（电机与电器专业论文）永磁型无轴承电机的直接力控制研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fa u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nd i r e c tf o r c ec o n t r o lo f p e r m a n e n t - - m a g n e tt y p ebe a r i n g l e s sm o t o r s at h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y l in a n a d v i s e d b y p r o f e s s o rd e n gz h i q u a n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 4 舢94 川-m叫ji8iiiil删y p ( k 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： 日期： j h i 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 永磁型无轴承电机以其结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高和功率密度大等优 势，在飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速微型硬盘驱动装 置等领域具备实用化优势，成为无轴承电机中最具有发展前途的一种电机。 本文以无轴承永磁电机为研究对象，着重于控制策略的研究，主要完成了以下研究工作： 首先对无轴承永磁电机的悬浮原理和数学模型进行了深入分析。为了克服传统控制策略中 必须基于转子磁场定向等局限性，在借鉴了永磁同步电机直接转矩控制理论的基础上，本文提 出了一种基于空间矢量脉宽调制方法对悬浮力进行反馈控制的新型控制策略一直接力控制。 搭建了仿真模型，并与传统控制策略的模型进行了一系列的性能对比仿真。 设计和实现了基于d s p 2 4 0 7 数字信号处理器的软硬件数字控制系统，设计并制作了基于 t o p s w i t c h 的反激开关辅助电源，为实现该直接力控制策略提供了可靠的实验条件，并在实验 样机上验证了该新型的控制策略，实现了电机在空载与径向加载时的稳定悬浮。设计了稳态精 度、转速突变、动态起浮等对比试验，在仿真和实验的基础上总结出传统控制与直接力控制两 种控制策略各自的性能特点。 对位移环进行了简化处理，将偏心位移直接通过p i d 调节输出生成给定悬浮力，减少了一 个p i d 控制器，并且控制系统设计成位移、磁链双闭环，从理论分析及仿真来看，该控制系统 兼具以上两种控制策略的优点。 关键词：无轴承电机，传统控制，直接力控制，数字控制系统 本课题受国家自然科学基础基金( 5 0 9 7 7 0 4 3 ) 资助 o nt h ed s p 2 4 0 7f o rt h i sn e wc o n t r o ls t r a t e g y af l y b a c ks w i t c h i n ga c c e s s o r i a lp o w e ri sd e s i g n e da n d r e a l i z e do nt h et o p s w i t c h t h er e s u l t sf i o mn o - l o a da n dl o a de x p e r i m e n t ss u g g e s ts u c c e s s f u l s u s p e n s i o no ft h i sn e wc o n t r o ls t r a t e g y i no r d e rt of r e dt h ec h a r a c t e r so ft h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e s ， d e s i g ns o m ee x p e r i m e n t ss u c h 硒s t a t i ca c c u r a c y ，s u d d e nc h a n g ei nt h es p e e d , t r a n s i e n ts u s p e n s i o n s i m p l i f y i n gt h ed i s p l a c e m e n t - l o o p ，t h eo f fc e n t e rd i s p l a c e m e n ti sr e g u l a t e db yo n ep i d c o n t r o l l e rt og e n e r a t et h es y n t h e t i cs u s p e n s i o nf o r c e ，s oo n ep i dc o n t r o l l e ri sr e d u c e d , t h ec o n t r o l s y s t e mi st w od o s e dl o o pb a s e do nd i s p l a c e m e n ta n df l u xl i n k a g ew h i c hp o s s e s so ft h ev i r t u e so ft h e t w oc o n t r o ls t r a t e g i e s k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tb e a r i n g l e s sm o t o r , t r a d i t i o n a lc o n t r o l ，d i r e c tf o r c ec o n t r o l ，d i g i t a l c o n t r o ls y s t e m a c k n o w l e d g et h eg r a n t so f n m i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 9 7 7 0 4 3 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 无轴承电机研究背景和概况1 1 1 1 历史背景1 1 1 2 研究概况2 1 2 无轴承永磁电机的发展趋势3 1 3 本课题的意义和研究内容4 1 3 1 本文的研究意义4 1 3 2 本文的主要工作及具体研究内容5 第二章无轴承永磁电机直接力控制基本理论。7 2 1 无轴承永磁电机基本理论7 2 1 1 洛伦兹力7 2 1 1 麦克斯韦力7 2 1 3 可控悬浮力的产生8 2 2 无轴承永磁电机的数学模型。9 2 2 1 旋转运动基本方程式。9 2 2 2 径向悬浮力基本方程式。1 0 2 2 3 悬浮子系统的运动方程1 l 2 3 传统控制算法及其局限性1 2 2 3 1 基于f l z 司的传统控制算法1 2 2 3 2 转子磁场定向矢量控制的局限性。1 3 2 4 无轴承永磁电机直接力控制基本原理1 3 2 5 本章小结1 6 第三章无轴承永磁电机直接力控制策略及仿真1 7 引言。1 7 3 1 直接力控制的控制算法与框图1 7 3 1 1 控制算法的推导。1 7 3 1 2 控制框图1 9 3 1 1 直接力控制系统仿真。2 0 3 2 基于c r p w m 的无轴承永磁同步电动机矢量控制系统。2 8 永磁型无轴承电机的直接力控制研究 3 3 两种控制策略的对比 3 3 1 相同的稳态精度条件。 3 3 2 相同的p i d 参数条件 3 4 本章小结 第四章无轴承永磁电机直接力控制系统设计及实验 弓i 言 4 1 硬件控制系统设计 4 1 1 数字控制电路 4 1 2 功率变换电路。 4 1 3 实验样机结构参数。 4 2 软件控制系统设计 4 2 1 转矩控制绕组的软件实现。 4 2 2 悬浮绕组控制的软件实现。 4 3 实验与分析： 4 3 1 直接力控制策略验证试验 4 3 2 直接力控制策略径向加载实验 4 3 3 直接力控制策略与传统控制策略性能对比试验。 4 4 本章小结 第五章单p i d 双闭环控制系统 j ；i 言5 z l 5 1 位移环的简化设计5 4 5 2 控制系统设计5 5 5 3 仿真与分析5 6 本章小结5 7 第六章总结与展望5 8 6 1 本文主要工作5 8 6 2 需要进一步研究的工作5 8 参考文献5 9 致谢6 3 攻读硕士学位期间发表的论文及获奖情况6 4 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图表清单 磁轴承电机和无轴承电机结构示意图l 两极电机中的洛伦兹力和麦克斯韦力7 径向力的产生过程9 麦克斯韦力相量图。1 l 悬浮子系统运动方程示意图1 2 直接转矩控制磁链空间矢量图。1 4 直接转矩控制系统框图：1 5 直接悬浮力控制磁链空间矢量图。1 5 合成悬浮力与悬浮控制绕组磁链矢量图。1 7 无轴承永磁电机直接力控制系统框图。1 9 无轴承永磁电机直接力控制系统仿真模型。2 0 i n a = o 控制转矩部分仿真系统结构图2 l 速度调节器模块2 l 电流滞环控制模块。2 2 永磁电机模块。2 2 空载时转速波形。2 3 空载时电磁转矩波形。2 3 p m s m 悬浮系统控制模型2 3 给定悬浮力生成模块2 4 扇区选择模型2 4 基本电压矢量作用时间计算模型2 5 矢量切换点模型2 5 悬浮绕组控制模块。2 6 悬浮力反馈模块2 6 邮系下转矩绕组气隙磁链2 7 砂方向位移波形2 7 矽方向位移轨迹2 7 邮轴系下悬浮绕组定子磁链波形2 8 无轴承永磁同步电动机控制系统结构框图( f l a - - o ) 2 8 永磁型无轴承电机的直接力控制研究 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 l 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图3 3 5 图3 3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 p ie x p e r t 优化后的结构框图。4 0 转矩绕组p d p i n t a 流程图4 2 转矩绕组c a p 6 i n t 流程图。4 3 转矩绕组t 1 p i n t 流程图。4 3 角度计算原理图4 3 悬浮绕组控制t 1 p i n t 流程图图4 4 位置环调节子程序流程图4 5 低通滤波器加在微分环节上的不完全微分算法结构图4 6 p i d 子程序流程图4 6 悬浮力估算子程序流程图。j 4 7 直接力控制算法子程序流程图4 7 1 7 5 0 r m i n 悬浮时的稳态波形4 8 2 2 5 0 r r a i n 悬浮时的稳态波形4 9 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 1 8 静态加载时的位移和悬浮绕组电流波形5 0 图4 1 9 动态加载3 0 n 时的位移和悬浮绕组电流波形5 0 图4 2 01 5 0 0 r m n 时位移波形。5 l 图4 212 5 0 0 r r a i n 时位移波形5l 图4 2 22 5 0 0 r r a i n 时动态位移波形5 2 图4 2 31 7 5 0 r r a i n 升速到2 2 5 0 r r n i n 时的波形5 2 图5 1电机转子偏心时的径向位移5 4 图5 2 单p i d 双闭环控制系统框图。5 5 图5 3 控制系统仿真波形。5 7 表4 1无轴承永磁电机样机结构参数4 0 永磁型无轴承电机的直接力控制研究 一、基本变量与说明 p i p 2 n l a ，n l b ，n l c n 2 a ，n 2 b ，n 2 c 只， ， ，五 骂，垦 注释表 转矩、悬浮控制绕组极对数 三相转矩控制绕组 三相悬浮控制绕组 麦克斯韦力x y 方向分量 主气隙半径 转矩、悬浮控制绕组气隙磁动 势基波初始相位角 转矩、悬浮控制绕组气隙磁通 密度幅值 转子位置角 转矩、悬浮控制绕组电流分布 基波幅值 x y 方向上磁悬浮力分量 转矩、悬浮控制绕组磁链的由 轴分量 永磁体励磁磁链 转矩控制绕组气隙磁链由轴 分量 转矩控制绕组定子电压筇轴 分量 转矩控制绕组电阻 交替极电机悬浮控制绕组电流 x y 方向上分量 转子电角度 q ，哆 b 矽 ， n l ，n 2 破，唬 k ，k 2 转矩、悬浮控制绕组电角频 率 气隙总磁密 空间位置角 电机有效铁心长度 转矩、悬浮控制相绕组匝数 转矩、悬浮控制绕组每极气 隙磁通 转矩、悬浮控制绕组互感 转矩、悬浮控制绕组电流的 由轴分量 转矩控制绕组嘶轴励磁电 感 电磁转矩、负载转矩 转子x y 方向上的外激力 转矩控制绕组定子磁链筇 轴分量 转矩控制绕组定子电流筇 轴分量 转子电角速度 转矩控制绕组电流的机械角 频率( 交替极) 永磁体厚度 铁极弧度角 “她 “ 驵 ：耋 一 q 彩 乙 岛 南京航空航天大学硕士学位论文 g 占 | 1 6 ，j 2 阮i ，( 尼) ，( 尼+ 1 ) 吭2 ( 尼) ，见：( 尼+ 1 ) 虬2 口，虬2 ， 二、缩略词 略写 p d p i d s p c r p w m s v p w m d f c t c 气隙长度 厶d ，厶。 定转子磁链夹角矿。l 悬浮控制绕组磁链矢量 i y 。ll 定子磁链幅值k k 和斛1 时刻合成悬浮力矢量 a 0 七。三竺时咳蚴悬浮撇慌组峨，嵋 磁链矢量 。 悬浮控制绕组磁链矢量差筇 坐标系下的分量 4 1 ， 反馈转速 英文全称 p r o p o r t i o ni n t e g r a ld i f f e r e n t i a l p r o p o r t i o ni n t e g r a l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s c u r r e n tr e g u l a t i o np u l s e 、矾d l l lm o d u l a t i o n s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n d i r e c tf o r c ec o n t r o l t h d i t i o n a lc o n t r o l 定子绕组由轴自感 转矩控制绕组气隙磁链矢量 转矩控制绕组气隙磁链幅值 悬浮力系数 悬浮力变化的方向角 合成悬浮力的矢量差在筇 坐标系下的分量 转矩控制绕组a 相反馈电流 中文名称 比例积分微分 比例积分 数字信号处理 电流跟踪脉宽调制 空间矢量脉宽调制 直接力控制 传统控制 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 电储能、航空航天等领域获得了广泛的应用。以同等功率的电机而言，高速电机具有体积小， 重量轻等特点，这对于提高航空航天器的工作性能具有极其重要的意义，然而支撑轴承技术一 直是高速电机发展的瓶颈。 为了实现电机的高速、超高速可靠运转，必须首先解决高速下转子的支撑问题。转子高速 运行时，机械轴承所受到的摩擦阻力增加，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。机械轴承由于有接触、需润滑 和日常维护，限制了电机的最高转速和使用寿命，而且价格高昂，已成为传统电机驱动高速化 的瓶颈。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。到了上世纪7 0 年代末期，出现了磁轴承技术利用磁场力将 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。 径向磁轴承轴向磁轴承电机径向磁轴承 磁轴承电机 电机和径向 轴向 电机和径向 磁轴承 磁轴承 磁轴承 无轴承电机 图1 1 磁轴承电机和无轴承电机结构示意图 由于主动磁轴承性能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。 磁轴承凭借无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声、高速度、高精度、长寿命等一系列优良特 永磁型无轴承电机的直接力控制研究 性，国内外已对其作过全面而深入的研究，使得它在能源交通、机械加工工业、航空航 器人等高速领域获得了广泛的实际应用。 但在实际运用中，磁轴承电机同样存在以下问题：输出功率难以进一步提高。为了 机的输出功率，必然要加大电机的轴向长度和径向长度。但是电机两端磁轴承本身占有 轴向长度，电机轴向尺寸较大从而降低了转子的临界转速。磁轴承需要一定数量的励磁 高性能的功率放大器和造价不菲的传感器，由于成本和体积的原因，使得磁轴承高速电 功率和微型应用场合受限制。 如果把磁轴承中产生径向力的绕组绕制在原来的电机定子绕组上，使径向力磁路和 旋转磁路合成一个整体，然后想办法实现电机转矩控制绕组中的电流与悬浮控制绕组中 的解耦控制，分别独立控制电机的旋转和转轴的悬浮，这样就可以减小磁轴承占有的轴向空间。 这就是无轴承控制技术的基本思想。自上世纪9 0 年代以来，各国学者已经对无轴承电机进行了 大量的研究，实现了很多重大的突破，目前异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等都已经 实现了无轴承化。 与磁轴承电机相比，无轴承电机从结构到控制方法上都有很大的区别，无轴承电机从结构 和控制方法上的特点总结如下： 磁悬浮绕组绕在定子上，不占用额外的空间，无轴承电机的轴向长度可以设计得较短，临 承电机 轴承电 步电机 到无轴 南京航空航天大学硕士学位论文 承电机研究的行列中的国家和机构较多，但从研究的历史贡献来看，日本和瑞士学者可以说是 无轴承电机的奠基者。日本东京理工大学( s c i e n c eu n i v e r s i t yo ft o k y o ) 的学者a c h i b a 在1 9 9 0 年就实现了同步磁阻电机的无轴承技术瞄。；r s c h 6 b 和a c h i b a 在1 9 9 1 年实现了无轴承感应电 机的稳定悬浮1 ；瑞士苏黎世联邦工学院的j b i c h s e l 在1 9 9 0 年实现了永磁同步电机的无轴承技 术僻1 。t f u k a o 等日本学者在1 9 9 7 年成功实现了无轴承开关磁阻电机的稳定悬浮乜】。1 9 9 6 年， 瑞士苏黎世联邦工学院的n b a r l e t t a 研制成功无轴承薄片电机，使得无轴承技术在生物制药、 医疗器械、化工、半导体、核废料处理等超洁净驱动领域获得实际应用成为可能1 。其中在瑞 士的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。2 0 0 0 年，瑞士苏黎世联邦工学院的s s i l b c r 研制出了无轴承单相电机。 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 l s y m p o s i u mo nm a g e n t i cb e a r i n g l e s s ) ”此后每两年召开一次。美国航空航天局在1 9 9 1 年3 月召 开了一次“磁悬浮技术在航天中的应用”的学术讨论会。此后，每两年召开一次“磁悬浮技术 会议”。 国内无轴承电机的研究起步较晚，自上世纪9 0 年代中期以来，陆续有沈阳工业大学、西安 交通大学、南京航空航天大学、浙江大学、江苏大学、北京交通大学等众多高校研究机构开展 了这项研究，并在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下在个别领域取得 了一系列的研究成果，已接近和达到了国际先进水平。 1 2 无轴承永磁电机的发展趋势 无轴承永磁电机转子的悬浮是电机定子上两套绕组即悬浮控制绕组和转矩控制绕组产生的 悬浮绕组定子磁链与转矩绕组气隙磁链相互作用的结果，很明显两套绕组都绕制在定子槽中， 电机电磁转矩和径向悬浮力控制之间必然存在耦和。此外，由于电机制造装配、负载扰动、传 感器安装以及径向位移检测误差等原因引起的偏心使得电机气隙不均匀，加剧了气隙磁场分布 的不对称性，由此产生的不平衡磁拉力使得对电机磁悬浮力的分析和计算更为复杂。各国学者 研究无轴承永磁电机近2 0 年，到现今已经形成了一种传统的永磁型无轴承电机的控制策略，该 控制系统的转矩控制通常采用转子磁场定向控制，悬浮控制绕组控制策略是通过位移负反馈和 悬浮力数学模型的调节，得到悬浮控制绕组电流的控制信号。 随着无轴承永磁电机研究的继续深入，今后无轴承永磁电机的发展方向大致集中在以下几 个方面： ( 1 ) 无轴承永磁电机本体的设计及优化。无轴承永磁电机的尺寸、定转子结构形式、定子绕 组匝数、悬浮绕组匝数及其绕法等因素都对无轴承永磁电机悬浮性能有影响。除了本文研究的 3 控制采用的都是经 同负载特性和性能 悬浮性能的影响尚 量控制，通过控制 坐标变换。通过借鉴普通电机转矩控制中直接转矩控制的思想，以电磁悬浮力为直接控制目标， 通过空间矢量脉宽调制方法控制悬浮控制绕组定子磁链的幅值与方向，无需2 3 坐标变换，实 现对悬浮力的直接控制盯1 ，提高悬浮控制绕组的动态响应和承载力。目前还没有文献对该种控 制思想进行过任何研究，本文将对无轴承永磁电机直接力控制进行研究。 1 3 本课题的意义和研究内容 1 3 1 本文的研究意义 目前通用的悬浮绕组控制方案都是在转矩绕组磁场定向的基础上，通过位移负反馈调节悬 浮绕组电流在转子d q 旋转坐标系上的分量来控制悬浮力的产生，并采用电流跟踪型逆变器和正 弦脉宽调制方法( s p w m ) 实现悬浮绕组电流给定的实时跟踪，从而间接控制电机内的悬浮磁 场和悬浮力。因此，传统悬浮绕组磁场定向控制具有以下局限性： ( 1 ) 悬浮绕组控制是基于转矩控制的矢量定向控制，其悬浮效果依赖于转矩绕组磁场定向 控制的准确性；悬浮绕组选择的是电流跟踪型逆变器，需要旋转坐标变换，2 3 变换，控制算法 复杂； ( 2 ) 悬浮绕组控制是通过控制悬浮绕组电流来控制悬浮绕组磁场，从而间接的控制所需悬 浮力的大小和方向，是对悬浮力的开环控制，不能对悬浮力准确、快速地进行控制，动态响应 较慢： ( 3 ) 悬浮绕组矢量控制依赖于电机参数，通常悬浮位移控制精度受电机转子参数变化的影 响较大，转子永磁体在长时间重载运行后性能参数的变化对悬浮控制的影响也是不可忽略的； ( 4 ) 悬浮绕组控制采用电流跟踪型逆变器和正弦脉宽调制方法( s p w m ) ，直流母线电压 利用率不高，逆变器开关器件开关次数多，开关损耗较高。 正是由于传统的控制策略存在如此多的局限性，本课题研究了直接悬浮力控制策略，本课 4 南京航空航天大学硕士学位论文 题的研究初步解决了以上几点制约无轴承永磁电机发展的局限性问题：悬浮绕组的控制不再基 于转子磁场定向；不再需要2 3 坐标交换：对悬浮力进行反馈控制，找到了悬浮力增量与磁链 增量之间的关系式，直接通过控制磁链来合成所需悬浮力，提高系统的动态响应：逆变器使用 s v p w m 技术，直接提高了直流母线电压利用率。 1 3 2 本文的主要工作及具体研究内容 根据以上研究背景的介绍，无轴承永磁电机直接悬浮力控制策略有其独特的优越性。本文 推导了无轴承电机直接悬浮力的控制算法，深入分析了无轴承永磁电机直接悬浮力控制策略， 并在此基础上在m a u a b s i m u l i n k 中搭建了模型，对无轴承永磁电机直接悬浮力控制算法进行了 仿真研究，在验证了直接悬浮力控制算法正确性的基础上，将直接悬浮力的控制系统模型与矢 量控制系统模型进行了一系列不同条件( 例如突加速、突加转矩、突加外绕力等) 下的对比仿 真，通过仿真与实验进一步验证直接悬浮力控制策略的正确性。硬件系统充分利用了i p m 功率 单元的高度集成以及内部具有的驱动和保护功能，并将i p m 内部i c 以及d s p 控制板所需的控 制电源集中在同一块板上实现，简化了电路设计，使得整个装置体积大大减小，提高了系统的 性能。重新设计了悬浮绕组的软件控制系统，程序主体为定时器周期中断，触发a d 转换，以 实际值q 值定标。经过调试，在实验样机上实现了电机的空载稳定悬浮和径向加载情况下的稳 定悬浮。直接悬浮力控制算法的推导过程相对来说还是比较复杂的，在充分考虑了悬浮力数学 模型和s v p w m 型逆变器的特点的基础上，对直接悬浮力控制算法进行了简化，使控制框图得 到简化，提出了一种直接悬浮力的改进控制算法，进行了仿真，验证了改进的控制算法的正确 性。具体的研究工作主要包括以下几部分内容： 第一章：介绍了无轴承电机出现的历史背景及其特点，同时对推动无轴承电机发展的研究 机构及其重要贡献以及无轴承电机的研究现状、研究趋势进行了分析概括，并阐述了本文的研 究意义，确定了以无轴承永磁电机的直接力控制为本文的重点。 第二章：首先介绍了无轴承永磁电机的基本悬浮机理，说明了可控径向悬浮力产生的机理， 接着推导了其数学模型。在此基础上，从悬浮力直接控制的角度提出一种全新的控制策略一 直接力控制( d i r e c t f o r c ec o n t r 0 1 ) ，该控制方法以直接控制电机的磁悬浮力为目标，采用s v p w m 方法调节电机内产生悬浮力所需磁链的幅值和相位，不需2 3 变换与转子磁场定向。在第三章 和第四章分别对该控制算法进行了仿真和实验验证。 第三章：无轴承永磁电机直接力控制策略及其仿真。通过深入分析电机磁悬浮力控制的实 质，在直接力控制基本理论的基础上推导了直接力控制算法的基本公式，找到了悬浮力增量与 磁链增量之间的关系式，设计了系统的控制框图，在m a t l a b - s i m u l i n k 中搭建了仿真模型，并进 行了初步验证，空载情况下该控制算法能够实现电机的稳定悬浮。之后将直接力控制模型与传 5 永磁型无轴承电机的直接力控制研究 统控制模型放在一起，进行了一系列对比仿真( 相同p i d 参数情况下位移精度的比 态位移精度情况下动态响应速度的比较等等) ，初步得出两种控制策略各自的特点。 第四章：搭建了无轴承永磁电机直接力控制实验平台。由基于t o p s w i t c l l 2 5 0 y 电源结合d m 模块与一块d s p 2 4 0 7 的数字控制板一起构成平台的控制系统。详细 承永磁电机直接力控制策略悬浮系统的软件设计。平台加工，为径向加载作准备。 电机在空载下的稳定悬浮，然后在径向加砝码，仍然能够实现电机的加载悬浮。在 对比两种控制策略的理论基础上，设计了实验方案，对比了两种控制策略在稳态时 速突变时的位移波动、及动态起浮时的响应时间等性能，并总结出结论。 第五章：在对无轴承永磁电机直接力研究过程中，延伸出一种更简单的控制结 s v p w m 的单p i d 双闭环控制系统，系统对位移环进行了简化设计，减少了一个p i d 调节器， 并且对磁链进行了闭环控制，本章对其进行了理论分析和仿真验证。 第六章：总结了本文所做的工作及研究的创新点，并提出了下面进一步可能的研究内容。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章无轴承永磁电机直接力控制基本理论 2 1 无轴承永磁电机基本理论 2 1 1 洛伦兹力 洛仑兹力是电机旋转磁场对定子中载流导体作用产生的力，作用在转子上产生切向的力， 永磁同步电机的转矩正是基于洛伦兹力作用而产生的。图2 1 ( a ) 以电流和磁链均为正弦分布的 一对极电机为例，说明洛伦兹力和旋转力矩的产生过程。设永磁同步电机定子铁心长度为， 定子内半径为名，气隙感应分布率曰( 妨和定子圆周的电流分布率为彳( 妨，则沿圆周单位长度的 洛伦兹力( 作用于转子上的) 为： = - a x b j r 咖( 2 1 ) 将上式沿圆周在一个极距内积分可以得到产生转矩的洛伦兹力局。 2 1 1 麦克斯韦力 ( b )( c ) 图2 1 两极电机中的洛伦兹力和麦克斯韦力 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力成为麦克斯韦力。 该力的作用方向垂直于电机转子的表面。一般情况下，它比洛伦兹力要大得多。如果电机中的 磁通是对称分布的，其麦克斯韦合力为零( 如图2 1 b 所示) ；如果转子偏心引起电机内磁通分 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力效应。无轴承永磁电机的可控悬浮力就是基于麦克斯韦力产生的。 设铁心和气隙的磁导率为肛厅、f l 口，交界面上的法向磁感应强度和切向磁场强度是风，局，由于 磁力线进出铁心时基本垂直于铁心表面，则场胡，电机中铁心和气隙边界上单位面积的麦克斯 韦力有下式表示： 7 永磁型无轴承电机的直接力控制研究 呼锗( 即删。鳓丢 ( 2 2 ) 2 1 3 可控悬浮力的产生 无轴承永磁同步电动机是将普通永磁同步电机定子槽中一套p l 对极的绕组置换成不同匝 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 2 对极。其中p l 对极绕组用以产生旋 转磁场和转矩，使转子旋转，与永磁同步电动机定子绕组作用相似，称转矩控制绕组；p 2 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作用产生可控的径向力， 实现转子悬浮，称悬浮控制绕组。无轴承永磁同步电动机转矩绕组通电后，与转子上的永磁体 磁场共同作用，从而在气隙中产生一旋转磁场，当磁悬浮绕组通电后，其电流产生的旋转磁场 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，大小与转矩绕组和磁悬浮绕组的气隙磁链相关。因此，径向力产生的实 质是磁悬浮绕组电流打破了原来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绕组电流本身建立起来的，这是径向力产生的基础； 而旋转磁场的不平衡又是磁悬浮绕组电流作用的结果。为了保证无轴承电机的基本运行，文献 5 6 证明了当两套绕组满足如下关系时，电机中才能产生可控的径向力。 l 极对数：p 2 = p 1 4 - 1 ； 2 两个绕组生成的磁场旋转方向一致； 3 两个绕组中流通的电流频率f 一致。 文献【3 7 】进一步说明了在减小电机结构复杂性和电机成本的基础上，如何合理选择永磁电 机转矩绕组和磁悬浮绕组的极对数p l 、p 2 。文中在分别分析了转矩绕组和磁悬浮绕组产生的谐 波磁场与径向力的关系后，得出结论：极对数p l 、p 2 2 时，径向力受谐波磁链影响很小，但极 对数增加会使电机结构复杂，成本上升，通常使极对数互。而且转子永磁体的谐波磁链相对于 定子来说容易减小，因此推荐的极对数为p l _ 2 、p 2 = 1 。 图2 2 说明了电机中转矩绕组( p 1 - 2 ) 与磁悬浮绕组( p 2 = 1 ) 产生的旋转磁场相互作用产 生径向力的过程。图2 2 ( a ) 中不均匀的气隙磁场分布使l 处磁密增强3 处磁密减弱，从而产 生的麦克斯韦合力指向x 轴正向；图2 2 ( b ) 中不均匀的气隙磁场分布使l 、2 处磁密增强3 、 4 处磁密减弱，产生的麦克斯韦合力指向y 轴正向。电机中的径向力除了上述可控麦克斯韦力 外，还包括由转子偏心产生的固有麦克斯韦力。通过检测转子径向位移偏离量，来调节磁悬浮 绕组的电流，从而改变可控径向力的大小与方向，实现电机转子的径向悬浮。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 4 c a ) 水平方向的径向力( b ) 垂直方向的径向力 图2 2 径向力的产生过程 2 2 无轴承永磁电机的数学模型 无轴承永磁电机数学模型建立步骤如下：首先根据普通永磁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；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 首先要对电机的旋转部分作如下假设，假设无轴承永磁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， 并忽略磁路饱和及铁心损耗，认为磁路是线性的，可以推导出无轴承永磁电机的旋转运动基本 方程式如下： 以下为普通永磁同步电动机的数学模型，式中蚝，为转矩绕组定子电压和电流，疋为电 磁转矩，p 1 为转矩绕组极对数，p 为微分算子，研为转子速度，妒为磁链，下标l 表示转矩绕 组，下标2 表示悬浮绕组。 电压方程，定子电压在d 、q 轴系的分量： d2 墨0 + 砒d c o r v t 9 ( 2 3 ) g = 局口+ 却l g + q d d 、q 轴的定子磁链方程为： 式中，r j 为定子相绕组的电阻；l i d t f 铂l i 口是d q 轴线圈的自感，且有 9 42 ， y + 儿 厶厶 i l = d 叮 y 妒 永磁型无轴承电机的直接力控制研究 k = k + k 厶d = k + k 式中，厶6 为d q 轴线圈的漏感，工耐和l = q 为d q 线圈的励磁电感 转矩方程 互= p i ( d 1 9 一9 0 ) 2 2 2 径向悬浮力基本方程式 设无轴承永磁电机的气隙磁密为占，则作用在转子表面姒面积上的麦克斯韦力为： ( 2 7 ) ( 2 8 ) 的合成气隙磁密，即： ( 2 9 ) 入为初始相角，铆是 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 红：2 1 r b 2 p z 对应的每相气隙磁链值分别为： j c ，l = 办m = 唬w 2 式中w l 、w 2 分别为转矩控制绕组和悬浮控制绕组的匝数。 一杪 9 ； 厶矿鼍只x 。 j r r 图2 3 麦克斯韦力相量图 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 把x , y 轴可控麦克斯韦力疋，b 变换到同步转速为6 0 卸- 的同步旋转坐标系d q 下表示( 电 机的三相- - 相变换采用功率不变变换) ： 式中厶2 翥嚣与镜，“t d 、- g 为转矩绕组气隙磁链在d q 轴下的分量，妇、锄为磁悬 浮绕组电流在d q 轴下的分量。 2 2 3 悬浮子系统的运动方程 设艮、岛为