（电力电子与电力传动专业论文）磁悬浮异步电机的数字控制系统研究.pdf

a b s t r a c t t h em a g n e t i cs u s p e n s i o nm o t o ri san e wt y p eo fh i g hs p e e dm 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 dt h em a g n e t i cb e a r i n g s 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 nh i g hs p e e dm o t o r ss i n c e19 9 0 s a n dt h em a g n e t i cs u s p e n s i o ni n d u c t i o n m o t o ri so n eo ft h ee a r l i e s tm o t o r so nw h i c hi sr e s e a r c h e d ，b e c a u s eo fi t se a s yf i e l d w e a k e n ，s i m p l es t r u c t u r ea n dh i g hr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h em a g n e t i c s u s p e n s i o nm o t o rw a si n t r o d u c e d b yc o m p a r i n gt h r e ec o m m o n l yu s e dc o n t r o l s y s t e m s ，i tc a m et oac o m m o ng r o u n df o rt h es t r u c t u r eo fm a g n e t i cs u s p e n s i o n m o t o r d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m i tw a si m p o r t a n tf o rr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o rt h em a g n e t i cs u s p e n s i o nm o t o r t h e n ，f o c u s i n go nt h e c o n t r o lm e t h o db a s e do ns p a c ev o l t a g ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o no ft h ed i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( s v m d t c ) t h ec o n t r o ls c h e m ef o rt o r q u ew i n d i n g sa n ds u s p e n s i o nw i n d i n g sw e r eg i v e ni nd e t a i l t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et w os e t so fw i n d i n g sd e t e r m i n e dt h a tt h em a g n e t i c i n d u c t i o nm o t o ri sas t r o n g c o u p l i n gm u l t i v a d a b l en o n l i n e a rs y s t e m ，t h e r e f o r e ，t h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，n o to n l ya b l et oc o m p l e t ed e c o u p l i n go fc o m p l e xo p e r a t i o n s ， a n dh a sas t r o n gr e a l t i m ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mw i l lb e c o m ea ne f f e c t i v em e a n st oh i g h - p e r f o r m a n c e m a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y b a s e do ni n t r o d u c t i o no fs t r u c t u r ea n d c o n t r o ls t r a t e g yo fm a g n e t i cs u s p e n s i o nm o t o r , t h eh a r d w a r eo ft h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mb a s e do naf i x e d p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 812a n dc o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) ，a sw e l la st h es o f t w a r e ，w e r ed i s c u s s e dd e t a i l y t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mc a nn o to n l ym e e tw i t ht h e r e q u i r e m e n t so fah i 曲一s p e e dm a g n e t i cb e a r i n gs y s t e m ，a n di ti sv e r yc o n v e n i e n tt ou s e i na n ya d v a n c e dc o n t r o ll a y o u tf o rf u t h e rt e a c h i n ga n dr e s e a c h m e n t k e y w o r d s ：d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，m a g n e t i cs u s p e n s i o ni n d u c t i o nm o t o r , h a r d w a r e d e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ( c p l d ) 1 1 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。 本学位论文属 保密口，在年解密后适用本授权书。 于 不保密。 学位论文作者签名：船 签字日期：俨产百月i 汨 签字日期洲年 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：铆 吼啃声日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁悬浮电机的研究与发展 1 1 1 研究背景 随着现代化工业的发展，高速电机和超高速电机已经日益广泛地应用于高速 机床、离心机、压缩机、飞轮贮能以及涡轮分子泵等工业设备中。然而用机械轴 承支撑的电机，由转子高速运行带来的摩擦阻力增加，使轴承磨损加剧，缩短轴 承和电机的使用寿命，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，高速电机最初尝试采用气浮和液浮轴承，但这两种轴承均需要配备专 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呵靠性。 近二十年来发展起来的磁轴承是利用电磁力将转子悬浮，实现定、转子之间 没有任何机械接触的一种新型的高性能轴承。它具有无摩擦、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。图1 1 ( a ) 为传统的磁轴承支承的电机系统，要实现电机的完全悬浮， 需要在5 个自由度上施加约束，即需要4 个径向磁轴承和1 个轴向磁轴承来支承。 虽然磁轴承支承的电机系统和普通的电机系统相比具有突出的优点，但是在不同 应用领域仍存在如下不足：由于磁轴承在轴向和径向都占了很大一部分空间， 因而体积大，妨碍了高速下的大容量化；因为电机轴向尺寸大，限制了电机临 界转速的提高；电机的输出功率难以进一步提高；磁轴承需要高性能的功率 放大器、高品质的控制器，导致磁轴承系统结构复杂、成本较高，大大地影响了 由磁轴承支承的电机系统在高速领域的应用。由于磁轴承结构和交流电机定子结 构具有一定的相似性，如果把磁轴承中的悬浮力绕组叠绕在电机定子绕组上，使 悬浮力绕组产生的磁场和电机的旋转磁场合成一体，通过研究电机旋转磁场和径 向悬浮力磁场的耦合关系来实现独立控制电机转子的悬浮和旋转是最为理想的， 磁悬浮电机正是基于这一设想而提出的2 1 。 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 发展概述 磁悬浮电机( m a g n e t i cs u s p e n s i o nm o t o r ) 这个概念最初是r b o s c h 于1 9 8 8 年首次开始使用的【3 】。磁悬浮电机是一种具有磁轴承支承功能的电机，也称作磁 悬浮电机，其结构如图1 1 ( b ) 所示。近十年来在国外得到较快的发展，将径向悬 浮支承技术与电机相结合的思想最早可以追溯到三十年前。早在1 9 7 4 年，德国 学者e k h e r m a n 就提出了一种具有定子双绕组结构，且具有自悬浮能力的电磁 装置，同时申请了专利【4 】。同年，美国学者g 。m e i n k e 提出了另外一种分离绕组 的磁悬浮装置，也申请了专利。十多年后，r 本人t h i g u c h i 提出了步进型磁悬 浮电机【5 j ；美国学者s w i l l i a n m s o n 提出了定子双绕组，两种绕组极对数相差为l 的磁悬浮电机【6 j ；另一位美国学者p a s t u d e r 在1 9 8 7 年提出了无刷直流电机磁悬 浮电机，他们先后申请了美国专利【7 1 。但是由于当时存在着一些无法解决的技术 难题，特别是没有提出有效的控制方法。因此，这些早期的磁悬浮电机均属于概 念性磁悬浮驱动装置，但是为以后的磁悬浮电机的发展提供了很好的参考。 进入二十世纪九十年代，磁悬浮电机的研究取得了飞速的发展，以运动控制 技术的进步为基础，各种结构的磁悬浮电机及其控制技术相继出现，逐步形成了 磁悬浮电机的基本结构和控制方法。这其中包括磁悬浮异步电机、磁悬浮永磁同 步电机、磁悬浮开关磁阻型电机和磁悬浮同步磁阻型电机等。这个时期，各种类 型的磁悬浮电机相继进入实验室研究阶段。一些学者研究了磁悬浮电机的控制方 法，初步形成了磁悬浮电机的基本理论，也得到了一些初步的试验结果。对磁悬 浮电机系统地进行研究最初是从瑞士联邦工学院( e t h ) 开始的。接着，日本和 美国也开展了广泛的研究。日本学者a c h i b a 、r a h m a n 等较早的研究了磁悬浮 电机的基本特性，并通过实验测量得到了磁悬浮异步电机定子转矩绕组和悬浮力 绕组之间的互感矩阵，从而得到了径向悬浮力的解析公式，并且采用p i d 控制策 略实现了磁悬浮感应电机空载时的悬浮控制8 】【9 】。m o o s h i m a 等学者研究了磁悬 浮永磁电动机的控制及其磁饱和时的去磁问题【1 0 】【l l 】【1 2 】，并应用磁场计算的方法 分析了磁悬浮永磁同步电机的稳态磁场分布【1 3 】。o k a d 教授是较早研究磁悬浮永 磁电机的学者之一，他领导的课题组在磁悬浮永磁型电机方面取得了一系列显著 的成果【1 4 】【1 5 】【16 1 。 2 江苏大学硕士学位论走 i - il ：二= = ：i - 蚌攀il 啡等 图11 磋轴承电机和磁悬浮电机对比示意图 1 1 3 国内外发展现状 同前，h 际 埘磁悬浮电机的研究t 作和学术l 氛非常活跃，阳际r 乜工学科 通常将磁悬浮电机技术归类为电磁轴承技术一类，1 9 8 8 年在瑞上苏黎l 甘召外了第 m r 叫际磁悬浮轴承会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo i l m a g n e t i c b e a r i n gl e s s ) ”， o r ) 2 , 每两年召卅次。荧国航空航天局1 9 8 8 年2 月召，f 了次“磁悬浮技术争题 研讨会( a w o r k s h o po n m a g n e t i cs u s p e n s i o n t e c h n o l o g y ) ”和1 9 9 1 年3 月召丌了 一次“磁恳浮技术在航天巾的应川( a e r o s p a c ea p p l i c a t i o n o f m a g n e t i cs u s p e n s i o n t e c h n o l o g y ) ”的学术讨论会。此后从1 9 9 1 1 ：起，往lf 两膳幽际磁悬浮轴承会 议的中m年，“丌固h 、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 。nm a g n e t i c t e c h n o l o g y ) ，每曲年召7 卜扶7 l 。 国内磁恳浮电机的研究起步较晚，尚处。实验室阶段。白2 0 世纪9 0 年代后期， 浙江人学、江掉人学、沈阳1 业大学和南京航空航夫人学等先后得到了同家自然 科学摹仓资助，丌屉了磁悬浮电机的研究工作，井在理沧和实验方面取得了些 成绩。沈阳l 业大学研制了小容量永磁同步型磁悬浮电机用于人工心脏血泵，他 们在不旧类型转了结构的磁悬浮电机巾进行转矩力与悬浮力的比较以披考虑气 隙偏心下悬浮力的建模、分析卜做出了贡献，并研究了混合转子磁悬浮电机及其 控制。南京航空航天人学在永磁偏置二自度电磁轴承i 例、磁悬浮电机的磁场定 向控制等诸多方面进行了广泛研究。浙江大学开展了磁悬浮异步电机悬浮力解析 建模1 f i 优化气隙磁场定向控制研究，进行了永磁型磁悬浮电机屯磁设计及运行控 制研究，并已丌始探索水磁型磁悬浮l u 机的无传搏器运行i “i 。西安交通大学等则 存磁悬浮电机控制上进行了理论分析和仿真研究i ”1 。 江苏大学硕士学位论文 1 2 磁悬浮电机的特性及发展趋势 磁悬浮电机继承了磁轴承所有的优点并且比磁轴承支撑电机结构更紧凑，更 有效的提高了转子轴向利用率，为研究小型特种新型电机提供了设计空间。小功 率磁悬浮电机在一些高新技术领域具有技术和经济的优势，是传统电机无法取代 和实现的。 1 2 1 磁悬浮电机的特性 1 磁悬浮电机的共有特性 ( 1 ) 电机径向悬浮力的产生是转矩绕组和悬浮力绕组相互作用的结果，缺 一不可。悬浮力产生的实质是打破旋转磁场的平衡，只有旋转磁场的不平衡，才 会有悬浮力作用在转轴上。电机的旋转磁场是由转矩绕组电流建立起来的，这是 悬浮力产生的基础；而旋转磁场的不平衡又是悬浮力绕组电流作用的结果。为了 保证磁悬浮电机的基本运行，转矩绕组的极对数p 和悬浮力绕组的极对数p ：必 须满足关系p ：= p 。1 。 ( 2 ) 磁悬浮电机在负载条件下，电磁转矩力和径向悬浮力之问存在着耦合， 因此实现电磁转矩力和径向悬浮力之间的解祸控制是磁悬浮电机稳定运行的基 本要求。与此同时，电机径向悬浮力之间也存在着耦合，其表现是沿垂直方向的 两个径向悬浮力分量之间存在着相互干扰。这当然和设计磁：悬浮电机能独立控制 电磁转矩力和径向悬浮力的初衷是相违背的。针对这一情况，文献心中提出了一 种矢量控制方法来实现解耦控制。 ( 3 ) 磁悬浮电机的系统设计必须研究磁饱和对控制系统性能的影响。磁；悬 浮电机的径向悬浮力是由旋转磁场的不平衡所产生的，旋转磁场的不平衡必然导 致电机的磁饱和程度比普通电机高。磁饱和对磁悬浮电机控制性能的影响主要表 现在：电机产生的径向悬浮力和径向悬浮力绕组电流的线性关系受磁饱和因素 的影响较大。当电机绕组的电流达到一定程度，由于磁饱和的原因，力常数( 径 向悬浮力和径向悬浮力绕组电流的比值) 随着径向悬浮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：悬浮力。 磁饱和还会引起电机的一些参数变化，参数变化必然导致控制系统性能的降 4 江苏大学硕士学位论文 低。因此，要使磁：晷：浮电机获得良好的输出性能，磁饱和因素是不能忽视的。 2 磁悬浮异步电机的特性 磁悬浮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、 最多的磁悬浮电机类型。由于最初的原理样机都是采用非常简单的集中式绕组， 因此转矩绕组的控制策略也多为简单的正弦电流直接驱动乜2 儿2 3 1 ，通过这种控制方 式可以实现感应型磁悬浮电机的稳态悬浮。当电机在空载运行时，线电流等于励 磁电流；当电机负载运行时，随着电机转差率提高，定子电流的一部分流入转子 回路，使得转子电流提高。如果保持定子电流恒定，那么励磁电流不仅幅值会减 少，而且会产生滞后于定子电流的相位差。因为径向悬浮力是由转矩绕组和悬浮 力绕组在气隙中产生的旋转磁场相互作用产生的，所以负载的增加将导致旋转力 的大小和方向也会发生变化。针对这一情况，可以在电机运行中对定子电流的i 隔 值和相位进行补偿，以保持励磁电流的大小和相位不变。但这样的控制策略无法 满足磁悬浮电机转矩特性的高性能需求，且又无法实现电磁转矩力和径向悬浮力 的解耦，将导致无法实现电机在转速突变、负载突变等任意工况下稳定悬浮。 随着磁悬浮电机理论和矢量控制技术的发展，针对磁悬浮异步电机转矩绕组 提出了基于气隙磁场定向的控制技术，不仅实现了电磁转矩力和径向悬浮力间的 解耦控制，而且实现了磁悬浮电机动态时的稳定悬浮。在实际中，磁悬浮异步电 机存在有铁磁非线性饱和、大动态及过载下转子参数变化的实际状况，这将影响 电机稳定悬浮性能。经过分析指出，为实现径向悬浮力的完全解耦，必须对定向 气隙磁链实现幅值和相位的修正，进而提出了优化气隙磁场定向的新型动态解祸 控制策略堙引，为磁悬浮异步电机稳定悬浮所需的非线性动态解耦控制提供了实现 途径。近几年来，由于智能控制的飞速发展，越来越多的专家学者把智能算法引 入电机领域，如模糊控制、神经网络、遗传算法等，给磁悬浮异步电机这一非线 性系统的解耦控制提供了更多更有效的解决方法。 1 2 2 磁悬浮电机的发展趋势 今后磁悬浮电机的发展大致集中在以下几个方面乜卯： 1 数字控制器硬件和软件的研究 为满足磁悬浮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，而要求设计的控制软件功能越来越完善，可靠性更高。随着数字 江苏大学硕士学位论文 信号处理技术、电子技术等的进一步发展，为研究多功能、高性能的数字控制器 提供了硬件条件和技术保障，使得磁悬浮电机向多功能、数字化、智能化、集成 化和模块化方向发展逐渐成为现实。 2 无传感器技术和自供电技术的研究 为了实现转子的悬浮，就要实时检测转子轴的位置，而目前磁悬浮电机需要 的位置传感器不仅数量多，而且价格昂贵，同时还增加了磁悬浮电机的体积和长 度，目前所知的自传感方法难于保证高精度和强鲁棒性，因此需要进一步研究无 传感器检测技术。另外悬浮力绕组的功率消耗和增加的一套外接供电线路，使磁 悬浮电机系统外部结构复杂、效率降低，因此利用磁悬浮电机本身两套绕组存在 极对数差及主要工作在高速状态的特点，使悬浮力绕组工作在发电状态，实现磁 悬浮电机悬浮力绕组的可靠自供电对高速电机集成化尤为重要。 3 控制技术的研究 由于磁悬浮电机的悬浮是定子上转矩绕组和悬浮力绕组相互作用的结果，实 现电磁转矩力和径向悬浮力之间的解耦控制是磁悬浮电机运行的基本要求，也是 该领域研究的难点。典型的基于转矩绕组气隙磁场定向控制算法缺乏实用性并且 存在最大转矩限制，影响到它在重载和大功率条件下的应用，同时其复杂的解耦 算法还缺乏应用上的灵活性。通过在线辩识转矩绕组的气隙磁场的幅值和相位方 法可以实现磁悬浮异步电机转矩绕组和悬浮力绕组的独立控制，但目前的辩识方 法还无法保证辨识精度。由于智能控制的飞速发展，人们已经把模糊控制、神经 网络和专家系统等控制策略引入磁悬浮电机领域，但还只是处在初步理论研究阶 段，需要进行深入的研究。 4 电机结构和参数的研究 根据磁悬浮电机的特殊结构和工作要求，要对磁悬浮电机进行优化设计。主 要研究对象是电机定转子结构形式、绕组的绕制方式、导线的厚度问题等因素对 磁悬浮电机参数、悬浮力绕组电流控制、悬浮特性等工作效能的影响。另外磁饱 和、不同负载工作等因素的存在都会影响到电机的磁场分布和强度等级，而这些 对电机的悬浮工作都会产生很大的影响。电机参数在不同工作环境下是在发生变 化的，即使不是磁悬浮电机，关于消除电机参数变化对电机工作的影响也一直是 电机研究领域的一个热点，但对参数影响的分析和控制尤其是转子参数的影响多 数是围绕着转子磁场定向控制来进行的，对于气隙磁场定向的研究成果很少，而 6 江苏大学硕士学位论文 且对磁悬浮电机来说，参数变化的影响已不局限于转子时问常数等几个参数。应 用直接磁场定向或独立控制等方法虽然可以很大程度上消除参数变化的影响，但 同时带来电机结构的复杂和相应的参量检测等问题，对这些问题的引入带来的影 响也要进行相应的分析和研究。如何设计有效实用的考虑参数变化的控制系统， 是面临的难点之一。 1 3 论文研究的意义及内容安排 1 3 1 论文研究的意义 由于磁悬浮异步电机具有无需润滑、无磨损、无污染、低噪音、高速度、高 精度及其寿命长等一系列突出优点，在真空技术、静室、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，特别足磁悬浮电机驱动的密 封泵用于生物化工、半导体加工等领域，具有传统电气传动无法实现的优势。并 且随着新技术和新材料的应用，其研究成果必将对机械工业、机器人、生物工程、 新材料研制、高新能源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等领域产生巨大 的影响。因此，在我国迫切要求开展磁；悬浮异步电机的研究工作。 磁悬浮异步电机数字控制系统的研究是实现异步电机磁悬浮化的关键，研究 合适的数字控制系统对磁悬浮异步电机的应用具有重要的意义。对于这样一个非 线性更为突出、耦合性更强的系统，要实现磁悬浮异步电机稳定可靠的运行，并 达到良好的动、静态性能，没有稳定优良的控制平台是无法实现的。因此，本论 文着重进行了磁悬浮异步电机数字控制系统的设计，包括硬件电路设计及软件编 程。 1 3 2 本文内容的安排 本文的研究工作主要包括以下几部分内容： 第一章首先介绍了磁悬浮电机的研究背景、发展过程以及国内外发展现状；接 着阐述了磁悬浮电机的特点和应用领域以及磁悬浮电机的发展趋势；然 后介绍了数字控制系统的发展和d s p 产品情况，最后对本文的研究内容 进行了安排。 第二章首先分析了磁悬浮异步电机的基本原理，说明了可控径向悬浮力产生的 7 江苏大学硕士学位论文 机理；然后推导了磁悬浮异步电机的数学模型。 第三章根据磁悬浮异步电机的结构，对比了目前常用的三种磁悬浮异步电机的 控制方案，得出了磁悬浮异步电机数字控制系统结构的共性。重点介绍 了基于空间电压矢量脉宽调制的直接转矩控制方案，给出了详细的转矩 绕组控制方案和悬浮力绕组的控制方案。 第四章详细阐述了磁悬浮异步电机硬件系统的实现过程。本课题的硬件系统主 要由电源电路、功率驱动电路和d s p 控制电路三部分组成。在对d s p 评估板分析的基础上，着重介绍电源电路及功率驱动电路的硬件设计， 并测量了部分试验波形。 第五章介绍了t i 公司提供的c c s 2 0 0 0 软件调试环境，并结合评估板硬件和实 际硬件控制系统平台，详细介绍了软件系统中各个功能模块及其作用， 并给出了详细流程图。在结合系统软件调试的基础上，给出了部分实验 波形并进行了分析。 第六章总结本论文所做的主要工作，并对今后要做的进一步研究进行了简单描 述。 8 江苏大学硕士学位论正 2 1 引言 第二章磁悬浮异步电机的基本理论 传统的磁轴承电机实现了转子悬浮旋转，具宵无接触、无磨损、无润滑和密 封、高精度、寿命k 等特点“1 。但由于转子轴向k 度过k 而存在着转子刚度小、 临界转速低等问题。为此，人们开始针对磁悬浮电机进行深入研究。 磁悬浮片步电机具有复杂的电磁关系，是多变量、非线性、强耦台的被控系 统。要实现转子稳定悬浮和在小同工况下电机无级渊速运行，必须对电机进行非 线性动态解耦控制。本章将介绍磁悬浮异步电机的基本工作原王甲，井建声数学模 删。 2 2 磁悬浮异步电机的基本原理 在普通旋转电动机中存在阿种小l 刊的电磁力：洛仑兹力和麦克斯书力p 。磁 场对其内在的载流导体的作用力称为洛仑兹力，也叫做安培力，它的方i h l 转r 表面相切，产牛电机的旋转力矩，如图21r a ) 所示p ”。麦克斯韦力是在磁场的作 用f ，存磁导率不同的介质边界臣成的磁张心力，苴方向垂直于电机的转子表 而。一般情况r ，它比构成旋转力矩的洛仑兹力要大得多。如果电机的磁通是对 称分印的，麦克斯韦力合力为0 ，如图2l ( b ) 所不。如果转子发生了偏心位移0 | 起磁通分布不均匀，其麦兜斯韦力合力就不再为0 ，其作j _ j 方向和转子偏心方向 致，这就足电机理论中的磁张应力效应如图21 f c ) 。转千偏心最越人，磁张 应力也越人。馥力作用相当r 个负刚度的弹簧作用力。要实现转了悬浮，必须 段变该作用力的刚度为正，这t 咀通过改变悬浮力的人小和方向实现p ”。 图21 洛仑茁力和麦克斯韦力 鸯 ，l 0 江苏大学硕士学位论文 在电机的定子中放入两套具有不同极对数的绕组，转矩绕组( 极对数p ，) ， 悬浮力绕组( 极对数p z ) ，当极对数满足珐= p ，1 时，电机中才能产生可控的 悬浮力1 3 5 1 。悬浮力绕组的引入，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，而其对称区域磁场减弱，其产生的磁张应力( 即麦克思韦力) 将指向磁场增强的一方。如图2 2 ( a ) 所示的磁悬浮异步电机( p l = i ，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的不均匀，其结果产生的麦克 斯韦合力( 即径向悬浮力) 指向x 轴的一方向；图2 2 ( b ) 中两个磁场的作用产生 了沿y 轴正方向的悬浮力。通过转子径向位移的负反馈控制，可以控制转轴上的 径向悬浮力的大小和方向，从而实现转轴的悬浮。磁悬浮电机输出的电磁转矩则 基于洛仑兹力产生的，与普通异步电机无异。 图2 2 磁悬浮电机悬浮力产生示意图 2 3 磁悬浮异步电机悬浮力的产生原理 2 3 1 洛仑兹力 ( b ) 磁悬浮电机转子的悬浮是在转矩绕组和悬浮力绕组相互作用下实现的【3 6 1 。 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，作用在转子上产生的 切向力。设异步电机有效铁心长度为l ，定子内径r ，气隙磁感应分布率b ( 缈) ， 悬浮力绕组电流分布率a ( 缈) ，则沿圆周方向单位长度的洛仑兹力为： a f , = 一彳( 够) b ( 矽) ，r d ( p ( 2 1 ) 式中：缈为空间向量角。 l o 江苏大学硕士学位论文 由十气隙磁链和电流均呈正弦分布： 君( 缈) = b c o s ( p l 缈一1 ) ( 2 2 ) 彳( 缈) = a s i n ( p 2 缈一允) ( 2 3 ) 当p ：= p ，+ 1 时，将( 2 1 ) 沿圆周积分得到洛仑兹力表达式为： 圪= 巧e o s ( a 一j ) ( 2 4 ) 以2 巧s i n ( 2 一) ( 2 5 ) 式中：巧：竺掣，、五分别为磁链和悬浮力绕组的初始相角。 根据电流和磁链的定义及矢量乘法原理，将公式( 2 4 ) ( 2 5 ) 转化为d q 旋 转坐标系下的形式： 吒= k ( 2 d d + 2 a q ) ( 2 6 ) 毛2k ( e ：- d + t z ，- ) ( 2 7 ) 式中：k ，= 参鲁，形、分别为转矩绕组和悬浮力控制绕组每相串联的有效 匝数。 2 3 2 麦克斯韦力 设铁心与气隙磁导率分别为u n 、。，交界面上法向磁感应强度和磁场强度 分别为蛾、h ，。由于磁力线j 乏出饫心基本垂直十铁心表曲，则4 , 0 。则铁心 与气隙交界面上单位面积上的麦克斯韦力为f 3 7 】： 吒：墼竿( 霹一n n ，2 ) 善 ( 2 8 ) 2 , u f p q2 l o 该力作用的方向垂直于电机转子表面。由( 2 8 ) 得，作用于电机转子外表面面 积微元以上的麦可斯韦力为： 蛾= 等= 筹咖 江苏大学硕士学位论文 不考虑齿槽效应和磁饱和，且转矩绕组p 。和悬浮力绕组p z 在电机气隙中产生的 合成磁密为： b ( 妒) = ec o s ( p 6 0 一) + 琏c o s ( p 2 e , o - , u ) 将( 2 1 0 ) 代入( 2 9 ) ： ( 2 1 0 ) a f = s 。- r - - b 6 , c o s ( p 矽一, u ) + 1 2c o s ( p 2 6 p 一) 】2 d 缈 ( 2 11 ) 2 对( 2 1 1 ) 式在圆周上积分得： k = c o s ( a 一) = f ms i n ( a 一) 式中：f m ：_ r r l r - b t b 2 。 2 t o 又每极磁通为： l ：坐，2 ：一2 r l b 2 p、p2 每相气隙磁链为： 甲，：盟，甲：肌：蛆 p l仍 三相绕组合成气隙磁链的空间向量幅值为： w t = 3 z q j 峄三 忽略悬浮力绕组在转子中产生的感应电流，控制绕组主要是励磁作用 甲2 = l m 2 c 2 式中：厶：为控制绕组自感。 将( 2 1 4 ) ( 2 1 7 ) 代入e ：苎墼得： z - t o 吒 ：三竺旦堕p 2 1 9 0 2 ： 一。一 2 胁2 r l 2 r l ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 茹2 蕞2 弼2l “：= 赭 用向量乘法原理，将( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 转换为d q 旋转坐标系下的形式： 1 2 江苏大学硕士学位论文 = k ( 2 d 甲l d + t 2 9 甲l q ) = k ( 2 q 甲l d + c 2 d 甲l g ) 式中以= 揣2 2。 2 4 磁悬浮异步电机的数学模型 2 4 1 悬浮部分的数学模型 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 当p 2 = p l + 1 时，洛仑兹力与麦可斯韦力方向相同，而p 2 = a - 1 时，二者 方向相反，为在相同条件下得到更大的悬浮力，一般采用仍= p l + 1 p 8 1 p 明p 0 1 。 令f = 吒+ 巧为悬浮力可控分量： c = k ( 2 d 甲1 d + i s 2 9 甲1 譬) e = k ( 2 9 甲l d + i s 2 d 甲i g ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 同时，当转子发生偏心时，因气隙不均匀造成的磁场不平衡会产生偏心磁拉 力，这是一种固有的麦可斯韦力，其表达式为： 只= k , x 弓= k , y 式中：k ：k _ 7 c r l b 2 为位移刚度，k 为衰减因子，一般取k = 0 3 。 t o o 2 4 2 旋转部分的数学模型 气隙磁链方程： 电压方程： 甲l d = 厶l ( l d + l r l d ) 甲l 口= k l ( 0 l g + g ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) u r l d = r r l l ，+ p w l d + t l ，p t d 一( 甲l q + l d i r l ，) ( q 一( - o r ) = 0 ( 2 2 7 ) 江苏大学硕士学位论文 u l g 。如l d + p q - l g + l ，p ；l g + ( 甲l d + 三，l g r l d ) ( q c o ，) = 0 ( 2 2 8 ) 转矩方程： 乃= p 1 ( c l g 甲l d + c l d q - , l g ) ( 2 2 9 ) 式中：厶，为转矩绕组自感，转矩绕组转子漏感，皑为气隙磁场转速，q 为 转子转速，耳。为转矩绕组电阻，p 为微分算子。 2 4 3 运动方程的数学模型 设转子质量m ，转子转动惯量j ，五为负载转矩，足，l 为外加干扰分量， 则电机的运动方程为【4 2 】： 足+ b e = r r f f ( 2 3 0 ) 易+ 一e = 彬 ( 2 3 1 ) r , - 死= 丢警 ( 2 3 2 ) 2 5 本章小结 本章研究了度磁悬浮异步电机的基本结构，阐述了磁悬浮异步电机的工作原 理，并建立磁悬浮异步电机的数学模型。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章磁悬浮异步电机的控制系统对数字控制的要求 3 1 引言 从第二章对磁悬浮异步电机基本理论的介绍可以看出，磁悬浮异步电机系统 是一个复杂的强耦合、非线性系统，必须对强耦合磁场实行非线性解耦控制。目 前，对于磁悬浮异步电机有两种控制方法：磁场定向控制和直接转矩控制。 磁场定向控制也称矢量控制，最早由两德e b l a s s c h k e 等人提出，以后经许 多人努力逐渐完善，已经作为一种基本的原理和方法被普遍采用。它的基本思想 是根据直流电机和交流电机在产生转矩的基本原理上的相似性，经过一定的数学 变换或坐标变换，使二者的电路方程产生联系，然后用模拟直流电机的控制方法 对交流电动机进行磁场和转矩的控制，试图改善异步电动机的转矩控制特性，使 之具有和直流机相似的特点。 直接转矩控制( d t c ) 是建立在电压源型p w m 逆变器传动系统基础上的一 种先进的标量控制技术，它抛弃了矢量控制中的解耦思想，直接从定子坐标系入 手，采用定子磁场定向的方案实现传动系统的转矩和磁链的直接控制。解决了矢 量控制中转子磁链难于观测、系统性能受电机参数影响较大、矢量旋转变换较为 复杂等缺陷。由于其简洁明了的系统结构，优良的动态性能，因此受到普遍的关 注。 3 2 几种常见的控制系统 针对磁悬浮异步电机的磁场定向控制( 矢量控制) 有三种类型：转子磁场定 向控制、定子磁场定向控制、气隙磁场定向控制。 磁悬浮技术是由于电机内气隙磁场分布的不均匀产生了作用在转子上的径 向力从而实现转轴的悬浮。气隙磁场分布的不均匀是悬浮力绕组和转矩绕组相互 作用的结果。如果不能保持气隙磁场的相对稳定，悬浮力的大小就不能准确计算， 而且电机的输出力矩性能也受到影响。径向悬浮力作用的大小和和方向( 相位) 和气隙磁链的大小和相位密切相关，只有把握气隙磁链的相位，才能准确的施加 悬浮力，否则有效控制、高精度悬浮均无从谈起。 江苏大学硕士学位论文 3 2 1 气隙磁场定向的控制系统 由公式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 、( 2 2 9 ) 看出，电机中可控悬浮力和旋转力矩均足 气隙磁链的函数。如果采用气隙磁场定向控制，就可实现对旋转力矩和可控径向 力的解耦控制。并且，悬浮力绕组的加入影响了电机气隙磁场的均匀，气隙磁场 的变化必然影响电机电磁转矩的输出。如果能有效控制气隙磁场的大小，输出转 矩才不会受悬浮力绕组的影响，同时也能准确计算悬浮力的大小。悬浮力作用的 方向与气隙磁链相位密切相关，只要准确把握气隙磁链的相位，就能有效地施加 悬浮力，系统稳定就有保证。可见，气隙磁场定向控制是磁恳浮异步电机的控制 所溜气隙磁场定向，就是使同步旋转坐标系的横轴和电机的气隙磁链方向一 甲l g = 0 ，q - , l d = 甲l ( 3 1 ) t ：土 (32),l q 2 丽- - e 门2 从式( 3 2 ) 可知，如果能保持气隙磁链为常值，则就能非常有效的控制电机的 推导气隙磁链的表达式，由式( 2 2 6 ) 得： t l q = 一i r i q ( 3 3 ) 从式( 2 2 5 ) 得： _ 矗。等岔 ( 3 4 ) 将式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 代入( 2 2 8 ) 得： 铂也：缈，：单立丝鳖 ( 3 5 ) 铂一q 。q 。了。 k j ) ) l , m l y l d 一三，l f f 舢 从式( 2 2 7 ) 可得： 1 6 江苏大学硕士学位论文 从式( 3 6 ) 可解得： 设每 则： = 士 ( 1 + 玺赢d 一织缸 6 ， r ，l 。i 乏 ( 1 + 鲁力等+ 织每 限7 ) r r l 1 。2 南【( 1 + r r u p ) s t ( _ o s l r l i 】 缈。：! ! 堑竺如 甲l o l ，d 锄1 根据式( 3 2 ) ，( 3 8 ) ，( 3 9 ) 构成的气隙 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 磁场定向控制算法。图3 1 给出了磁悬 浮异步电机气隙磁场定向控制系统原理图。 图3 1 磁悬浮异步电机气隙磁场定向控制系统原理图 采用气隙磁场定向控制后悬浮力公式可写为： c = k ：d 甲。 2 k z 。甲。 1 7 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 转子磁场定向的控制系统 采用转子磁场定向控制时有： 甲r i d = 甲r l ，甲r l g = 0 将( 3 1 2 ) 代入( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 可得： ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) “，一缸 将( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 代入( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 得： 转矩绕组电流的励磁分量，d ： d = 等k 慨 转差率纹： 织= 志。 慨 电磁转矩公式可表示为： t e = n p l z l ，m 。i ，- 。甲，- ( 3 1 7 ) 则： ，咖2 面t e l i r l ( 3 朋) 气隙磁链和转子磁链的关系： _ ( 1 + 等m ， ( 3 1 9 ) 一，= 百z m l 三r ”f 咖 ( 3 2 。) 根据公式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 可知，径向悬浮力与转矩绕组的气隙磁链有关， 利用气隙磁链和转子磁链的关系公式( 3 1 9 ) 、( 3 2 0 ) ，可以辩识出转矩绕组 气隙磁链分量，得到径向悬浮力部分数学模型。 半 = d0 江苏大学硕士学位论文 图3 2 给出了磁悬浮异步电动机转子磁场定向控制系统原理图。 剥竺h 一 妾甚 c r e w 卜 m 卜 e 彬。 目蚍 丽 i 一一i 位置枪测 悬浮力绕组 光电编码器 转矩绕组 图3 2 磁悬浮异步电动机转子磁场定向控制系统原理图 3 2 3 基于电压空间矢量脉宽调制的直接转矩控制系统 研究表明m 3 1 1 4 4 1 ：如果能在线辩识电枢绕组气隙磁场的幅值和相位，那么转 矩绕组和悬浮力绕组之间就可以不再需要传递任何信息，从而实现磁悬浮异步电 动机转矩绕组和悬浮力绕组之间的独立控制。这样一来，磁悬浮异步电动机系统 的转矩绕组就和普通异步电动机的电枢绕组一样，在控制策略上可采用现有的直 接转矩控制方法。 基于空间电压矢量调制的直接转矩控制系统( s v m d t c ) 的方案，这种方 案可以减小直接转矩控制系统的磁链与转矩脉动，使逆变器开关频率恒定等。它 基于转矩角控制方案，基本思想是：在一个控制周期中选择相邻的两个运动矢量 和一个零矢量，计算出每个矢量作用时问，从而合成出所需要的任意空间电压矢 量，实现转矩快速控制及转矩和磁链的无静差控制。 图3 3 给出了磁悬浮异步电动机的s v m d t c 控制原理图。从图上可以看出 对转矩绕组和悬浮力绕组的控制策略基本上是独立，唯一联系的地方在于悬浮力 绕组的悬浮控制力分量e 、r 。从公式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 可以看出，计算悬浮控 制力分量t 、e ，需要转矩绕组的气隙磁链分量。所以这个系统中只要转矩绕 组控制部分可以得到实时精确的气隙磁链分量，悬浮力控制绕组部分和转矩绕组 部分就可以完全实现独立控制。 1 9 力1 g 一扳 一黝；|；一 u 剐习魁n 一 黼煳螂一 陟嗲 奄旦 垩辩 警 警嚣 ：i 江苏大学硕士学位论文