐标轴系与静止坐标轴 系之间的夹角。将式( 3 1 2 ) 代入( 3 1 3 ) 可得： 南京航空航天大学硕士学位论文 ：12妒so=丢8霞：宝-。si。n(82+力pqsin(82上象 c 。- ，a ， i l = 一i it - l qj l 弓妒j 屯l+ 力c o s + 力上e j 、“1 。 上式中，七。= 小瓦面包含了气隙磁链幅值信息：p + b 为气隙磁链 与叩坐标轴系的夹角，包含了气隙磁链相位信息。各角度关系可由图3 4 来表 示： q w 7 赡j 图3 4 磁场定向各角度关系 采用气隙磁场定向控制时，由于气隙磁链竹泰d 轴重合，9 = 0 ，式( 3 - 1 2 可以简化。转子磁场定向控制时，转予磁链w 。与d 轴重合，气隙磁链超前于转 子磁链，因此口 0 。 对上述两种磁场定向控制进行比较，可以找出其中的一些共同规律：对于 无轴承异步电机控制而言，两种磁场定向控制都能实现电磁转矩和径向悬浮力 之间的解耦控制，两者的目的都是为了得到转矩绕组气隙磁链信息。有了转矩 绕组气隙磁链信息，就能实时计算出悬浮绕组所需电流值，从而控制径向悬浮 力的大小和方向。两种磁场定向控制又互有联系，如当气隙磁场定向控制忽略 转子漏感后即为转子磁场定向控制。 转子磁场定向控制简单且能做到转矩电流与励磁电流之间完全解耦。但采 用转子磁场定向控制只能保证转子磁链恒定，而当负载变化时，气隙磁链也会 随着改变，因此无法通过控制悬浮绕组电流线性调节悬浮力大小，悬浮效果可 能会受到影响。间接型气隙磁场定向控制方式虽然复杂，但径向悬浮力和气隙 磁链之问具有线性关系，通过调节悬浮绕组电流即可线性调节悬浮力大小 同 时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故气隙磁场定向控制更适合于处理饱 和效应。 无轴承异步电机悬浮控制研究与实现 3 4 试验波形与分析 本文以一台两自由度无轴承异步电机为研究对象，分别采用气隙磁场定向 和转子磁场定向两种控制策略，对无轴承异步电机的静态和动态特性进行了实 验分析。实验电机参数如下： 转矩控制绕组：2 极2 4 槽单层同心式绕组，额定电压3 8 0 v ，额定电流0 5 a ， 定子电阻r l 。= 3 3 1 5 f 2 ，转子电阻月1 ，= 2 4 5 1 n ，定转子互感l l m = 1 2 2 9 6 h ，定子漏 感lj 户o 0 7 8 4 h ，转子漏感l l a = 0 。0 7 8 4 h ，每相绕组串联匝数阢= 5 6 0 ；悬浮控制 绕组：4 极2 4 槽单层链式绕组，定子电阻r 2 。= 3 6 t a ，定转子互感抽= o 0 0 9 h ，每 相绕组串