（电机与电器专业论文）无轴承无刷直流电机原理与控制技术.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t ab r u s h l e s sd cm o t o ri san e wt y p eo fm o t o rt h a tg e t sm u c hp o p u l a r i t yi nt h ep a s tf e wy e a r s i tc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa cm o t o ra n dd cm o t o r t h e r e f o r e ，i th a se x c e l l e n tt i m i n g c a p a b i l i t y , h i g he f f i c i e n c y , s i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，a n dc a nb ec o n t r o l l e d a n dm a i n t a i n e de a s i l y t h eb e a r i n g l e s sb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i sa ni n n o v a t i o n a lt y p eo f m o t o r , w h i c hh a sa l le x c e l l e n c eo fm a g n e t i cb e a r i n g s a si t i sw i d e l yu s e di nf i e l do fb i o l o g i c e 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 g ht e c h n o l o g y e 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 gi n d u s t r i e s ，m e d i c i n ea n ds a n i t a t i o ni n d u s t r i e s ，t h e r e s e a r c ho nb l d c mh a sr e c e i v e dal o to fa t t e n t i o n t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e s0 1 1t h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n de x p e r i m e n t so fb l d c m i n c l u d i n g m a t h e m a t i cm o d e l s ，f l u xo r i e n t e dc o n t r o l l e r , s p e e ds e n s o r l e s st e c h n o l o g ya n dt h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e md e s i g n t h ed e t a i lc o n t e n t sa t ea sf o l l o w s ： f i r s t l y 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 ei se x p o u n d e d n em a t h e m a t i cm o d e l so f r a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sa n dr o t a t i o np a r to ft h eb l d c ma l ed e d u c e d i no r d e rt or e a l i z et h e d e c o u p l i n gc o n t r o lo ft o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sf o rb l d c m ，c o n t r o ls y s t e mb a s e do n r o t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o li sd e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k t o o l b o x t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tr o t o rc a l ls u s p e n ds t e a d i l y , t o r q u ea n dr a d i a l s u s p e n s i o ns u b s y s t e m sc a nb ec o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l y , t h ec o n t r o lm e t h o di sv a l i da n dt h ew h o l e c o n t r o ls y s t e mh a sf i n es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt oa ne x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ( e k f ) ，am e t h o df o re s t i m a t i n gt h es p e e d o fs e n s o r l e s sb e a r i n g l e s sb r u s h l e s sd cm o t o rd r i v e si sp r o p o s e d t h em a t h e m a t i cm o d e l so fe k f a r ed e d u c e d ，a n dt h es p e e ds e n s o r l e s sf l u xo r i e n t e dc o n t r o ls y s t e mo fb l d c mi sc o n s t r u c t e d u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x ，t h es i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d i tc a nb es e e nt h a tt h ec o n t r o l s y s t e mh a s9 0 0 dp e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i o n f i n a l l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fr o t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o l ，t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e du s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 12 ao f t ic o r p o r a t i o n a n dt h ef 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 k a r ep r e s e n t e d b a s e do nt h ep r o t o t y p eo fb l d c m ，t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd e b u g g e da n d o p t i m i z e d t h ee x p e r i m e n t a lr i go fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi ss e tu pa n di su s e dt ov a l i d a t ec o n t r o l s t r a t e g y k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s sb r u s h l e s sd cm o t o r , m a t h e m a t i cm o d e l ，s i m u l a t i o n ，s p e e d s e n s o r l e s s ，d i g i t a lc o n t r o l 江苏大学硕士学位论文 图表说明 图1 1便携式心脏辅助装置3 图1 2圆盘式无刷直流电机在计算机硬盘中的应用7 图1 3 一种双定子结构的无轴承无刷直流电机8 图2 1无刷直流电机结构原理图l o 图2 2三相无轴承无刷直流电机结构图l l 图2 3悬浮力产生原理图1 2 图2 4 悬浮力产生相位1 2 图2 5 转子悬浮系统示意图15 图2 6 无轴承无刷直流电机控制框图15 图2 7b l d c m 控制系统框图1 6 图2 8 转矩部分仿真模型l7 图2 9 三相反电动势波形18 图2 10 电机本体模块l9 图2 11电流滞环控制模块2 0 图2 1 2 转矩计算模块2 l 图2 13电压逆变模块2 2 图2 1 4 悬浮力控制部分仿真模型一2 3 图2 15 力电流模块2 3 图2 16d q a b c 变换模块2 4 图2 17电流滞环控制模块2 5 图2 18电流调节器模块2 5 图2 1 9 悬浮位移计算模块2 5 图2 2 0 无轴承无刷直流电机仿真模型2 6 图2 2 l 控制系统仿真结果2 7 图3 1b l d c m 转速和位置辨识结构框图3 8 图3 2 基于扩展卡尔曼滤波器的无轴承无刷直流电机控制系统框图3 9 图3 3转速为4 0 0 0 r m i n 的转速曲线4 0 图3 4 转速为4 0 0 0 r r a i n 时转角及转角估计曲线4 0 江苏大学硕士学位论文 图3 5 电机在t = 0 1 s 时，突加负载1 n m 转矩所得波形4 l ， 图3 6x y 轴位移曲线图4 l 图4 1 无轴承无刷直流电机控制系统框图4 3 图4 2 供电主回路示意图”4 5 图4 3i p m 的整体使用框图4 6 图4 4 位移接口电路一4 7 图4 5 光电编码器接口电路4 8 图4 6 电流检测电路一4 9 图4 7 软件开发流程”5l 图4 8 系统软件结构5 2 图4 9 主程序流程图5 3 图4 1 0 电机转矩和悬浮力控制子程序流程图5 4 图4 1 l定时器溢出中断子程序5 4 图4 12 位置捕获中断服务子程序流程”5 5 图4 13电流采样中断服务子程序5 6 图4 1 4 位置环p i d 控制器5 7 图4 15 转矩绕组a 相端电压波形5 8 图4 1 6 转矩绕组a 相电流波形：5 8 表2 1转子位置和反电动势之间的关系19 表2 2 转子位置和三相参考电流之间的关系2 l 表2 3 位置信号和端电压之间的对应关系2 2 表3 1 a l l - a 3 2 的定义值3 6 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。 学位敝储潞嗨新躲 菩k 易私 答字日期：1 引刖0 日 答字日期涪咿阳“日 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：睨磊 日期：1 年6 肌日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁悬浮无轴承电机概况 1 1 1 研究背景 近年来，在高速机床、飞轮储能、离心机、空气压缩机、涡轮分子泵等众多 场合迫切需要高速及超高速的电力传动。此外，在航空航天、生命科学、无菌纯 净车间、腐蚀有害介质传输等特殊的电气传动领域，急切要求无接触、无润滑、 无污染的高性能电机驱动。普通机械轴承存在摩擦和磨损，并且需要润滑等，由 此带来使用寿命下降、润滑油污染等问题，导致机械轴承难胜其任，因此传统机 械轴承严重制约着驱动电机向更高转速、更高性能方向发展。磁轴承的出现，在 很大程度上解决了这些问题，克服了机械轴承的许多不足，满足了高速高性能电 机的支承要求。磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之 间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承。磁悬浮轴承具有无润滑、寿命长、 无摩擦、无机械噪声等优点，使得它在能源交通、机械加工等高速领域获得了实 际应用。目前，国内外正继续对其作全面而深入的研究。磁轴承支承的电机虽然 具有突出的优点，但在实际运用中，磁轴承的缺陷依然存在：磁轴承占据的轴向 体积较大，导致所支承电机的轴向长度较长，电机的结构较为复杂：另外电机的 临界转速和输出功率也受到极大限制，这些缺点大大限制了磁轴承支承的电机在 更大范围和更多领域的应用。因此，既具备普通交流电机特点，又兼备磁轴承优 良性能为一体的新型电机一无轴承电机应运而生【1 1 。无轴承电机的出现是高速电 机设计理念的革命性变化，是电气传动领域内一项重大突破。同磁轴承支承的电 机相比，无轴承电机有着更加明显的优点：电机轴向长度得到减小，临界转速得 到提高，电机结构也得到简化。 1 1 2 发展现状 近十年来，无轴承电机取得了较快的发展。而通过将产生径向力的线圈与电 机定子线圈结合的思想可以追溯到1 9 7 4 年，当时德国学者p k h e r m a n n 提出了 双定子绕组结构的悬浮装置产生自悬浮力并申请了专利2 ，引。而在1 9 8 5 年，日本 江苏大学硕士学位论文 学者h i g u c h i 提出了步进电机的磁悬浮电机，直流型磁悬浮电机也由美国学者p a s t u d e r 于1 9 8 7 年提出，由于当时电力电子技术和数字信号处理技术的限制， 有很多技术难题尚未解决，这些早期的磁悬浮技术只处于理论水平。 九十年代后，功率驱动技术和数字信号处理技术的发展，无轴承电机得到初 步的研究和发展，无轴承技术推广到了各种类型的电机上，形成了各种无轴承电 机的基本结构和控制方法【5 6 1 ，如无轴承开关磁阻电机，无轴承异步电机，无轴 承永磁同步电机，无轴承同步磁阻电机等等。 国外方面，j b i c h s e l 于1 9 9 0 年首次实现了永磁同步电机的无轴承技术后1 7 1 ， 在近十年来，日本学者a c h i b a 通过研究无轴承电机的特性，采用p i d 控制策略 实现了无轴承异步电机在空载情况下的悬浮运行【引。同时，他们还研究了磁阻电 机的径向力控制，无轴承异步电机带负载运行特性等。m o o s h i m a 等人还研究了 无轴承永磁同步电机的特性及其磁饱和去磁问题。在2 0 0 0 年，m o o s h i m a 等人 实现了对4 k w 、转速11 0 0 0 r m i n 的表面凸装式无轴承永磁同步电机的特性分析 和测试 9 1 。瑞士联邦工学院( e t h ) 的r s c h o b 不仅研究了无轴承电机的矢量控制 问题，还探讨了将无轴承电机技术应用在医学工程以及生物工程等应用领域【1 0 1 。 瑞士苏黎士的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。 在国内，无轴承电机的研究起步较晚，但同样也受到了许多学者的重视，在 借鉴国外成功经验和技术的基础上，众多研究单位也开展了无轴承电机技术研 究，目前国内开展无轴承电机技术研究的单位主要有：江苏大学、南京航空航 天大学、浙江大学、沈阳工业大学、西安交通大学等。江苏大学得到多项国家自 然科学基金、江苏省高新技术项目等基金支持，重点开展了无轴承永磁同步电机、 无轴承永磁薄片电机、无轴承开关磁阻电机、无轴承无刷直流电机等项目研究， 取得了一系列研究成果。 1 1 3 工业应用 无轴承电机具有磁悬浮轴承的所有优点：无摩擦、无磨损、无污染、不需润 滑和密封、高速度、高精度、寿命长等，无轴承电动机比磁轴承支撑的电机结构 紧凑，为研究小型特种新型电机提供了设计空间。小功率无轴承电动机在一些高 新技术领域具有技术和经济优势，是传统电机无法实现和替代的。需要免维修、 2 k 寿命运 r ，无菌、尤行染以及有点钉害液体或气体的传输是无轴承电动机腆慢 的应用场合，具体体现在如f 方血t ( 1 ) 、f 导体工业 在、# 甘体工业中，酸碱液以及肯机溶剂等液体输送足其t i 个照婪环节。无 轴承电机密封泉内无微小污染颗特，并能实时峨测液体的流量及压力，且：轴承 电机速度i l l 调，满足了精密半导体器件乍产业的坚求。几前，功率为3 0 0 w 和 8 0 0 w 的无轴承水磁lu 丰j l 密封采己住f 导体工业中得到应，h i ( 2 ) 牛物i 程领域 仵人一0 脏泉r h i jj i p dl 槭轴承点承的咖泉会j 。牛摩擦毋i 发热，引起跚巾和 巾柃，危及p 命。苏黎联邦l 学院和l c v i t r o n i x 公百j 研制成功的无轴承水磁咆 机- 蜓动的血泵和可以移植刮人体内的心i l l _ ，t ：心室辅助葛姜胃已经侄临眯中应川。如 幽i i 所4 i 。 日11 使掳式心脏辅助装置 ( 。 )b 轮储能 a ：轴承交流电机近足许多商新技术的天键环仃。例如，随着这关键环竹的 小断完签平u 发展，将推动前日前幽外竞桐研制的坫丁高速b 轮储能的帆l 乜电池向 能量皿大( 是雨电池的5 倍以r ) 、i f 靠悱和效率更高的方m 发展。飞轮储能系统 采用 ：轴承电机后，增加了轴向空叫利川率，降低r - e 量和体积。 ( 4 ) 化1 顿域 ， 二食。铺、化t 领域，以及放射性土境、高温辐射等恶劣条件r ，使用无轴承 电机密n 泵，能解决机械轴承易躺损和维修舴等问题，他川无轴承密封泵足其雎 件选扦之，同时r u 为产品立全及免遭污染挺“! 保陌。，) ) 、黎世暇邦i 学院和 s u l z e r 泵公百j 台作研制成r 功率3 0 k w 的止轴承南封泉，进入试运 阶段。 ( j ) 帆械领域 江苏大学硕士学位论文 振动阻尼：在传统机械轴承的转子系统中，当转子端部受到外力作用时， 转轴中部弯曲程度很大。采用无轴承电机后，径向力作用在转了表面，转轴弯曲 程度得到明显改善，其在机床主轴设计中独具优越性，机床的加工精度将随主轴 的刚度提高而提高。 机械轴承卸载：在大功率、重载使用场合，可采用无轴承电机和机械轴承 的组合系统。无轴承电机可承担大部分负载，相应降低了机械轴承的负载，大幅 度延长机械轴承的使用寿命。 总之，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。将无轴承电机广泛应用于机床工业、航空航天、机器人、生 命科学和食品工业等领域，一直是研究人员追求的目标，应用和研究是相辅相成 的。通过推广应用，才能不断提高无轴承电机的研究水平，尽快开发出性能优良 的各种无轴承电机。 1 2 无轴承无刷直流电机的研究概况 1 2 1 研究概况 无刷直流电机是一种性能优越，应用前景广阔的电机，它结合了直流电机和 交流电机的特点，既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优 点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，故 在当今国民经济领域中的应用r 益普及l l 引。 7 0 年代以来，随着现代电力电子技术和现代控制理论的发展，传统的机械 轴承支承的无刷直流电机已不能满足向更高转速和更高功率方向的发展。所以要 实现电机的高速和超高速运转必须解决高速轴承问题，磁轴承的出现克服了机械 轴承的不足，利用磁场力将转子悬浮于空间，实现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。由于磁轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、 高速度、高精度、寿命长等一系列优良品质，从根本上改变了传统的支承型式， 在能源交通、航空航天、机械工业及机器人等高科技领域具有广泛的应用前景。 磁轴承支承的电机系统虽然具有突出的优点，但依然存在磁轴承占据轴向的 体积较大，导致电机的轴向长度较长，体积较大，同时临界转速下降，电机向更 高转速发展受限制；磁轴承结构及控制比较复杂、成本较高，大大影响了由磁轴 4 江苏大学硕士学位论文 承支承的悬浮转子的电机使用范围和广泛应用。为此，如能研制一种既具备无刷 直流电机的优点，又具备磁轴承特点的无轴承无刷直流电机，具有很大潜在的工 程应用价值。 为了解决机械轴承和磁轴承所出现的问题，国内外对无轴承电机进行了研究 和发展。在这种形式的电机中，电机( 转矩绕组) 与电磁转子悬浮( 悬浮力绕组) 的功能整合使电机轴向长度变短，减少了逆变器和控制器的数量，最终降低损耗 和设备成本。悬浮力绕组和电机转矩绕组有规律的叠绕在定子铁芯槽内，使附加 的悬浮力绕组和电机转矩绕组所产生的气隙磁密分布不均衡，从而产生了径向悬 浮力。这个概念已经广泛应用在一些传统电机中，如永磁同步电机，交流异步电 机，开关磁阻电机等，并且由于其避免了轴承的机械磨损，不占用额外的轴向空 间，同时具备了转子旋转和悬浮的功能，成为特种电机研究的一个重要方向。 无轴承无刷直流电机研究起步较晚，相比其他几种结构的磁悬浮电机来说技 术还不成熟，国内外关于此电机研究才刚刚丌始，2 0 0 1 年新加坡南洋理工大学 的w a n s o n g 、k j t s e n g k 开始进行无轴承无刷直流电机电机血泵方面的研究1 1 5 】， 2 0 0 6 年日本的m o o s h i m a 教授对无轴承无刷直流电机进行了深入的研究，并指 出了其悬浮力产生原理及控制方法【m 】。国内沈阳工业大学进行了被动式磁力轴承 支撑的无刷直流电机研究【1 7 1 ，西北工业大学对无轴承无刷直流电机电机在计算机 硬盘中的应用进行了初步研究【1 8 1 ，江苏大学也在从事无轴承无刷直流电机及其无 传感技术的研究。由于其相比传统的无刷直流电机具有免维护、高寿命，高速运 转，低损耗等优点已经开始引起国内外学者的重视，具有较好的发展前景。 1 2 2 关键技术 无轴承、无刷、无传感器是近年来电机领域“三无”的新特点，将无轴承和 无刷结合起来也成为了一个新的课题，由于其与传统的无刷直流电机相比具有免 维护、高寿命，高速运转，低损耗等优点已经开始引起国内外学者的重视，具有 很好的发展前景。但因为无轴承无刷直流电机起步较晚，相比其他几种结构的磁 悬浮电机来说技术还不成熟，国内外关于此研究的文献并不多，也存在了不少关 键技术问题。 传统的无轴承电机目前需要解决的有复杂控制系统设计；强耦合、多变量、 非线性系统；悬浮力和旋转力矩之间的动态解耦；位移传感器精度；提高调试的 江苏大学硕士学位论文 灵活性等主要问题，而对于无轴承无刷直流电机来说，由于还处于起步阶段，除 了具有上述问题外，还具有以下关键技术问题。 ( 1 ) 无轴承无刷直流电动机为了能实现无电刷换向，首先要求把直流电动机的 电枢绕组放在定子上，把永磁钢放在转子上，这与传统的直流永磁电动机 的结构正好相反。所以在将无轴承电机分为悬浮力系统和电机转矩系统时， 要注意思考它的结构和原理，使之更加完善和合理。 ( 2 ) 无轴承无刷直流电机由于刚开始进行研究，目前其悬浮力产生的数学模型 主要是根据与永磁同步电机的相似性，而沿用其数学模型，具有一定的局 限性，因此还需要进一步深入研究，得出更好的数学模型。 ( 3 ) 无轴承无刷直流电机目前的控制系统比较简单，只是采用简单的p i d 控制， 在仿真中对速度的控制还不太理想，存在一定的稳态误差，因此需要考虑 现代控制算法如：自适应控制、模糊控制、智能控制和神经网络控制等。 ( 4 ) 目前的无轴承无刷直流电机主要还是采用霍尔传感器等位置传感器进行控 制，因此需要加强对无传感器技术的研究，真正达到“三无”的特点，促 进无轴承电机工业化的应用。 ( 5 ) 要采用目前最先进的数字控制器d s p 对无轴承无刷直流电机进行控制，使 之能更好的控制电机运转。 总之，无轴承无刷直流电机的研究才8 , j n 开始，存在不少问题，也有一定的 难度，但随着关键技术的逐步攻关解决，将日趋形成无轴承无刷直流电机完整的 理论体系，这必将大大加快其实用化的步伐。 1 2 3 应用及前景 无刷直流电机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、启动转矩大、 过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损耗及运行寿命长等诸多优点， 故其应用范围遍及各个领域，并日趋广泛。近年来由于永磁材料的性能不断提高 及其制造成本价格的不断下降、电力电子技术日新月异的发展以及各使用领域对 电动机性能要求越来越高等因素的影响，极大的促进了无刷直流电动机的应用领 域迅速扩展。 磁悬浮无轴承电动机具有磁悬浮轴承所有优点：无摩擦、无磨损、无污染、 不需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长等，并且磁悬浮无轴承电动机比磁轴 6 江苏大学硕士学位论文 承支撑的电机结构紧凑，为研究小型特种新型电机提供了设计空间。小功率无轴 承电动机在一些高新技术领域具有技术和经济优势，是传统电机无法实现和替代 的。需要免维修、长寿命运行、无菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输是 磁悬浮无轴承电动机典型的应用场合。而由于无轴承无刷直流电机起步较晚，相 比其他几种结构的磁悬浮电机来说技术还不成熟，国内外关于此研究的文献并不 多，但由于其相比传统的无刷直流电机具有免维护、高寿命，高速运转，低损耗 等已经开始引起国内外学者的重视，具有很好的发展前景。现在主要在于对计算 机硬盘和人工心脏血泵的研究中。 硬盘驱动器是计算机的主要的外存设备，是集磁学、电子学、精密仪器及空 气动力学等多门学科于一体的高科技产品。硬盘驱动器对其主轴电动机的要求很 高，除了一些基本要求，诸如其额定转速高，一般为4 5 0 0 r m i n 或5 4 0 0 r m i n 直 至1 0 0 0 0 r m i n ，运行稳速精度在o 1 以上，没有无线电干扰，运行寿命长，平 图1 2圆盘式无刷直流电机在计算机硬盘中的应用 均无故障率高达4 万小时以上等以外。对它的装备精度也提出了很高要求。硬盘 驱动器中主轴电机的结构一般都采用外转子结构，分内藏式和扁平式两类。内藏 式电动机的转子外径同磁盘盘片的内径相匹配，电动机长度则同它所带动的盘片 数有关。但是，随着驱动器的微型化，硬盘直径不断减小，其内孔直径也越来越 小，内藏式外转子电动机的结构已不在适用。转而采用扁平式电动机，以满足薄 型硬盘存储器的需要。图1 2 给出的就是无轴承无刷直流电动机以圆盘式电机的 形式应用在计算机硬盘中【1 7 1 。 医用无刷直流电机也是一个新兴领域，具有十分良好的发展前景。一方面在 许多传统电动医疗器械中，原来一般都采用有刷直流电动机的，在原则上都可以 用无刷直流电动机取而代之。另一方面，利用无刷直流电动机的优良特性，可开 发出许多新型电动机械器件，以增强人类同疾病抗争能力。而无刷直流电机在人 7 江苏大学硕士学位论文 输 出 口 输入口 图1 3 一种双定子结构 无轴承无刷直流电机 工心脏血泵中的应用，在国内外已经开始引起重视，进行了不少研究。图6 给出 的就是一具有双定子结构的无轴承无刷直流电机人工心脏血泵结构简副1 6 】，这是 一种集无刷直流电机与血泵为一体的结构，并且在泵室外具有双定子，泵室内具 有双转子结构，可以使叶轮稳定悬浮，并且具有很大的转矩。当无刷直流电机带 动血泵高速旋转后，转子和叶轮悬浮，血液就源源不断地从血液入口处流入，经 过高速旋转的叶轮加速后，再从它的输出口流出，从而造成血液在人体内的循环。 1 3 课题研究意义和主要内容 由于无轴承无刷直流电机具有无接触、无磨损、免维护、高转速等一系列突 出优点，在航空航天、医疗卫生、真空技术、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，特别是医用血泵和计算机硬盘系统，是 最具前途的无轴承电机之一。对无轴承无刷直流电机的研究，为减少高速驱动装 置体积重量，提高设备性能具有重要的意义。为我国无轴承电机技术理论研究和 产品实用化起到了积极的推动作用。 我国对无轴承电机的研究起步较晚，对无轴承无刷直流电机的研究水平尚处 于实验室研究阶段，对无轴承无刷直流电机的数学模型、控制策略等的研究还不 够完善，对无传感器技术的研究还处于空白，因此对无轴承无刷直流电机进行基 本理论与实验研究无疑为我国无轴承电机悬浮技术理论研究起到了积极的推动 作用。本文以无轴承无刷直流电机作为研究对象，深入研究了转矩绕组和悬浮控 制绕组气隙磁场的耦合关系，建立了无轴承无刷直流电机的数学模型。在此基础 上，研究了基于转子磁场定向的无轴承无刷直流电机的控制策略。并进行了仿真。 8 江苏大学硕士学位论文 然后对无轴承无刷直流电机的无传感器技术进行了研究，最后给出了无轴承无刷 直流电机数字控制系统的结构框图，并对软硬件关键环节的设计进行了详细的叙 述。本文具体的研究工作包括以下内容： 第一章首先阐述了无轴承电机的研究背景、在国内外的发展概况、工业应 用，然后介绍了无轴承无刷直流电机的研究概况、关键技术及发展趋势，对本文 选题的主要意义，论文的内容安排做了概述。 第二章介绍了无轴承无刷直流电机的工作原理，建立了无轴承无刷直流电 机基本数学模型，推导了电磁转矩和悬浮力公式。构建了基于转子磁场定向控制 的无轴承无刷直流电机控制系统，利用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱对该控制系统进 行了仿真研究。仿真试验表明该控制系统不仅可以实现转子稳定悬浮，而且实现 了径向悬浮力和旋转力矩之间的解耦控制，电机具有良好的动、静态性能。 第三章结合传统无刷直流电机无传感器技术，采用扩展卡尔曼滤波对无轴 承无刷直流电机进行无传感器技术研究，并给出了详细算法和控制框图等，最后 进行仿真分析，证明该方法是可行的。 第四章设计了无轴承无刷直流电机数字控制系统的硬件电路，介绍了包括 功率逆变器，传感器，接口电路等硬件构成。设计了基于转子磁场定向控制的无 轴承无刷直流电机的数字控制系统软件，详细介绍了各功能模块和整体软件的构 成，给出了控制软件流程图。并进行了相关实验研究。 第五章总结论文所做的工作及取得的研究成果，并且对进一步需要研究的 工作进行了展望。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承无刷直流电机基本原理与仿真 2 1 引言 无轴承无刷直流电机是在传统无刷直流电机的定子槽中嵌入一套悬浮力绕 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 浮力来实现转子的稳定悬浮运行。为了实现对无轴承无刷直流电机转子的稳定悬 浮控制，必须建立较为精确的无轴承无刷直流电机数学模型。本章阐述了无轴承 无刷直流电机的工作原理，分析了无轴承无刷直流电机悬浮力产生机理，建立了 无轴承无刷直流电机的数学模型，最后构建了基于转子磁场定向控制的无轴承无 刷直流电机控制系统，利用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱对该控制系统进行了仿真研 究。 2 2 无轴承无刷直流电机的工作原理 无轴承无刷直流电机是在传统的无刷直流电机基础上，在定子槽中嵌入一套 悬浮力绕组，通过对转矩绕组和悬浮力绕组进行控制，实现电机的稳定悬浮因 此分析无轴承无刷直流电机的基本工作原理首先从传统的无刷直流电机工作原 理进行。 传统的无刷直流电机( b l d c m ) 主要由永磁电机本体、转子位置检测器和 功率开关器件( 逆变器) 三部分组成，如图2 1 所示1 2 2 】。 图2 1 无刷直流电机结构原理图 1 0 同 电机ll c u 江苏大学硕士学位论文 电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装 置。定子绕组一般制成多相，转子由永久磁铁按一定的级对数组成，电子开关一 般由功率电子器件和他的控制电路以及转子位置传感器所组成。 图2 1 为无刷直流电机主电路图，交流电源整流、逆变后，成为可控的交流 电加入到电机定子绕组上，逆变器的输出频率控制不是独立的，而是根据电动机 转子的位置来决定。 根据传感器检测到的转子位置信号，经驱动器处理，使得v t l v t 4 导通、 v t l v t 6 导通、3 v t 6 导通、v t 3 一v t 2 导通、v t 5 v t 2 导通、v t 5 一v t 4 导 通，也就是说将直流母线电压依次加在a b 、a c 、b c 、b a 、c a 、c b 上，这样 转子每转过一对n s 极，v t i v t 6 功率管即组合成六种状态依次导通。每种状 态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间 跃变6 0 。电角度，转子跟随定子磁场转动相当于6 0 。电角度空间位置，转子在新 位置上，使位置传感器产生一组新信号，新的信号又改变了功率管的导通组合， 使定子绕组产生的磁场再向前跃变6 0 。电角度，如此循环，无刷直流电动机将产 生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的， 而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 无轴承无刷直流电机，采用短距绕组分布，它由一个1 2 槽的内部定子铁芯 和一个8 极的外部转子构成，永磁体安装在其转子铁芯的外表面上，其结构如图 2 2 所示。 y 图2 2 三相无轴承无刷直流电机结构图 电机结构和电机转矩绕组分布与传统的无刷直流电机相似，其u 、v 和w 相电机绕组分别用m u 、m v 和m w 来表示，而在定子铁芯上又嵌入了悬浮力绕组， 分别j 玎s u l 、s u 2 、s v l 、s v 2 、s w l 和s w 2 等6 个绕组术表不，其中绕组s u l 和s u 2 为u 帽悬浮力绕组，绕组s v l 和s v 2 为v 向悬浮力绕组，绕组s w l 和s w 2 为w 相悬浮力绕组，每个绕组都叠压血定f 槽内，并且蒋压在轴两端并n 天下轴c 扣心 对称的埘个定了槽l 的绕纽为一对悬浮力绕纽。由此它们组成了一系列的糍浮力 绕组如s u l ，s v l 等。悬浮力绕组的产，i 的气隙磁密打破气隙叶| 磁密的、f 衡而产 生径向悬浮山，仃意悬浮力都可以n j 在x 轴和y 轴的舟n 产乍。 在一个= 相无轴承尤刷直流l b 机中，其旋转转矩产生原理与传统的- , i , 1 1 无刷 直流电机。样。h2 3 给“ 了- a , i i1 2 楷8 绂转子无轴承光刷直流 乜机怂； 力产 牛原理罔。蜘i 图所示，当转子角何于0 。j15 。之叫h t ，v 相悬浮力绕组s v l ， s v 2 通电，导致气隙1 ，2 处磁密分巾小均匀，其中气隙i 处的融管增加，气隙 2 处的磁密减少，从而产生了v i 负方向j 的悬浮力n | r 刁样的，一l 隙3 处的磁 密增加，7l 隙4 处的磁密减少，而，。生v 2 负方m 上的悬浮力r 2 。吲此调廿悬浮 力绕组s v 】和s v 2 的幅f 占和方向，j 以产小x 轴l 一向的悬浮力一，其为f 耵1 n 2 的山。叫圳肖u 或w 斗h 的悬浮力绕组s u l 、s u 2 戏s w l 、s w 2 通电时，j “生相 应的悬浮力。悬浮力绕纽的通电隋酣士要取徙于其转f 位置角。其怂浮力产乍相 位如罔2 4 所1 ；。 om m _ 、 - hr j j 磁j 图2 , 3 悬浮力产生原理图 2 3 无轴承无刷直流电机数学模型 l 。少 f y ， 图2 4 悬浮力产生相位 口前国际上埘丁无轴承 a 目i 的研究一般足将其分为电机转矩系统和悬浮力 系统进行研究m 【。】州样对于无轴承无刷直流电机柬说，电一，分别对其转矩数学模 型和悬浮力数学模型进行分析和研究i “l 。 江苏大学硕士学位论文 萋 = r 蚕善曼 量 + 考兰錾 詈 兰 + 三 c 2 ， 囊 = r 莒三量 兰 + 三j - m 三二o m l 石, l p 乏h1 j + | ! c 2 3 ， 江苏大学硕士学位论文 t = ( e 甜f h4 - e v f v 。+ 2 w f w ) ( 2 4 ) 国 一 所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制控制电机的转矩。 2 3 2 悬浮力数学模型 在转子悬浮控制中，转子径向位置x 轴和y 轴相互垂直，用气隙传感器进行 探测。探测到的转子径向位置与参考位置的差别用x 轴和y 轴上的比例、积分微 分( p i d ) 控制器进行调节。结果对参考悬浮力c 和e 进行确定。根据参考悬 浮力和探测位置角咖，悬浮力绕组的电流形式根据每相给定电流得以确定。 当转子角位于o 。1 5 。和4 5 。6 0 。之间时，v 相悬浮力绕组s v l 和s v 2 通电，绕 组s v l 和s v 2 上的电流毒。和毫：与悬浮力e 和e 的关系式为： 阱伢怔。洲o s l 剪2 f f 翻 住5 ) 其中k 为电流常数，由图4 ( b ) 可知，v i 和v 2 轴相对于x 轴和y 轴逆时针旋 转了1 2 0 。 转子角位于1 5 。一3 0 。和6 0 。7 5 。之间时，u 相悬浮力绕组s u l 和s u 2 通电，绕 组s u l 和s u 2 上的电流乇。和艺：与悬浮力e 和e 关系式为： 盼懂h 别 ( 2 6 ) 其中u l 和u 2 轴对应于x 轴和y 轴。 转子角位于3 0 * - 4 5 。和7 5 。- 9 0 。之间时，w 相悬浮力绕组s w l 和s w 2 通电，绕 组s w l 和s w 2 上的电流，和己：与悬浮力c 和e 关系式为： 褂x 褂k 瞄咖s i n 2 4 0 0ll习b三, 住7 ) 可知w l 和w 2 轴相对应于x 轴和y 轴逆时针旋转了2 4 0 。 e h ( 2 5 ) ( 2 7 ) 式可知，悬浮力绕组s u l s u 2 、s v l s v 2 和s w l s w 2 在9 0 。周期内逐次通电，结果使转子平稳悬浮而无任何机械接触 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 3 3 电机运动方程模型 设m 为转子质量，j 为转子转动惯量，t l 为负载转矩，b ，b 分别为x ，y 上外加干扰力分量，则电机运动方程如下 足+ 兄一e = m 2 ( 2 8 ) 易+ 一e = m y ( 2 9 ) t r = 百d 百d c o ， ( 2 1 。) 根据公式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 得到图2 5 的转子悬浮系统运动方程示意图。 图2 5 转子悬浮系统示意图 2 4 控制系统设计与仿真 在无轴承无刷直流电机中，像传统无刷直流电机一样，电机绕组的u 、v 和 w 相周期性的导通。悬浮力绕组也根据转子位置角相应的导通。结果使转子平 稳悬浮而没有任何机械接触。 在电机控制中，霍尔传感器每3 0 。对转子角位置臼进行探测。根据参考电流i 1 , 图2 ，6 无轴承无刷在流电机控制框图 器 江苏大学硕士学位论文 和探测位置角0