（电力电子与电力传动专业论文）无轴承永磁同步电机起动及数字控制.pdf

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，也不包含为获得江苏大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均己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：翻夭 加f 1 年乡月日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅， 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提 供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论 文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名： 剀f 1 年6 月h 日 燧名：薯易棼。 移1 1年占月j f 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 无轴承永磁同步电机是一种将产生悬浮力的磁轴承线圈( 绕组) 嵌入传统永磁同步电 机的定子槽中，使电机具有转子自悬浮支撑能力的新型电机。它既有永磁同步电机功率大、 寿命长、效率高和体积小等优点，又具有磁轴承无摩擦磨损、高速度、高精度、寿命长、 免维护等特点，使其在高速高精数控机床、机器人、航空航天、飞轮储能、离心压缩机等 领域具有潜在应用前景；其独具的悬浮驱动传动机理使其在化学化工、生命科学等高新 技术领域具有传统电机无法实现和替代的技术和经济优势。 本论文在国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“基于无轴承永磁同步电机的 机器人伺服驱动系统( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 1 3 ) 的资助下，从理论到实验，对无轴承永磁同步电 机的数学模型、转子磁场定向控制、转子初始定位方法和起动控制策略以及数字控制系统 进行了较为深入的研究。论文主要研究工作如下： 首先，分析转矩绕组和悬浮力绕组的磁链耦合情况，采用机械电气坐标变换的方法， 推导出这两套绕组的磁链方程和电压方程。根据永磁同步电机数学模型，给出无轴承永磁 ” 同步电机的电磁转矩方程。利用虚位移方法，并考虑转子偏心情况，对磁能方程求偏导推 导出无轴承永磁同步电机完整的径向悬浮力方程，根据无轴承永磁同步电机数学模型，提 出采用转子磁场定向的矢量控制策略对无轴承永磁同步电机实行解耦控制。 其次，针对无轴承永磁同步电机无起动绕组的特点，根据其转矩产生原理，提出一种 基于指令电流三步定位法的无轴承永磁同步电机转子初始位置定位方法。利用增量式光电 编码器，给出转子位置角检测及误差矫正方法，进而采用转子磁场定向控制实现电机的起 动。 最后，构建以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心的无轴承永磁同步电机数字控制系统，运 用模块化编程思想开发系统软件并给出相应的流程图。以二自由度无轴承永磁同步电机为 实验研究对象，给出调试结果并进行了分析，实验结果验证了理论的正确性，为进一步研 究无轴承电机转子实现五个自由度上的悬浮奠定了基础。 关键词：永磁同步电机，无轴承电机，数学模型，矢量控制，起动，数字控制 基金项目：国家8 6 3 高新技术研究计划( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 1 3 ) 资助项目 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t ab e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e t - t y p es y n c h r o n o u sm o t o r ( b p m s m ) i san o v e lm o t o r , i nw h i c ht h e m a g n e t i cb e a r i n gw i n d i n g sf o rl e v i t a t i o nf o r c ea l ee m b e d d e di n s t a t o rs l o to ft r a d i t i o n a lp e r m a n e n t m a g n e t t y p es y n c h r o n o u sm o t o r i t sr o t o rc a np r o d u c tb o t hr o t a t i n gt o r q u ea n d l e v i t a t i o nf o r c e i tn o to n l yh a s t h em e r i t so fp e r m a n e n tm a g n e t - t y p es y n c h r o n o u sm o t o r , s u c ha sh i 【g hp o w e r , l o n gl i f e , h i g he f f i c i e n c ya n d s m a l lv o l u m e ，b u ta l s oh a st h em a g n e t i cb e a r i n g s e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sn om e c h a n i c a lf r i c t i o na n d w e a r , h i g h8 p l e e d h i g ha c c u r a c y , l o n gl i f e - s p a na n dl i t t l em a i n t e n a n c e i th a sp o t e n t i a lf o r e g r o u n df o r a p p l i c a t i o ni n m ef i e l d so fh i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c yn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e , r o b o t ，a e r o s p a c e ， f l y w h e e le n e r g ys t o r a g e ，c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , e t c i t su n i q u el e v i t a t i o n ，d r i v ea n dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m m a d ei tm o r ee c o n o m i ca n dt e c h n o l o g ya d v a n t a g e st h a nt r a d i t i o n a lm o t o r si ns o m eh j i g ht e c h n o l o g yf i e l d so f c h e m i s t r ya n dc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，l i f es e r i e n c e 8 ，e t c t h i sd i s s e r t a t i o ni ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a no fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) “r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fb e a r i n g , l e s sp e r m a n e n tm a g n e t t y p es y n c h r o n o u sm o t o ri nt h e r o b o t - d r i v e ns y s t e m ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 213 ) ”，a n df r o mt h e o r yt oe x p e r i m e n t ，f o c u s e sm a i n l yo nt h em a t h e m a t i c m o d e l so fb p m s m ，r o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，r o t o ri n i t i a lo r i e n t a t i o nm e t h o d ，s t a r t u pc o n t r o ls t r a t e g ya n d d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m t h em a i nw o r kf r o mt h i sd i s s e r t a t i o ni sp r e s e n t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , b ya n a l y z i n gt h ef l u xc o u p l i n gs i t u a t i o nb e t w e e nt o r q u ew i n d i n g sa n ds u s p e n s i o nf o r c ew i n d i n g s ， am e t h o do fc o n v e r t i n gm e c h a n i c a lc o o r d i n a t et oe l e c t r i c a lo n ei sa d o p t e d ，f l u xa n dv o l t a g ee q u a t i o n so ft h e t w os e t so fw i n d i n g sa l ed e r i v e d a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r , t h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ee q u a t i o no fb p m s mi sg i v e n c o n s i d e r i n gr o t o re c c e n t r i c i t ya n dc a l c u l a t i n g p a r t i a ld e r i v a t i v eo f m a g n e t i ce n e r g ye q u a t i o n ，t h ec o m p l e t ee q u a t i o no f r a d i c a ls u s p e n s i o nf o r c ei sd e d u c e db y v i r t u a ld i s p l a c e m e n tm e t h o d t h e nb a s e do nt h em a t h e m a t i c sm o d e l ，t h er o t o rf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o l m e t h o di sp r o p o s e df o rd e c o u p l i n gc o n t r 0 1 s e c o n d l y , c o n t r a r yt ot h eb p m s m c h a r a c t e r i s t i co fn os t a r t i n gw i n d i n g sa n da c c o r d i n gt oi t sp r i n c i p l eo f t o r q u eg e n e r a t i o n ，ar o t o ri n i t i a l o r i e n t a t i o nm e t h o dn a m e dt h r e e - s t e po r i e n t a t i o nb a s e do nt h ec o m m a n d c u r r e n to fb p m s mi sp r o p o s e d b yu s i n gi n c r e m e n t a lo p t i c a l - e l e c t r i c a le n c o d e r , r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o na n d e r r o rc o r r e c t i o nm e t h o da l eg i v e n a n dt h e nt h es t a r t u po f m o t o rw i t hr o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o li sr e a l i z e d f i n a l l y , t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fb p m s m i sb u i l tu p ，w h i c hh a st h ec h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa si t s c o r e a d o p t i n gt h em o d u l a rp r o g r a m m i n gi d e a ，t h es o f t w a r eo fs y s t e mi sd e v e l o p e d a n dt h er e l a t e dp r o g r a m f l o wc h a r t sa 他g i v e n c o n s i d e r i n gab p m s m 、衍t l it w od e g r e e so ff r e e d o ma st h er e s e a r c h i n go b j e c t ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa l eg i v e na n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r yi sv a l i d i t y , a n dt h i s c o n t r o ls y s t e ml a y ss o m ef o u n d a t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nh o wt or e a l i z et h eb e a r i n g l e s sm o t o rr o t o r s s u s p e n s i o nw i mt h ef i v ed e g r e e so ff r e e d o m k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , b e a r i n g l e s sm o t o r , m a t h e m a t i c sm o d e l ，s t a r i n g ，d i g i t a l c o n t r 0 1 搴p r o j c c ts u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a no f c h i n a ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 1 3 ) ， 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 1 1 无轴承电机概述1 1 1 2 无轴承电机的发展2 1 2 无轴承永磁同步电机研究意义和关键技术5 1 2 1 研究意义5 1 2 2 关键技术6 1 3 本文研究内容7 第二章无轴承永磁同步电机数学模型与控制策略9 2 1 无轴承电机基本理论9 2 1 1 无轴承电机的基本电磁力9 2 1 2 无轴承永磁同步电机的气隙磁场。：1 0 2 1 3 无轴承电机转子悬浮条件与受力j ：- 11 2 2 无轴承永磁同步电机数学模型1 3 2 2 1 无轴承永磁同步电机磁链方程与电压方程13 2 2 2 无轴承永磁同步电机电磁转矩方程16 2 2 3 无轴承永磁同步电机电磁能方程1 6 2 2 4 无轴承永磁同步电机径向悬浮力方程 18 2 3 无轴承永磁同步电机控制策略2 0 2 4 本章小结2 3 第三章无轴承永磁同步电机转子初始定位及起动控制2 4 3 1 无轴承永磁同步电机转予初始定位2 4 3 1 1 基于指令电流控制的转子初始定位2 5 3 1 21 2 0 。叶2 4 0 。_ 0 。定位相序的三步定位法2 5 3 2 无轴承永磁同步电机起动控制2 8 3 2 1 光电编码器的选型及误差矫正2 8 3 2 2 采用增量式光电编码器检测转子位置3 1 江苏大学硕士学位论文 3 2 3 基于转子磁场定向控制的无轴承永磁同步电机起动控制3 2 3 3 本章小结- 3 2 第四章无轴承永磁同步电机数字控制系统3 3 4 1 无轴承永磁同步电机硬件系统设计3 3 4 1 1 数字信号处理器的选择3 4 4 1 2 功率驱动电路3 5 4 1 3 信号检测3 7 4 1 4 故障保护：4 0 4 2 无轴承永磁同步电机软件系统设计4 l 4 2 1 软件的模块化设计。4 2 4 2 2 转子初始定位子程序4 3 4 2 3 转子角度及转速计算子程序4 5 4 2 4 位置环调节子程序4 6 4 2 。5 坐标变换子程序：j 。4 7 4 3 实验结果及分析。4 8 4 3 1 电机起动实验_ 4 8 4 3 2 转矩绕组实验5 0 4 3 3 悬浮力绕组实验5 l 4 4 本章小结5 3 第五章总结与展望。5 4 参考文献5 6 j ! 定谢6 2 攻读硕士学位期间发表论文及参加科研项目6 3 i v 江苏大学硕士学位论文 图表说明 图1 1 五自由度无轴承永磁同步电机结构示意图2 图2 1 洛仑兹力和麦克斯韦力产生示意图l o 图2 2 无轴承电机转子受力情况示意图l3 图2 3 无轴承永磁同步电机转矩绕组机械电气坐标系变换示意图1 4 图2 4 无轴承永磁同步电机悬浮力绕组机械电气坐标系变换示意图15 图2 5 无轴承永磁同步电机转子偏心示意图1 7 图2 6 无轴承永磁同步电机矢量控制系统框图”2 2 图3 1 无轴承表贴式永磁同步电机转矩绕组分布示意图2 4 图3 2 定位相序为1 2 0 。一2 4 0 。一0 。时转矩绕组的受力分析示意图2 7 图3 3 增量式光电编码器结构示意图2 8 图3 4 增量式光电编码器的组成2 9 图3 5 增量式光电编码器的输出信号波形2 9 图3 6 绝对式光电编码器码盘3 0 图3 7 矫正信号示意图3 1 图4 1 无轴承永磁同步电机控制系统硬件结构框图3 4 图4 2 无轴承永磁同步电机功率驱动主电路示意图3 6 图4 3 光耦隔离电路3 6 图4 4a 相脉冲信号调理电路3 7 图4 5 电流信号转换电路3 8 图4 6 电涡流传感器基本工作原理示意图3 8 图4 7 电涡流位移传感器输出特性”3 9 图4 8x 方向的径向位移接口电路4 0 图4 9 故障信号检测电路- 4 l 图4 1 0 无轴承永磁同步电机控制系统软件模块化结构图4 2 图4 1 l 无轴承永磁同步电机控制系统软件程序流程图4 3 图4 1 2 转子初始定位子程序流程图4 4 图4 13 转子角度及转速计算子程序流程图4 6 图4 1 4 位置环调节子程序流程图4 7 v 江苏大学硕士学位论文 图4 1 5 电机转子定位过程中a 相和b 相指令电流波形”4 9 图4 1 6 起动过程电流波形4 9 图4 17 转子径向位移波形5 0 图4 18 转速变化波形5 0 图4 1 9 转子角度变化波形5 0 图4 2 0 转矩绕组a 相给定电流及跟踪电流波形51 图4 2 1 悬浮力绕组a 相给定电流及跟踪电流波形5 2 图4 2 2 施加位移扰动时的x ，y 轴径向位移波形一5 2 图4 2 3 转子径向位移二维波形一5 2 表1 1 无轴承电机国外发展概况2 表1 2 无轴承电机国内研究现状3 表4 1 实验样机参数”3 3 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 1 无轴承电机概述 第一章绪论 电机作为极其重要的动力装置，在国民经济发展、国防建设和家用电器等人民生活的 各种领域得到了广泛的应用。随着科技发展和生产需要，对高速、超高速大容量的电力驱 动有了很大的需求，如高速高精度数控机床，涡轮分子泵，离心压缩机，分布式发电系统 用的高速燃气发电机及飞轮储能应用等。不仅如此，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、医疗设备的工作性能具有极其重要的 意义，所以高速电机的研究与发展十分迅速。 要实现电机的高速、超高速可靠运行，首先需要解决的问题是高速下转子的轴承支承。 目前正在研究的轴承有气浮、液浮和电磁轴承，其中气浮和液浮轴承需要专门相配的气压、 液压系统和复杂的密封技术，并且能耗大，效率低。电磁轴承采用可控的磁悬浮方式支撑 一 高速旋转电机及负载，它是利用电磁力使转轴稳定悬浮，使得转子与定子之间没有机械接 触且其轴心位置可以由控制系统控制的一种新型无接触轴承。 利用电磁轴承和电机结构上的某些相似性，将产生悬浮力的原电磁轴承绕组嵌入旋转 电机的定子槽中，使电机转子同时具有旋转和自悬浮支撑能力，就会构成所谓的无轴承电 机( b e a r i n g l e s sm o t o r - b l m ) 1 1 。五自由度无轴承电机结构示意图如图1 1 所示，安装于2 个 相同的无轴承电机单元之间的轴向磁轴承用来控制转子的轴向位移，实现轴向1 个自由度 的控制，2 个相同的无轴承电机单元分别用来控制电机的径向2 个自由度共4 个自由度的 控制。无轴承电机是电动机和磁轴承的一体化结构，将产生径向力的绕组和转矩的定子绕 组有规律叠加在电机定子槽里，在电机绕组的绕制过程中保证转矩定子绕组产生的磁场极 对数尸m 与径向悬浮力绕组产生磁场极对数既的关系为：p b = p m - q - 1 ，使气隙中同时有两种 不同极对数的旋转磁场相互作用，有意地破坏气隙磁场应有的均匀性，保证了电机既能产 生旋转力，又能产生径向悬浮力，从而实现电机无轴承化。这种不同极对数磁场间的调制 机理突破了传统电机理论中有关定、转子磁场极对数必须相等以产生恒定电磁转矩、气隙 磁场必须平衡以消除单边磁拉力的旧框架，是交流电机理论上的一大突破，开创了“磁悬 浮电机研究方向，具有重要的理论意义和学术价值。 江苏大学硕士学位论文 无轴承电机 轴向磁轴承无轴承电机 m 隧骖砺i - 。 园i 薰 i篇箕鬈期iii 囵箩 豳v i 眵群嗣铲群* 彤l 秽渺髂群辫 暖1 l i l 肠i 乙1 防跏翰黔嚣酗伽酗，盼l 鲷髯7 ，。i 黟：二7 二。二，二：二：j 一一? 二：i = 二：驾 e - 未；量。二。：，执骱；：p 。：，一“，。r ? 钾溺 莲型吲圆耋蓁驾 图1 1 五自由度无轴承永磁同步电机结构示意图 i i 2 无轴承电机的发展 二次世界大战后，直流磁轴承技术的发展，使得电机的无接触旋转运行成为可能，但 这种传动系统造价很高，因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁场中稳定悬浮。主动磁轴承 的发明，解决了这个难题，但用主动磁轴承支承刚性转子要在5 个自由度上施加控制力， 这使得磁轴承体积大、结构复杂和造价高。2 0 世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需 要用超高速离心分离方法生产浓缩铀，磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是在欧洲开始 了各种磁轴承研究计划。表1 1 给出了国外对无轴承电机的研究和发展概况。 表i 1 无轴承电机国外发展概况 年份国家学者研究成果 提出了一种在p 对磁极的电机中再组合尸1 对磁极绕组的 1 9 7 3 1 9 7 4英国p kh e r m a n n双定子绕组，使得电机中既可产生p 对磁极的转矩磁场， 又能产生支撑转轴的径向磁悬浮力的新型电机构想1 2 , 3 】 1 9 7 4 美国 p m e i n k e 提出了电机具备转子转动和磁悬浮功能的构想【4 】 提出“无轴承电机”的概念，意指“具有转子自悬浮功能 1 9 8 8 瑞士 r b o s c h 的电机”【1 】 1 9 9 0瑞士j b i c h s e l利用矢量控制技术实现了永磁同步电机的无轴承运行【5 】 1 9 9 0 日本 a c h i b a 实现磁阻电机的无轴承技术吲 1 9 9 1瑞士r s c h o e b实现交流电机的无轴承技术0 7 1 1 9 9 2 日本 y o k a d a 实现永磁电机的无轴承技术f 8 1 1 9 9 8瑞士n b a r l e t t a研制出无轴承永磁同步薄片电机( 9 】 2 0 0 0瑞士s s l i b e r研制出无轴承单相电机【1 伽 m o o s h i m a 1 9 9 6 - 2 0 0 6日本a c h i b a t f u k a o 无轴承表面叠装式永磁同步电机的研究1 6 1 d k i m ， 2 0 0 0 美国 l s s t e p h e n s 1 9 9 6日本 t o h i s h i 永磁体内嵌式无轴承永磁电机的研列1 7 】 1 9 9 9 奥地利 彤a m r h e i n 无轴承永磁无刷方波电机机理的研究 1 8 , 1 9 】 表1 1 中，关键性研究当属瑞士苏黎世联邦工学院研制出的无轴承永磁同步薄片电机 2 江苏大学硕士学位论文 和无轴承单相电机，而永磁体表面叠装式无轴承永磁同步电机的研究，则以日本m o o s h i m a 为主的课题组研究成果处于世界领先。 就应用方面，瑞士苏黎世联邦工学院和l e v i t r o n i xg m b h 公司对无轴承永磁同步电机的 研究和应用保持世界领先水平。以j h u e g e l 教授领导的课题组多年来一直致力于开发实用 的无轴承电机 2 0 j 1 1 。根据无轴承电机的工作原理，创造性地研制出了基于无轴承永磁同步 电机的人- i - , l , 脏泵( b l o o dp u m p ) 、无轴承气泡反应床( b e a r i n g l e s sb u b b l eb e dr e a c t o r ) 、 泵头可分离的离心泵( s e p a r a t e dd i s p o s a b l ep u m p ) 、和泵头插入式离心泵( i n s e r t e d d i s p o s a b l ep u m p ) 等，取得了很好的经济效益和社会效益。 我国也已重视开展无轴承电机的研究和应用，各高校先后开展了无轴承交流异步电 机、无轴承开关磁阻电机、无轴承永磁同步电机和人工心脏泵用无轴承电机等的研究工作， 并且在理论和实验方面取得了一些成绩。然而在中国，要实现无轴承电机的商品化、实用 化，要走的路还很漫长。目前，我国尚未报道有无轴承电机在工业生产中应用的例子。国 内各高校具体研究情况如表1 2 所示。 表1 2 无轴承电机国内研究现状( 排名不分先后) 学校研究内容和成果 研制了小容量永磁同步无轴承电机用于人工心脏血泵，并在不同类型转子结构 沈阳工业大学无轴承电机转矩与悬浮力的比较、考虑气隙偏心下悬浮力的建模和分析上做出 了贡献 2 2 , 2 3 j ，还研究了混合转子无轴承电机及其控锘l j 2 4 2 5 对无轴承永磁薄片电机2 9 1 、无轴承交替极电机l 3 0 3 3 1 、无轴承电机的磁场定向 南京航空航天大学 控制、计及偏心及洛仑兹力的建模诸多方面进行了广泛研列3 4 - 3 7 1 西安交通大学在无轴承电机控制上进行了理论分析和仿真研究【3 8 , 3 9 研究了永磁型无轴承电机电磁设计及运行控制，在无轴承永磁同步电机的完整 浙江大学 数学模型、无传感器运行作出了一定的贡献【4 嘶1 天津大学 研究了无轴承永磁同步电机转子偏心位移的直接控制和神经网络逆控制4 7 4 8 1 重庆大学无轴承永磁同步电机电磁设计与控制策略的研究【4 9 】 湖南大学无轴承异步电机和无轴承永磁同步电机的解耦控制和无传感器研究 5 0 - 5 3 1 无轴承电机通用磁悬浮模型及解耦控制系统的研究，还有旋转惯性振动抑制模 华中科技大学 型、一般化互感模型和通用可控磁悬浮力解析模型的研列5 t 5 7 】 无轴承电机电磁设计优化、解耦控制、数字控制系统、仿真和实验研究【5 “3 1 ， 江苏大学并与瑞士苏黎世联邦工学院共同开展了对功率为4 k w 无轴承永磁同步电机研 究工作6 4 1 ，解决了传感器检测、降低功率损耗等关键技术问题。 从目前所研究的电机类型上看，无轴承磁悬浮技术的研究主要集中在无轴承异步电 机、无轴承薄片电机、无轴承磁阻电机、无轴承无刷直流电机、无轴承永磁同步电机等类 型。从9 0 年代至今，无轴承异步电机、无轴承永磁同步电机、无轴承磁阻电机都有了成 功悬浮的报道。针对不同类型的电机，研究侧重有所不同。同时，各类电机固有的优缺点 决定了其无轴承电机不可避免的存在相应优缺点。 3 江苏大学硕士学位论文 1 无轴承异步电机 无轴承异步电机可采用普通的笼型转子，机械强度高，可以运行在超高速状态，其结 构简单、成本较低、运行可靠、气隙小且均匀、易于弱磁升速等优点受到了无轴承技术学 者的广泛重视，是最有实用前景的方案之一，也是研究最早、最多的类型之一。但是，由 于无轴承异步电机没有独立的励磁绕组，其励磁电流分量和转矩电流分量都由同一套电机 绕组提供，本文把它统称为转矩绕组。转矩绕组又和径向悬浮力绕组之间存在着耦合，电 磁关系十分复杂，属于非线性强耦合系统。而且无轴承异步电机运行时必须从电网吸取无 功励磁功率，高速运行时损耗大，并且由于无轴承异步电机的转速与其旋转磁场转速有一 定的转差关系，其调速性能较差，严重影响了控制精度，需要补偿相角，控制回路复杂。 2 无轴承磁阻电机 无轴承磁阻电机主要包括无轴承同步磁阻电机和无轴承开关磁阻电机，其转子上无任 何绕组，也无永磁体，它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而 是依靠转子交轴和直轴磁阻不等产生磁阻转矩。目前关于无轴承磁阻电机的研究主要集中 在无轴承开关磁阻电机。无轴承开关磁阻电机是一种新型的无轴承电机，其定子和转子均 为凸极结构，结构较简单且坚固、成本低、制造和维护方便、调速性能优异，具有强大的 市场潜力。将无轴承磁悬浮技术应用于开关磁阻电机不仅拓展了无轴承技术的应用范围， 还可充分发挥开关磁阻电机本身的高速适应性。但是无轴承开关磁阻电机转矩产生机理决 定其难以避免较大的转矩脉动，实现高速高精度转矩平滑控制较难，并且存在振动及噪声 问题。 3 无轴承永磁薄片电机 无轴承永磁薄片电机的轴向长度相对于径向长度比较短，整体结构呈薄片状。这种特 殊结构使得无轴承薄片电机仅需要对径向2 个自由度采用无轴承技术，1 个轴向自由度及 2 个扭转自由度利用磁阻力实现悬浮，因而相比于其他无轴承电机结构简单、体积小、成 本低、可靠性高。由于无轴承薄片电机能够实现定、转子的完全隔离，在纯净传输领域具 有极大的应用价值。但是无轴承薄片电机本身的结构决定其研究主要集中在泵类，不适用 于电气传动领域，应用范围较为狭窄。 4 无轴承无刷直流电机 无轴承无刷直流电机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动、寿命长等优点，并 且维护方便、噪声小、不存在因电刷而引起的一系列问题，具有良好的发展前景。但是无 轴承无刷直流带有换向电路、永磁体及传感器等部分，电机价格较高，并且起动和运行时 4 江苏大学硕士学位论文 容易引起振动及噪音，影响了其广泛应用。 5 无轴承永磁同步电机 无轴承永磁同步电机无需定子转矩绕组提供励磁电流，由永磁体建立电机气隙磁场， 所以具有体积小、损耗小、转矩大、效率高、功率因数高等显著优点，而且永磁转子上不 会产生感应电流，也就不存在悬浮系统感应转子电流的影响问题，这将使得电机的转矩控 制和径向悬浮力控制之间易于实现独立控制，径向力分量问的解耦也相对容易；无轴承永 磁同步电机( 尤其内嵌式) 在同等条件下具有较大的电磁转矩。因而其潜在应用范围极为 广泛，在无轴承技术的研究中，无轴承永磁电机所占比重最大。但是永磁电机的固有缺点 也使得无轴承永磁同步电机存在相应缺点，如起动较困难、过载能力差、难以实现弱磁调 速等。本课题的研究内容就主要集中在无轴承永磁同步电机起动及其运行控制。 1 2 无轴承永磁同步电机研究意义和关键技术 1 2 1 研究意义 与无轴承异步电机、无轴承磁阻电机相比，无轴承永磁同步电机除具备一般无轴承电 机的优点外，同时还具备普通永磁同步电机的一系列特点： 1 采用永磁材料的转子无需励磁电流，无电刷和滑环，具有结构简单、运行可靠、体 积小、重量轻、损耗小、功率密度大、效率高等显著优点，而且无轴承永磁同步电机的功 率因数比无轴承异步电机和无轴承磁阻电机都要高。 2 无轴承永磁同步电机由于永磁体的存在，在转子里不会感应出电流，相对于无轴承 异步电机为补偿相角的复杂控制回路来说，无轴承永磁同步电机的控制方式和控制回路就 相对简单得多。 3 永磁同步电机的应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天，工农业生产和日常生活的 各个领域。它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可实现电励磁电机难以达到的高 性能。 4 我国是世界第一稀土大国，稀土的总储量约占全球稀土资源的8 0 ，我们可以充分 利用这一资源优势。而且目前稀土永磁电机已经在航空航天多种型号中得到成功应用。 正是由于无轴承永磁同步电机具有这些优点，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，特别是无轴承电机驱动的密封泵 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 江苏大学硕士学位论文 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。2 0 0 9 年，j o h a n nw k o l a r 团队已经成功的将无轴承永磁同步电机应用在超净环境的生物反应器中【6 5 1 。因此，在我国 迫切要求开展无轴承永磁同步电机的研究工作，争取早日达到世界先进水平。 1 2 2 关键技术 目前无轴承永磁同步电机的研究整体上仍处于理论分析、实验样机研制、技术开发的 实验探索阶段，离实用化还有一段距离，其关键技术主要有以下几点。 1 无轴承永磁同步电机本体优化设计 无轴承永磁同步电机是适合于高速运行的新型电机系统，电机的尺寸、定转子结构形 式、定子绕组的绕制形式、绕组匝数及线径、铁心形式、两套绕组的位置布局等都对电机 的基本参数、磁场分布、驱动转矩控制和转轴悬浮控制有一定影响。电机的磁路饱和、温 度、不同转矩和径向力负载条件对磁场分布和参数的影响等也是需要认真考虑的问题。 2 无轴承永磁同步电机精确数学模型的建立 无轴承永磁同步电机数学模型是无轴承永磁同步电机及其控制系统设计的基础。目前 使用的数学模型在推导过程中进行了一些理想化的假设，比如不计铁心涡流与磁滞损耗， 忽略电机铁心饱和，认为磁路是线性的，电感参数不变，转予上没有阻尼绕组，永磁材料 的磁导率为零等，从而在数学模型中引入了误差。为了获得高品质的控制性能，必需建立 一个具有转矩绕组和悬浮力绕组在内的精确数学模型。 3 无轴承永磁同步电机起动控制 无轴承永磁同步电机转子上无起动绕组，因此传统的异步电机起动策略不适用于无轴 承永磁同步电机的起动控制。为了使电机在无起动绕组的情况下，准确检测出转子的初始 位置以实现电机的起动运行，需要一种适合无轴承永磁同步电机的起动控制方法，目前许 多学者开展了这方面的研究。本文提出了一种基于指令电流的三步定位法来实现电机的起 动，并进行了实验验证。 4 五自由度全悬浮控制及转子动力学研究 目前所研究的无轴承永磁同步电机，主要是针对两自由度悬浮控制系统的研究。为便 于安装转子旋转位置传感器，另一端采用机械调心轴承，无法实现全悬浮运转和发挥其应 有的超高速旋转特性，于是就提出了五自由度全悬浮的控制思想。实现全悬浮控制有两种 途径，一种是3 个自由度径向轴向混合磁轴承加2 个自由度无轴承永磁同步电机方案，另 6 江苏大学硕士学位论文 一种是1 个自由度轴向磁轴承加双2 个自由度无轴承永磁同步电机方案。实现五自由度悬 ，浮控制后，电机不仅是电磁耦合系统，而是集电气传动和机械运动控制于一体的机电一体 化强耦合、非线性、时变不确定系统。电机双端悬浮高速运转时必将存在各个自由度间的 机械耦合，转轴的柔轴效应和陀螺效应是必须面临的重要技术问题。所以转子动力学研究 也必将是实现五自由度高品质悬浮运转的关键。 5 无速度、无位置传感器技术研究 在无轴承永磁同步电机实现双端悬浮后，转子旋转位置的精确检测将成为新的问题， j 因为一方面，机械式旋转位置传感器本身无法实现高速或超高速旋转；另一方面，转轴的 径向跳动也将会给机械传感器带来致命损害。要实现无轴承永磁同步电机的精确径向位置 控制，首先要及时获取转子的径向位