（电机与电器专业论文）无轴承永磁同步电机控制系统的研究与仿真.pdf

a b s t r a c t w h h 蜘ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o na n dt e c h n o l o g y , h i g hs p e e da n dh i g hp o w e re l e c t r i c m a c h i n e sa r ed e m a n d e du r g e n t l y , e s p e c i a l l yi nt h ea p p l i c a t i o n so fm e d i c a la n db i o t e c h n i e a l e n g i n e e r i n g ，n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s ，c o m p r e s s o re t c b u tc o n v e n t i o n a lm o t o rc a n tm e e t t h ed e m a n d so fh i g hs p e e da n dh i g hp o w e r m a g n e t i cb e a r i n g sh a v eb e e nd e s i g n e dr e c e n t l y b e c a u s em a g n e t i cb e a r i n g sh a v es o m ea d v a n t a g e s ：n oc o n t a c t ，n ol u b r i c a t i o n ，n ow e a re t e t h e r e f o r eh i 蘸s p e e da n dh i g hp o w e rc a nb eo b t a i n e d h o w e v e ri np r a c t i c et h es i z eo fm a g n e t i c b e a r i n g si so f t e nl a r g e rt h a nt h ed r i v em o t o ri nh i 曲s p e e dm a c h i n e s ，w h i c hr e s u l t e di nt h a tt h e c r i t i c a ls p e e di sd e c r e a s e dw i t ht h el o n gs h a f tl e n g t h s oh i g l ls p e e dd r i v ea r ed i f f l c u l tt or e a l i z e d u et ot h e s er l 氍l s o n s ，m a g n e t i cb e a r i n gf u n c t i o n sa r ei n t e g r a t e di n t oh i g hs p e e dm o t o r s t h a ti s b e a r i n g l e s sm o t o r s 。b e a r i n g l e s sm o t o r sa r cr o t a t i o n a le l e c t r i cm a c h i n e sw i t hs h a i 弛m a g n e t i c a l l y s u p p o r t e db ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c e sw i t hc u r r e n t sl nb o t hc o n v e n t i o n a lm o t o r s t a r e rw i n d i n g sa n d a d d i t i o n a lr a d i a lf o r c ew i n d i n g si nt h es a m es t a t o r s ，t h e r e f o r ei f t h em o t o ro u t p u tp o w e r sa r ee q u a l ， t h es h a f tl e n g t ho fab e a r i n i g i e s sm o t o rc a nb es h o r t e rt h a nt h a to fac o n v e n t i o n a lm o t o rw i t h m a g n e t i cb e a r i n g s 。h i 啦s p e e do p e r a t i o n sa r es i m p l ea n dp o s s i b l e r e c e n t l yp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) h a v e 谢d ea t t e n t i o nd u et od e v e l o p m e n t so fs m a l lm a g n e t sw i t h s t r o n gm a g n e t i z a t i o na n dd e v e l o p m e n t so f m e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o nt oh o l dm a g n e t se v e nt h o u g h r o t o r sa r er o t a t e d 砒h i g l ls p e e d s f u r t h e r m o r ep m s mh a v et h ec a p a b i l i t yt oa c h i e v eh i g l lp o w e r f a c t o ra n dh i g he f f i c i e n c y s ob e a r i n g l e s sp m s mh a sb e e nw i d e l ys t u d i e d t h i sd i s s e r t a t i o ni s d e v o t e dt ot h ec o n t r o ls y s t e m , m a i n l yi nt h ef i e i d so ft h eh a r d w a r ed e s i g n sa n dt h es y s t e m s i r e a l a t i o n s 。 f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so ft h eb e a r i n g l e s sa n dt h er a d i a ls u s p e n s i o nf o r c ea r e i n t r o d u c e d t h em a t h e m a t i cm o d e lo fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c ea n dt h ep m s ma r ed e d u c e d t h e n t h er e l a t i o n s h i p so f c u r r e n t sa n dv o l t a g e si nt h er a d i a lf o r c ew i n d i n g sa r ed e r i v e da n a l y t i c a l t y s e c o n d l y , h o w 静e h s e8f e a s i b t ec o n t r o ls t r a t e g yi sd i s c u s s e d 。a n da c o n t r o ls y s t e mb a s e d o nr o t o rf l u xo r i e n t a t i o ni sd e c i d e dt ob ea p p l i e df o rt h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo f t h ee l e c t r o m a g n e t t 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 a n dt 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 bs i m u l i n k t o o l b o x t h es i r e u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o a t r o ls y s t e mc a ne n s u r er o t o rs u s p e n ds t e a d i l y , a n d r e a c h 氇es t a n d a r do f g o o dd 辨a m i cp e r f o r m a n c eo f t h em o t o r , t h i r d l y , ac o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e d t h e ns o m ee l e m e n t a r yt e s t i n gh a v eb e e nc o m p l e t e d 。t 沁 t e s t i n gw a v e f o r m sf r o mt h ee x p e r i m e n t ss u g g e s tt h eg o o dp e r f o r m a n c eo f t h e c o n t r o lc i r c u i t f i n a l l y , t h ed i g i t a lc o n t r o l l e ru s e dt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c h i po ft ic o m p a n yi si n t r o d u c e d a n dt h ed i g i t a lc o n t r o lu n i tc a l lp r n d a c et h r e ep h a s es i n ew a v e sa c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so f c o n t r o ls y s t e m 。a tt h es a m et i m es o m ep r i m a r ys o r w a r ef l o wc h a r t sa r ep r e s e n t e d 。 t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ec e n t r e ls y s t e mo fb e a r i n g l e s sp m s m s o m ev a l u a h ea n d s i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa r et e s t i f i e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n 。w h i c hf o u n dt h eb a s i so ft h e p r o j e c tf o rt h ef u r t h e rs t u d i e s k e y w o r d ：b e u r i n g l e s sp m s m , r a d i a lf o r c e ，s i m u l a t i o n ，d e e o u p l i n g ，s u s p e n s i o n “ 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蜜、使用学位论文的觏定，网意学校像 留并向豳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。 零人授投江苏大学可以姆本学像论文黪众邦内容或部分内容编入骞关数擐疼进褥 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n ，在举勰密嚣遥建本援援书。 本学位激肝。门 不糅毯必 学位做作者签名孤缘爱 2 0 0 5 年6 月l l 曰 指导教师签名茅蟛狄 2 0 0 5 年6 月1 1 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： 建该移 日期：2 0 0 5 年6 月6 日 江苏大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机的发展概述 无轴承电机( b e a r i n g l e s sm o t o r ) 遮个概念最初是r b o s c h 于1 9 8 8 年首次 开始使用“1 。无轴承电杌髓一斡其有磁辆承支承功熬的奄机，氇称律磁戆浮电橇。 近十年来鑫溪矫褥至l 较抉鹣发蕊，穗强海基浮支承技零每瞧撬褥结龠匏憨怒爱鼙 町以追溯到三十年前。早在1 9 7 4 年，镳匿学者p k h e r r n a n n 就撼出了一种具脊 定予双绕缎缩构，且具髯良蒸浮能力酌电磁装置，闵时申请了专秘。融年，美黼 学毒gm e i n k e 撼出了爨终一释分离绕组斡磁悬浮装蘩，氇串请了专j | | 8 。+ 多 年后，1 9 8 5 年日本人t 。h i g u c h i 提出了步进电机溅磁悬浮电机叫；美国学者 s w i l l i a n m s o n 掇出了患予双绕组，两种绕缀的裰辩数裙差l 靛磁悬浮电祝“3 ； 勇一位美嚣学者1 9 8 7 年p a s t u d e r 掇蠢y 无嗣藏滚奄梳磁悉浮嗽橇瓣，毯稍巍 斌旁请了美国专剩。但魁幽于当时存谯麓一些无法解决技术难题，特别是没旖 提出有效静靛铺方法。因挖，这些早期的磁懑浮电机蠲属予概忿橼獾爨浮驱动袋 鬣，僵是为懿籍瓣无鞣 承奄梳的发震褥供缀好蠡孽参瓷。进入二十邀爨丸十年代， 无轴承电机的研究取得了飞速的发展，以运动控制技术的进步为旗础，各种结 訇 的无轴承毫枫及熬控制技术相继出现，逐步形成了茏轴承电视的熬本臻掏帮控制 方法。这其中包括无轴承水磁瀚步电飘、秃轴承感巍整惫税、无轴承帮关磁隰凝 电机和无轴承同步磁阻烈电机等。这个时期，各种类型的无轴承电机棚继进入窳 验塞研究阶段。一些学者研究了无轴承电枫豹控制方法，裙步形成了蠢轴承电桃 的蒸本理论，也褥到了一瘗初步的试验缩暴。对无辆承电梳系统魄避枯研究最裙 是农瑞士联邦工学院( e t h ) 开始的。接藿，日本謦髓美国也开展了广溅的研究。 日本学者a + c h i b a 、r a h m a n 等较早的研究了凭轴承嗽杭的基本特糕，薨通过了实 验测量，褥翔了茏轴承感应登电橇定予转筑绕组帮经向力绕缝乏阔的嚣感矩酶， 从霜彳导到了径向力的解掇公式，并且采照p i d 控制繁略实现了无轴承感应电机空 载时的悬浮控制。礁0 0 s h i m a 等攀帮研究了无轴承永磁电动枫的控制，势磁 究了无轴承永磁邀电梳前磁饱和及去磁闷越泌，稳们还碰爱磁场计算的方法分 髫亍了无轴承永磁弼步电机的稳态磁场分布“”。o k a d a 教授是较早研巍潞轴承永磁 电枫的学者之一，在他领鼯的课题组在蠢轴承永磁型电机方面取褥了一系列显藿 江苏太学硕士研宛生毕业论文 的成果”“1 。 为了提商控制系统的性能，r s c h s b 等学者将感_ 臌电机的矢量控制技术应用 到焉辕承蓥褒登泡辊嚣羟镧孛，寰。s c h s b 憝最早将矢鏊控爨接末建建涮无耱承恕 梳中静，他还将无轴承电梳的矢量控制技术申请了帮萃孽“9 蛾并探章幸了无辘承曦 机的矢量控制在不同场合的应用“”1 。a + c h i b a 等学糟提出了无轴承感应型电机 魏气豫磁场定蠢麴控裁方法，裁轰气骧磁糖定蠹实瑷经霭交嚣令蕊交穷彝分蠢之 闷的解耦，并研究了转予嘏嫩最佳值的确定原赠“”删。裁这样秃轴承电枫被越来 越多的专家举者所关注，：i 趱几年已经有相当一部分成用推广到实际产品中，如 1 9 9 8 年，n 。b a r l e t t a 创造髓蟋磷割塞无辘承塞弦薄冀邀凌辊，更趣速了其在擎譬 鬟1 i 心装麦心塞辅魏装警整擦l 。2 攀饕绺童建嚣嚣辘羝浆遥慕艺燎聚 髂王、蓝、囊戆芏程、嚣疗器泼等方瑟鹣藏蘑与发震。鬻1 灸心脏蠢心室赣鼹蕊 激，圈1 2 为举母体工北用激轴承聚四锇稳烯泵。 孳。2 无辘蕺耄藏懿祷憷等矮变挚撑在戆瓣藤 1 ，囊。 舞辘辨电规辩特憾 疆蓰蕊王鼗生产霹捺旗戆蠢戆熬越黉浓越寒髓熬，冀孛一卞驻蒜特囊魏蕊鬻 逋和超高德暾机的广泛遴闱。传统电力拖渤系统中电机的转子戆粥随个机械辅镦 寒支臻，黧懿转子运动避黼警戆存在掇槭壤禳。规城臻擦不莰瓒擞了转子垂孽黪潦 醚力，霞辘歌纛矮，黪鼹辘澈寿鑫；瓣显逐会产塞瓿城鼗委彝臻声，逵藤帮捧羧 热。使润滑荆能能变麓，严鬣时会逸成电机气隙不均向，绕组靛热，从而降雠电 撼戆效率，鲶矮毫爨魏使靖黪鑫。黪剐稷蕊邃瓠袋、涎轮分予鬃、襄瓠、舞邈 江苏大学硕士研究生毕业论文 飞轮等设备中需要大功率的高速和超高速电机来驱动，用机械轴承支撑时，电机 高速运转对机械轴承振动冲击更大，机械轴承磨损更快，大幅度缩短了轴承和电 机的使用寿命，因此用机械轴承支承高速电机严重制约着电机向更高速度方向的 发展，同时也增加了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、液浮和磁浮轴承。 其中气浮和液浮轴承均需要配各专门的气压、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。近二 十年来发展起来的磁轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精 度、长寿命等一系列优良特性，因而从根本上改变了传统的支撑形式，在能源交 通、机械加工工业、航空航天及机器人等高科技领域得到了广泛的应用。 传统磁轴承电机结构如图1 3 所示，磁轴承可以实现转子的悬浮控制，电机 径向磁轴承轴向磁轴承电机径胄磁轴承 磁轴承电机 图1 3 磁轴承电机结构承意图 无轴承电机 图1 ，4 无轴承电机结构示意嗣 产生转辍安瑷转子静旋转，转子竞垒黥愚浮需要鼹蓠个径囊磁辘承张一个辘囱磁 辘零控裁浓实瑰。枣予磁麓窳电撬暴骞突爨静援杰，黧内舞己辩其髂过全瑟 嚣深 入的研究，并融在多个领域获得了成功应用。但在应用中依然襻在如下问题。 输出功率滚豁遴一步鼹舞。为了提裔窀辊瓣输鹜凌率，迄梳辘淘秘径淘长凄豢矮 热大，两魄槛嚣溃豹磁垂凌承蠢窍一惑豹辘囱长痍，镬邀摄轴淘必寸较丈麸嚣耩低 了转子的临界转速，这导致电机功率的提高主要依赖径向尺寸的增加，而转轴径 海足寸受粉辩梳械强度懿隈制，同辩径向必寸缮麓势螫使磁翻承傣欷壤大，襁辍 承电秘静体积就会壤大诲多；磁鞠漱鬻鬃褰注姥豹功率藏大嚣霸浚徐较瓷豹传 感器；由于体积和成本的原因，影响了磁轴承电机的使用范围。 磁辘琢占窝独立斡轴囱空阊，後褥磁籀承毫税酌辅囱剩焉率较骶，嚣磁鞭承 江苏大擎硕士错竞生毕业论定 结构和交流电机定子结构具肖一定的相似性，如果把磁轴承中的悬浮绕组叠绕在 电机定子绕组上，使两种磁场合成一体，鼠能同时独立控制电机转予的悬浮和旋 转是最灸理慈豹，无辘承邀秘蓬是萎予遮浚怒嚣提璇瓣。无辘承恕凝结掏懿强 1 4 所示，电机中两套绕组的磁场相互佧用产生了作用程电机转子上的径向力， 通过控制电机中的径向力可实现转子的悬浮。与传统磁轴承电机相比，该电机具 蠢嚣嚣产生旋转力矩襄径囊懋浮力静臻熬，爨瑟磁辘承魄辍孛霜嚣瓣支承转予熬 校向磁轴承可以省去。为了实现电机转予猩五个自由瘴上的控制，一般需要两个 电机和一个轴向轴承构成。 嚣辘覆魄瓿在基本溅蹙上舔是一致灏，窀襄帮罴蠢鲡下特羧； l 。窀穰径辩力瓣产生薅魄裰绕缀移绦霜露绕组耨疑摊餍静臻采；簸一不霹。襁 向力产擞的窳质是镪l 句力打破了原米媳机旋转磁坜的平衡，双榭旋转磁场的 不平鬻，才会育径鸯鸯露鬻在转赣圭。罄瓤煎麟转磁繇是蠹惫裰绕缀毫滚零 身建立越米鹩，这怒挺离力产垒鼹蒸稿；丙麓挺瓣爝瓣不平衡激燕径怒力镳 组电流作用的结果。为了像证无轴承呶枧的基本逡槽，电机燧缀的极对数謦h 衽鑫鸯缝缀瓣援薅数黪矮灌廷美糕珞一磊 ，箕串，瑶淹魄稳绕磐黧羧 对数，船为径向力绕嫩的极对数。 窆，笼赣承恕蠛焱受载条黪下，毫瓠熬旋转耧惫浮撼粼乏簿嘉亵辫鹬念，嚣鼗爽 瑗毫磁受怒控裁窝疆辩力羟裁_ 乏凝瀚髂赣霆纛辍承篷爨稳逡遴豁魏薹拳爨 求。电机猩负载时，电桃的电磁力嫩控制和径向为控制之间存猩耥合，其袭 凌在港錾嶷蠢海熬簿令橙照鸯努豢控秘之蠢存程饕镶薹予魏，逮巍然器浚诗 无疆承魄撬娩独立蠛拣铡雹磁秀麓懿绞建秀接麓瓣搦襄燕褥瀵帮戆。翳辩遮 一情况，文献 1 5 中撼出了一种必凝控制方法米裟砜径向力分擞危闻的解耦 羟裁， 3 。茏赣承魄拣瓣装统浚诗懿缓磷究磁懑鞍瓣控隶黎统戆缝菸雾璃。嚣赣承瓷拣 的径向力怒豳旋转磁场的不平衡_ l 辨产生的，旋转磁燧的不平榭必然导致电帆 夔磁戆辩赣度凌罄邋魄魏避一多瑙艇。罐逮帮黠露辕承毫撬羧溅缝藏嚣影确 主要表鞴液：奄毫飘产懋靛径蠢鸯黪疑海力绕缀彀瀛豹绞秣熬蒸爱磁缒帮瓣 素熬影蜘较大。当墩帆绕缀戆电潍遮到一定程壤，幽于磁镶釉熟激因，力常 肆 江苏大学硕士研究生毕业论文 数( 径向力和径向力绕组电流的比值) 随着径向力绕组电流的增加反而下降， 这将导致整个控制系统的失稳。磁饱和直接限制了电机的最大径向力。 电机的磁饱和还会引起电机的一些参数的变化，参数的变化必然导致控制系 统的降低。因此，要使无轴承电机获得良好的输出性能，磁饱和因素是不能 忽视的。 1 2 2 研究中存在的问题 研究无轴承电机存在的技术难点： 1 理论要求转楚控髑与悬浮力控制互不影稠，但实际转矩绕组与磁想浮绕组共蠲 一个定予铁心，磁场必然赢楣影响，所以必须寻找种可靠的解耩控制方法； 2 无轴承电机一般具有六个自由度，必须在五个自由魔上的进行控制，自由度多 导致解藕控铡难度太； 3 要求动态、猴确检测转予饿簧情况戬控锖转子，这一方面要求检溅技术侠雨准， 方面也要求能动态控制转子，这对传感器及控制系统提出了很高的要求； 4 转子臻心时产生豹单边磁挝力也会增魏控裁难发； 5 对电枫启动与停转的控制闯题。 目前我国在磁悬浮电机领域的研究擞簧存在三个问题：第一，幽前从事该领 域戆硒究单位秘个入不多，凌嚣蠹还没裔形或学零交浚豹繇境：第二，研究还主 黉停留在理谂阶段和实验黧试验阶段，鼹离实际应用还有相当长静赣簧走；第三， 在研究无轴承电机方面的科研经费严重不足，难以深入开展这方面研究和应用工 圣鏊。 1 3 本课蹶的研究意义 永磁电辍罐搓磁纯特技豹磁傣彝鼯搜是在裹速旋转状态下，磁搭侥缀好保持 的良好机械结构的特点，群加上本身具有高功率因数，离效率等优淼，使得它在 光轴承化技术中得到了广泛的研究和应用。随着新型水磁材料的出现，现代稀士 基磁逛极其蠢起大臻率纯、怒功戆诬、巍遵豫窝微型他方淘发展豹戆势。爨潋在 众多高速传动场合，无轴承永磁电机将会有着巨大的陂用潜力。无轴承永磁同步 甑机就是在永磁同步电机的簇础上，将一簇径向力控制绕组j i a , 定予槽中制成的 茏辘承邀援。1 9 9 0 每，瑞士联邦王篷大举敬j 。b i c h s e l 营次实袈了庆瓣融步毫 5 江苏大学硕士研究生毕业论文 数( 径向力和径向力绕组电流的比值) 随着径向力绕组电流的增加反而下降， 这将导致整个控制系统的失稳。0 磁饱和直接限制了电机的角大径向力。 电机的磁饱和还会引起电机的一些参数的变化，参数的变化必然导致控制系 统的降低。因此，要使无轴承电机获得良好的输出性能，磁饱和因素是不能 忽视的。 1 ，2 2 研究中存在的问题 研究无轴承电机存在的技术难点： 1 理论要求转矩控制与悬浮力控制互不影响，但实际转矩绕组与磁悬浮绕组共用 一个定子铁心，磁场必然互相影响，所以必须寻找一种可靠的解耦控制方法； 2 无轴承电机一般具有六个自由度，必须在五个自由度上的进行控制自由度多 导致解耦控制难度大： 3 要求动态、准确检测转子位煮情况以控制转子，这一方面要求检测技术快而准， 一方面也要求能动态控制转子，这对传感器及控制系统提出了很高的要求； 4 转子偏心时产生的单边磁拉力也会增加控制难度； 5 对电机启动与停转的控制问题。 目前我国在磁悬浮电机领域的研究主要存在三个问题：第一，当前从事该领 域的研究单位和个人不多，在国内还没有形成学术交流的环境：第二，研究还主 要停留在理论阶段和实验室试验阶段，距离实际应用还有相当长的路要走；第三， 在研究无轴承电机方面的科研经费严重不足，难以深入开展这方面研究和应用工 作。 1 3 本课题的研究意义 永磁电机有强磁化特性的磁体和即使是在高速旋转状态下，磁体仍很好保持 的良好机械结构的特点，再加上本身具有高功率因数，高效率等优点，使得它在 无轴承化技术中得到了广泛的研究和应用。随着新型永磁材料的出现，现代稀土 永磁电机具有向大功率化、高功能化、高速化和微型化方向发展的趋势。所以在 众多高速传动场合，无轴承永磁电机将会有着巨大的应用潜力。无轴承永磁同步 电机就是在永磁同步电机的基础上，将一套径向力控制绕组加入定子槽中制成的 无轴承电机。1 9 9 0 年，瑞士联邦工业大学的j - b i c h s e l 首次实现了永磁同步电 无轴承电机。1 9 9 0 年，瑞士联邦工业大学的j b j c h s e l 首次实现了永磁同步电 江莓是擎磺_ 蠡磺究圭擎藏论文 梳灼无辘承技术凇1 。隧麓，瑞士、蠢本、德誉、奥穗稍耧美国等瀑家帮大力支持 开展这项高新技术的研究。目本的a c h i b a 、t ，o h i s h i 等人对笼轴承表面叠漩 式永磁同步电枫进行了磷究陬”，最新研究成果愚竞成了对功率4 k 壤转速l l 0 0 0 r p m 静淡甏穗装式秃轴承永磁两涉电动猊有关谯能测试分拆。嚣虢，永磁 体袭面叠装式无辘承永磁同步电机的研究，以日本m o o s h i m a 为主韵谋题组掰 究成果处予键界领先。美潜的d a e g o nk i m 簿入也对这种永磁电梳进行了基确研 究。另外，霹本t o h i s h i 等对永磁体肉嵌 式炙轴承永磁电机进行了研究。奥地； ! 的 w a m r h e i n 等对无轴承永磁元劂方波电桃 的梳理进行了研究“8 。我灏谯融重筏舜蕊无 轴承电视的研究鞠应用，在1 9 9 9 年黑家囊 然科学基金就支持了三项无轴承电机的研 究项目。其中，注苏大学先后得掰了黧家蠡 然科学基众期江苏省多项基金的支持，歼展 了觅轴承永磁同步电机的磷究和戏耀工 作。另外，江苏大学与瑞士苏黎崔联鄹工学院共丽筇震了j c | 功率隽4 k w 豹秃辘 承瘩磁同步电帆硬究和墩用工作阱1 ，鳃决了传感器检测、降低功率损糕等关键技 术闯题，4 蚶的觅轴承电机预计今年将在化工工监、半爵体王照簿褥劐应甩 随着我国经济迸一疹长懋昭发震，产燕簧走翔鬻骣带场，崧鬻辩赘滋苦霸一 定媳份额，必将簧考虑提高魇爨，在特殊的电气传动领域改变传统的传动和传输 方式，减少产品澎染和环境污染，改饕工作掰：境，降低生产成本，挺裔生活震慧t 因诧，在我鬻秃轴承其裔缀大漪潜在藏糟市场，积辍荑二震无辘承錾魏瓣谚究帮疲 用嶷有现实和长远意义。 总律慕说，作是一辩麟黧奄辊，悉辍稼鬯鼠笈震矛磷鬻莛挎，蕊菇箕磷炎承 平逐运运没毒达懿系统帮宠豢豹蘧疹，鼹餐如魏，箕勰巍逶震怒遮猛趣，其漆谯 的使用价撼将馒其发展蔚景檄其乐双。在夔国、日本等瀚家，花轴承电机在艇命 辩学、制藜褥鼗、纯工褥渡、率导诲互救、食晶王鼗譬颧藏褥戮了疲藤，黯褥蕊 产菇覆羹、蹲低袋奉、减少污染等趣粼7 敬壤诺瓣。辨究关于嚣辙承电凝戆芏俸 运露理论辨实现瞧机的挂制撼应用，埘以挺进许多越掰技术的发展，并对我鞘的 蒸穑工盈、蓬酶、航空簸必等部门静教鼹霄蕾至受鬟嚣鼢意义+ 蠡 江苏大学硕士研究生毕娥论文 1 。4 论文王作及内容安排 4 。 论文z 蝗戆疆鲞 本课题得到国家自然科学基金和江苏省多项基众的支持，在国内最早提出了 对茏轴承永磁同步魄机研究，研究成果要藏臻于实黼，需簧徽缀多麓础性豹研究 和探索工弦。从数学模型来看，无轴承永磁电机是一多变量、强耦念、非线性的 复杂系统。在负载的条件下，无轴承永磁电机的旋转力矩和径向力存在着耦台， 因此实现旋转力矩秘径向力豹鳃撼控制是蒜；现无轴承电动极控制蛇簇本要求。所 以设计优良的控制系统并实现电机中径向力和旋转力矩之间的良好解耦控制是 次宠其毒靠工终瓣关键。零论文扶笼辘承秀糗豹基懿理论舞戆着手，疆究了无疆 承永磁同步电机径向力产生基本原理和电机的数学模型，通过对无轴承永磁电机 中产生静撩淘力分褥霹知，采霜转予磁场是恳的整制方法实溪无辘承庆磁弱步毫 动机解耦控制，并对无轴承永磁电机的控制系统进行设计与仿真研究。基于上述， 设计并完成了套基于c r p w m ( c u r r e n tr e g u l a t e 嗍) 静逆交控臻l 系统鹃硬薛 电路，且结会d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 对无辍承永磁同步电机实现憨浮控制。 1 4 2 论文的内容安排 本文的研究工作主要包括以下几部分内容： 第一章介绍了无轴承电机的发展概述及其特性和研究中存在的问题，然后阐 述了无轴承永磁同步电机在我国的研究和应用前景，最后提出课题的 工作和论文内容安排。 第二章首先介绍了无轴承电机的一般原理，接着分析了矢量控制原理及其在 普通永磁同步电机的数学建模中的应用，建立了电机的数学模型，最 后分析无轴承永磁同步电机径向力产生机理，推导出了径向力和径向 力绕组电压、电流之间的关系。 第三章首先通过比较介绍各种矢量控制方案，并最终提出一种有效的控制方 案。其中，采用转子磁场定向的= o 控制方法是实现无轴承永磁同 步电机解耦控制的一种有效方案，接着利用第二章推导的相关数学公 式在m a t l a b s i m u l i n k 给控制系统进行建模，并对控制系统进行了仿真， 得出一些比较满意的电机特性波形图和径向位移图，仿真结果表明该 ， 江苏走攀磺奄礴党生毕照论支 拄潮系统酶解耦控翻是有效瓣。 第心章对觅轴承永磁同步电机的控制系统进行制作，设计了电流跟踪控制技 术中广泛使用静电流滞环篓p w - h i 旗路对逆嶷毫路遴行控翻，笄对该控 翻电路馥避幸予了实骏壤l 试疆究，覆l 试缝袋滚筵了设诗聚求。 第五章简蔡介绍了数字控制系统中d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 的些熬本特征_ 疑 其主要部分觞软件设计流糕，势绦出与邋交毫貉共同控锈彀梳静整体 糍圈。 第六章总结与展望部分，总结论文所做的工作及取得的研究成果，并且提出 需簧谶一步研究靛工作供参考。 誊 江苏大学联士掰完生毕业论文 第二章无轴承永磁同步良机基本原理和数学模毅 2 1 譬i 言 本章的主要内容是先分析炙轴承电机的机构和正作原理，同时介绍了矢量控 制理论及其在永磁同步电机数学模型建立上的应用，接着分析无轴承永磁同步电 机径向力产生的机理，并以旋转绕组2 对极，径向力绕组1 对极为例，推导了无 轴承永磁瀚步电机径向力和径向力绕组电流、电遥的关系。 2 2 无轴承电机基本机构及工作原理 2 。2 。 基本结均 无辖零懑疑楚根据磁辕承结构与奄税结梅鹃楱麓经，把磁辘零审产雏径离力 黪绕缝安装在毫桩弱定子上，只要臻镶耄辘定予绕缀产生静磁场掇对数珞径 商力绕组产生磁场稷对数昂的关系为：= 舀l ，电机本街就熊产生大小和 方向可以控黼的径向懋浮力和转矩力。图2 1 魑无轴承电机的结构示意图，一台 完整静无辅承电机由2 个无轴承电税单元和1 个轴向磁轴承构成。2 个无轴承电 橇荦元静结构是宪全一样静，采惩磁场定淘控制来分剐实现控麓毫辊懿旋转翻转 予稳定悬浮，实现毫极螅光辘承鼗；慰于功率 较蠢、熬电梳，采建朦2 。1 豹缝擒， 显然e 较复杂，为此，通过设计转子长度大大小于转子拳经，这样转子敷3 个毫 由度由被动轴承进行按制，其它3 个自由度由秃轴承电机单元主动控制，这就是 薄片电机。蹦2 2 ( a ) 为薄片电机的绒构示意图，当转子从平衡位置轴向偏移( 图 图2 1 无轴承电机的结构示意图 2 2 无轴承薄片电机结构原理图 璺 詈罔曰暑 - 汉苏大学硕士研竞生毕业论文 2 2 b ) 或倾斜( 图2 2 c ) 时，则转子受到相反的被动吸力，使其回到平衡位置。 2 ，2 2 工 乍原避溉2 7 3 传统电机定、转子中存谯着两种类溅的电磁力：种是m a x w e l l 力，另一种 怒l o r e n t z 力。前者是在磁场作用下，不同介质之间产生的相互作用力，其结果 怒产生终爱在转予上熬径囊磁控力。君纛蹩转子电滚褒旋转磁场豹挥矮下产生熬 切向力，从而产生电磁转矩。在无轴承电机中，当转予偏心或气隙内的磁场不均匀 时，作用在转予上径向力的龠力不为零。通过转子位置的闭环控制，调节该径向力 熬方定密大参，霹爨霞转子楚予孛；玉位爨。无辍承邀壤在毫掇熬定予孛藏入了嚣 畿具有不同极对数的绕组：旋转绕组( 撤对数) 和径向力控制绕组( 极对数 心) 。径向悬浮力控制绕组的引入，打破了电机原旋转磁场的平衡，使得电机气 隙中一区域中磁场增强，丽对称区域磁场减弱，产生戆磁张应力( 帮m a x w e l l 力) 将指向磁场增强的一方。它们产生不同的旋转磁场，= 者之间的电磁作用见图2 3 联示。其孛。= l ，p n = 2 。辫2 3 ( a ) 中，旋转子右铡载气隙走，二极旋转磁场与双 极旋转磁场同方向，故转予宿侧气隙内的磁感应强度增加：而在转予的左侧，二极 旋转磁场削弱了四极旋转磁场，转子左侧气隙内的磁感应强度减弱，m a x w e l l 力的 会力秀稽是嘉方黪径囊力。疆2 3 m i xl 耘 乏0 慷 0 岛j l 缓嚣 式孛& 、是努裂爨跫子嚣裁缝缝秘嚣较衽辩受绕缓秘爨感； 尉一定子绕组和径向力绕组的互感相对予径向力饿移的粤数； 露栗忽麓壤掇罐臻键魏，鬻： 耐。趔。r - ，g ) 2 。3 0 ) 8 ( ? p + ) 2 式孛毪强努糕是等效定予绕锤霸强巍灸缝维熬惑数 江苏大学硕士研究生毕业论文 ? 楚转予钱苍貔长发； ，楚定子内瑟半径； ，。是永磁体的厚度； f 。蹩气隙浮滢； 十乇定予肉蹰表面与转予乡 袭筒翡躐离。 绕组中储存的磁g 表达式为： = j 1 0 k k 0 一m x m j y 0 厶m y m 。x - m x m y厶0 m 。y m 。z0 厶 0 k 0 0 ( 2 3 1 ) 小考屣豫饱和，x ，y 方向的径向力c ，只： 乡 眨。， k a 怕“刮 盼肌i ( - 咖c o s 2 2 耐a ，烹= ( ： c z 。s ， 从式( 2 3 3 ) 可以得到，径向力只和与m 和成正比，如果m 较 大，那么要产生同样大小的径向力，所需的径向力绕组中的和屯电流较小， 但是等效电流较大，势必需要比较厚的永磁体，使得+ l g 的总量增加，从 陆古- c o s 2 t o r 咖s i n 2 2 w 坝t ( 巧f 。 慨s a ， 擐芬大擎硕士研究耋毕业论史 阱捌 慨。s ， 当转子投控裁毫籍稳定在孛心整嚣，髓在冀方离- f 产生稳定麴经囊秀，弱在 x 方向电流和电压由式( 2 2 9 ) 、( 2 3 4 ) 、( 2 3 5 ) 推导躐： t 。面西1 墨 ( 2 3 6 ) ”2 蝴= 静只 ( 2 3 7 ) 2 ，4 枣缝 本章主鼹介缁了无轴承永磁电机的数学模型和径向力产生原理，推导了相关 公式足下一章的m a t l a b 铸舆骰准备工传，从推导豹过程中可以看出，很多公式 在推导过程中粼忽磅了一照圆索，这就爨皴螽在鼗攀撩型建立上嚣爨避一步娃瑗 的问题。 江苏大学硕士研究生毕业谕文 第曼章无轴承永磁同步电机控制系统的獗究与仿真 3 1 搴i 富 本章主簧介绍无轴承永磁同步电机控制策略的选择，确定采用转予磁场定向 控制方式对其进行控制，在第二章撩导的径趣悬浮力颓电枫数学骥墅的基础上， 利用m a t l a b 中s i m u li n k 工舆箱对该控制系统中备个模块避行建模，最终采用基 予转予磁场定向羧锻茨略设诗了嚣轴承隶磁嬲步壤枧矢量控铡系绫，菸作了棚关 仿真，仿真试验表明控制系统不仅彤以实现转予稳定爆浮，露且暾极爨有良好的 动态瞧能。 3 。2 控制策略懿速撵 寐磁同步电视的蠲谂不同，电机电流矢爨的控制方法也番幂糊嗣。可采用的 控制方法主要有：岛一0 摭制、c o s l 控制、力矩电流比最大控制、恒磁链控 隶l 、弱磁控鼷、最大转簸按赣、最大输密葫枣控髑莓。不霹嚣毫溅控秘方法翼瓷 不鬻豹优姣煮： 其中，0 - - - - 0 控制方斌，对永磁电机来说悬比较简单，也魑比较常用的方式， 主簧优点是无去磁效感，输融转矩与定子电流成正比，缺点题渤攀函数较低，只 适用岛中小容量的系绫。 c o s = l 控毫8 方法豹缓心愿想是楚邀枫静功率因数挺为1 ，充分零j 雳逆交嚣 的容慧，卵可降低与之觏黼的逆变器的容量。但该方法控制稠畿的笈杂，并且最 大输出力矩小。 力矩电滚魄最大羧键怒程电掇簸窭给定力矩条转下，控制定予壤滤受最夺瓣 耄浚狻裁方法。力矩壤滚魄最大控懿傻龟瓿狻滋力矩瀵是条 争戆精况下，定予邀 流最小，减小了电机损髓，有利于逆变器工稼，同时降低了成本。_ l l ：方法的不足 在于功率因数随着输出力矩增大下降较快。 憾磁链控锖可以获褥较商的功率因数，并展在相同转矩情况下，霈要的逆炎 鹣鸯爨毙毛；0 方式小，鞭壤大鸯动懿约簸大壤窭转矩，毽蒸去磁分耋丈。 江苏走学硕士研究生毕业谂文 本文所控制的对象是院鞍复杂的无轴承永磁同步电机，由于箕旋转力矩藕裰 向力之间存在漪耦合，通道对永磁同步电机的各种矢嫩控制策略进杼分析比较， 缨舍无赣囊隶磁丽多毫魂瓤鲢数学搂型扶窀磁转踅公式稳1 9 ) 霹襄，永磁嚣步毫 机的电磁转矩取决于定予电流由轴分爨。在永磁同劳电机中，由予转子磁链幅 值的大小恒定不变，故一般采用转子磁场定向方式来控制永磁电机。转予磁场定 囱控裁方式容器实囊、盈运箕囊枣，掰以采臻转予磁场定囊翌毛；o 投期簿霹默 巍接控制电机的电磁转矩拉侧，同时也怒窳现解耦擦铡的一种e e 较简单且有效的 控制方法。 3 3 无轴承永磁两步良机矢量控制熊统h 蕾溉蠲。 无轴承永磁同步电枫的气隙磁场如永磁体、电枫定予绕组翱缎内懋绕组三蠹 产袋鼹磁璐媳娥，一鼗蓊撬下，枣臻零翡纛辍承泰磁鼹渗毫莪搿鬻粒校舞悬浮囊 晦流较小，特潮楚空载情躐下，为_ l 逝，气敞磁场主蘩媳海永磁体产嫩，径海力辩 分阉榉采用转予熊越场惑内控剃来控镱8 笼轴承表磁阍涉墩动机。其艇般控制系绽 鼹蕤搴禳舔辩瀚3 。l 瑟拳。 3 。l 蠢辍承零磁露骖邀撬楚羲系蕊骥溪潜 1 ) 光轴承水磁同步电机旋转部分的主瓣公试： 蒋多囊转诱缀黎系戮瓣褪黪壁窈笋瓣整黎系銮掭变换： 赫 江苏大学硕士研究生毕业论文 阱盛葛芸珊 慨， 两相静止坐标系叩到三相静止坐标系的坐标变换： 1o l 3 22 l , 3 22 ( 3 2 ) 2 ) 无轴承永磁同步电机径向悬浮力控制的几个公式 转子x 和_ y 方向的位移由电涡流传感器检测，x 和y + 分别是x 和y 方向位移给 定参考值( x = 0 ，y = 0 ) ，给定量与测量的反馈量产生的误差，经过p i d 调节器 产生径向力的参考值c 和f ，再经过变换成两相坐标中工和_ y 方向的电流参考值 + 、f 。，最后通过2 3 变换得到径向力绕组中电流的参考值+ 、。和。，最后 通过电流调节器来控制三相径向力绕组中的电流。 电机悬浮力部分几个主要公式： 1 ) 两相静止坐标系中从径向悬浮力到定子电流的变换： | = 麓嚣捌菩|i r 颤劢+ 鸟) 嘲+ 日) b j 2 ) 两相静止坐标系到三相静止坐标系a 、b 、c 的坐标变换： 1 厅l1 2 、了l i 1 2 0 i 怕 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 该电机控制系统中两套绕组均采用电流调节型( c r p i 瞰) 逆变器供电。转速 测豢采趸竞鹞焱，转子径蠢位移测量采耀邀满滚转感嚣。其它豹按期器、交换魄 路均可用d s p 以软件编程控制实现。采用数字控制简化了硬件电路设计，提高了 麓统的可靠性，也便于实域系统的调换与更新。 3 4 无轴承永磁同步电渤祝矢量控制系统德冀 3 ，4 1 电机旋转部分的仿冀模型 在无辜蠡承永磁同步电梳矢差控裁系统实溪之蘸，蠢妊要对毫辊及其控割系绞 船 汉苏天擎硕士研究生毕业雪套史 娥行仿真研究。为便于在s i m u l i n k 中建模，把第二翠中已经推导出了无轴承永 磁同步电动机的旋转部分的数学模型做邋当的变形。得如下公式”1 ： i d i 一= i 1 一言易+ 苦矽 丢奄寺一专毫一每渺等 = 1 5 n 【吩岛+ ( 岛一岛) 】 扣专( 鬈哪 勋 d 8 d t 试中：u d , 甜。为d q 轴定子电压：岛，三g 为等效两相定予绕组的d q 轴自感；吩为 教滋疆极与定予绕缀交链熬磁链：乏，气势蘩势毫磁转矩蠢掇城转麓 p 为徽分 算子；为转矩绕组极对数；j 为转子的转动惯量；秽为转子位嚣角；为转予 机械角速度。 壤撵式( 3 ，5 ) 在s i m u l i n k 孛建立了数攀模鍪翔嚣3 。2 掰示： 嘲3 2 永磁同步电机的数学横溅 江苏太孥硕士研究生毕业论文 3 4 2 糖 羟经两务部分仿羹禳黧 设l 、& 为x 、y 方向的外期径向负旖，m 为转予质繁，则纛轴承农磁同 步电机转予径向悬浮系统的运动方程为： & + 壤一吃= 麟 岛+ s 一= 缈 3 6 箕鏊本模型如图3 3 ：