（控制理论与控制工程专业论文）无轴承无刷直流电机的运行控制研究.pdf

厂谲面 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。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体己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：诲菇 加“年6 月p 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口o 学位论文作者签名：许菇 知l 年k 月二e 1 指导教师签名：汐、 加1 1 年6 月t 上 江苏大学硕士学位论文 摘要 无刷直流电机运行效率高、功率密度高、噪音小、寿命长，在诸多领域都有 广泛应用。将无刷直流电机引入无轴承电机领域，构成的无轴承无刷直流电机是 特种电机研究的一个重要的新方向。无轴承无刷直流电机结合了无刷直流电机和 无轴承电机的优点，具有良好的运行特性和广泛的应用前景。 本文围绕无轴承无刷直流电机的运行机理、控制方法、低速性能的改善和数 字控制系统实现等方面开展了研究，主要工作包括： 根据无轴承无刷直流电机的电机结构和运行原理，推导了电机转矩部分和悬 浮部分的数学模型；研究了无轴承无刷直流电机的转子位置检测方法和无位置传 感器技术； 针对无轴承无刷直流电机转矩控制的特点，研究直接转矩控sj j ( d t c ) 在无轴 承无刷直流电机转矩绕组控制中的应用；研究悬浮绕组控制的理论与方法。构建 了无轴承无刷直流电机控制系统，并运用m a t l a b 7 0 s i m u l i n k 对该系统进行了 仿真研究，仿真结果表明，该控制系统能有效抑制转矩脉动，改善电机的运行性 能，实现无轴承无刷直流电机的稳定悬浮。所用控制方法有效可行； 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 设计了无轴承无刷直流电机的数字控制 平台，并进行数字控制系统软件的设计，为实验研究奠定了基础。 关键词：无轴承无刷直流电机，直接转矩控制，无位置传感器技术，仿真，数字 控制系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o ri sw i l d l ya p p l i e di nm a n yf i e l d sf o ri t sh i g he f f i c i e n c y ，h i g h p o w e rd e n s i t y ，l o wn o i s ea n dl o n gl i f e i n t r o d u c i n gb r u s h l e s sd c m o t o ri n t ot h ea r e a s o fb e a r i n g l e s sm o t o r ，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 ri sa ni m p o r t a n tn e w r e s e a r c h i n gd i r e c t i o no fs p e c i a lm o t o r b e a r i n g l e s sb r u s h l e s sd cm o t o r ，c o m b i n i n g a d v a n t a g e so fb r u s h l e s sd cm o t o ra n db e a r i n g l e s sm o t o r ，h a sf a v o r a b l eo p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rc o n d u c t sr e s e a r c ho nb e a r i n g l e s sb r u s h l e s sd cm o t o rf o c u s i n go ni t s o p e r a t i o n a lm e c h a n i s m ，c o n t r o lm e t h o d ，l o w s p e e dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ，a n d r e a l i z a t i o no fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m m a i nw o r k so ft h ep a p e ri n c l u d e s ： a c c o r d i n gt om o t o rs t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo fb e a l i n g l e s sb r u s h l e s sd c m o t o r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sm o t o r st o r q u ep a r ta n ds u s p e n s i o np a r ti s d e d u c e d s e n s o r l e s sc o n t r o lo fb e a r i n g l e s sb r u s h l e s sd cm o t o ri ss t u d i e d ，a n da p p l i e d t ot o r q u ew i n d i n g so ft h em o t o r ； t od i r e c ta tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et o r q u ec o n t r o lo fb e a r i n g l e s sb r u s h l e s sd c m o t o la p p l i c a t i o no fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) o nt o r q u ew i n d i n g sa n dc o n t r o l m e t h o do fs u s p e n s i o nw i n d i n g sa r er e s e a r c h e d c o n t r o ls y s t e mo fb e a r i n g l e s s b r u s h l e s sd cm o t o ri sc o n s t r u c t e d s i m u l a t i n gt h em o t o ro nm a t l a b 7 0 s i m u l i n k ， t op r o v et h a tt h ec o n t r o lm e t h o du s e di n h i b i t st h et o r q u er i p p l ee f f e c t i v e l y ，i m p r o v e s t h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n da c h i e v e ss t a b i l i t ys u s p e n s i o no ft h er o t o r t h ec o n t r o l m e t h o d su s e da lev e r i f i e dt ob ee f f e c t i v ea n df e a s i b l e ； d i g i t a lc o n t r o lp l a t f o r mi sd e s i g n e do nt m s 3 2 0 f 2 8 12d s po ft ic o r p o r a t i o n ， d i g i t a l c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h e s ew o r k sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o r e x p e r i m e n t a ls t u d 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 ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，s e n s o r l e s s c o n t r o l ，s i m u l a t i o n ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m i i 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i l i 第一章绪论1 1 1 无轴承无刷直流电机发展概况l 1 2 无轴承无刷直流电机的特点及应用3 1 2 2 无轴承无刷直流电机的应用及前景3 1 2 3 无轴承无刷直流电机关键技术问题及课题的研究意义4 1 3 无轴承无刷直流电机的控制方法6 1 4 本文的主要研究内容7 第二章无轴承无刷直流电机的系统原理及数学模型9 2 1 无轴承无刷直流电机的基本组成9 2 2 无轴承无刷直流电机的工作原理9 2 2 1 电机转矩部分的工作原理9 2 2 2 电机悬浮部分的工作原理1 2 2 3 无轴承无刷直流电机的数学模型1 4 2 3 1 电机转矩部分的数学模型1 4 2 3 2 电机悬浮部分的数学模型1 6 2 3 3 电机的运动方程模型18 2 4 无位置传感器技术19 2 4 1 无位置传感器技术简介2 0 2 4 2 三次谐波法工作原理2 1 2 4 3 三次谐波法的实现及三次谐波信号的处理2 2 2 4 4 三次谐波法的优势2 4 2 5 本章小结：2 4 第三章无轴承无刷直流电机运行控制研究2 5 3 1 直接转矩控制策略2 5 3 2 直接转矩控制在电机转矩部分的应用2 6 3 2 1 直接转矩控制原理2 6 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 定子磁链给定j ：一2 7 3 2 - 3 定子磁链和转矩的观测2 8 3 2 4 逆变器状态和空间电压矢量2 9 3 2 5 电子磁链区分表和开关表的实现3 0 3 3 无轴承无刷直流电机悬浮绕组的控制3l 3 4 无轴承无刷直流电机控制系统组成3 3 3 5 本章小结3 4 第四章无轴承无刷直流电机控制系统的仿真研究3 5 4 1m a t l a b s i m u l i n k 简介3 5 4 2 系统仿真研究3 7 4 2 1 电机转矩部分仿真模型3 7 4 2 2 电机悬浮部分仿真模型4 0 4 2 3 仿真结果分析j 4 1 4 3 本章小结4 4 第五章无轴承无刷直流电机的实验系统设计4 5 5 1 系统的硬件设计4 5 5 1 1t m s 3 2 0 f 2 812d s p 芯片简介4 6 5 1 2 系统功率逆变电路4 6 5 1 3 电流和电压检测电路4 7 5 1 4 转速和速度检测电路4 8 5 1 5 保护电路4 9 5 2 系统的软件设计5 0 5 2 2 主程序设计5 0 5 2 3 中断子程序模块5l 5 3d s p 与p c 通信5 3 5 4 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 参考文献5 7 致谢6 3 攻读硕士学位期间参加的科研项目6 4 攻读硕士学位期间发表的论文。一6 5 i v 第一章绪论 1 1 无轴承无刷直流电机发展概况 传统的直流电机以其理想的机械特性，较宽的调速范围，良好的转矩性能长 期被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统。但传统直流电机的机械换向方式使得 电刷和换向器之间存在机械摩擦，由此带来了噪声、换向火花、接触不良、使用 寿命短等一系列问题，影响了传统直流电机的调速精度和应用范围。 1 9 1 5 年，美国人兰格米尔( l a n g m i l l ) 发明了带控制栅极的水银整流器，研制 出直流变交流的逆变装置；1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出用整流管代替传统直流电机的 机械电刷，这就是无刷直流电机的基本思想；1 9 4 8 年，美国贝尔实验室成功研 制出开关型晶体管；1 9 5 5 年，美国人d 哈里森( d h a r r i s o n ) 等人首次申请了应用 晶体管换相电路代替传统直流电机机械换相器的专利，标志着现代永磁无刷直流 电机的诞生。然而这台无刷直流电机无法自启动，且晶体管开关功耗过大。直到 1 9 6 2 年，人们试制成功了借助于霍尔元件实现位置检测换向的永磁无刷直流电 机；二十世纪7 0 年代，又成功研制出用磁敏二极管实现换向的无刷直流电动机， 磁敏二极管的敏感度要比霍尔元件高上千倍。上世纪7 0 年代以后，随着电力电 子技术的迅猛发展及各种新型检测器的发明，永磁无刷直流电机得到了长足的发 展【。1 9 7 8 年，原联邦德国m a n n e s m a n n 公司在汉诺威贸易展览会上正式推 出其m a c 永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入 实用阶段【2 l 。尤其是1 9 8 6 年h r b o l t o n 对方波无刷直流电机进行了系统性的总 结，成为无刷直流电机研究的经典文献，标志着方波无刷直流电机在理论上达到 成剥3 1 。 无轴承的思想可以追溯到1 9 7 4 年德国学者p k h e r m a n n 提出双定子绕组结 构的悬浮装置产生自悬浮力并申请了专利【4 l 。而将磁轴承绕组和电机定子绕组叠 压在一起实现无轴承电机这个概念最初是由r b o s c h 于8 0 年代末提出1 5 1 。19 9 0 年，瑞士的j b i c h s e l 实现了永磁同步电机的无轴承技术之后，无轴承电机的研 究引起了重视。日本的a c h i b a 等人对感应电机的无轴承技术进行了研究；瑞士 的r s c h t 3 b 等人研究了无轴承电机的矢量控制问题及其磁饱和去磁问题；瑞士 江苏大学硕士学位论文 的s n o m u r a 等人研究了无轴承感应电机径向位置的控制问题，实现无负载转矩 条件下运行转速达1 2 0 0 0 r m i n ，转速在8 0 0 0 f f m i n 情况下，输出功率为2 1 2 k w ； 日本的m o s h i m a 、a c h i b a 、t o h i s h i 等人对无轴承永磁同步电机进行了研究， 有文献对i p m ( i n t e m a lp e r m a n e n tm a g n e t ) 的无轴承电机( 内部永磁) 进行了研究， 优点是能产生强大的悬浮力并易于控制，实验样机运行转速为2 2 0 0 r m i n i 们。2 0 0 0 年，苏黎世联邦工学院的s s l i b e r 研制出无轴承单相电机1 7 j ，降低了控制系统费 用，使得无轴承电机的应用具有经济可行性。 随着电力电子器件和数字信号处理器的出现，磁悬浮技术得到了长足发展。 一些公司专门从事磁悬浮轴承的设计和制造，例如瑞士苏黎世的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，并在医学和半导体工业领域成功应用了无轴承电 机技术。无轴承技术的研究已经在国际范围受到广泛重视，国际磁悬浮轴承会议 ( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cb e a r i n g l e s s ) 每两年召开一次。1 9 8 8 年2 月， 美国航空航天局召开了“磁悬浮技术专题研讨会( aw o r k s h o po nm a g n e t i c s u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) ，1 9 9 1 年3 月，召开了学术讨论会“磁悬浮技术在航 天中的应用( a e r o s p a c ea p p l i c a t i o no f m a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) ”，从1 9 9 1 年起，在上下两届国际磁悬浮会议中间一年，召开国际磁悬浮技术会议 ( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i ct e c h n o l o g y ) 。在国内，虽然无轴承电机研究 起步较晚，但现在也受到较为普遍的关注，很多单位对此进行了较为深入的研究。 无轴承无刷直流电机结合了无刷直流电机和无轴承电机的优点，具有更好的 运行特性和更广泛的应用前景，尤其适用于需要满足高转速、高效率、无污染等 条件的特殊场合。但这种电机在国内外的研究都起步较晚。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 开始进行无轴承无刷直流电机在电机血泵方面 的研究1 8 1 ；2 0 0 6 年，日本m o o s h i m a 教授研究分析了无轴承无刷直流电机的悬 浮力产生原理及控制方澍引。国内的西北工业大学、沈阳工业大学、江苏大学等 单位都进行了无轴承无刷直流电机的原理、控制方法、应用等方面的研列1 0 l - 【12 1 。 总的来说，目前无轴承无刷直流电机的研究还基本处于理论探索和实验阶段，要 使这类电机广泛应用于工业生产，充分发挥优势，还有很多技术问题有待解决。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 无轴承无刷直流电机的特点及应用 1 2 1 无轴承无刷直流电机的特点 无轴承无刷直流电机兼备无刷直流电机和无轴承电机优势，有很大的工程应 用价值，是特种电机研究的一个重要方向。这种电机的主要优点有： ( 1 ) 效率高。首先，无刷直流电机用永磁体做转子，可以提供恒定磁场，本 身属于效率较高的一种电机。另外，悬浮绕组产生的悬浮力使得电机避 免了轴承的机械摩擦，不占用额外的轴向空间，这些特点都提高了电机 效率，并且可使电机获得更高的临界转速。 ( 2 ) 控制相对简单。检测到电机转子在一个电磁周期内的6 个关键位置信号， 就可以实现对无轴承无刷直流电机转矩绕组的控制。近年来，一些无刷 直流电机专用控制芯片的出现也进一步减少了这类电机的控制成本，使 得电机控制的实现更为方便。 ( 3 ) 噪音小，寿命长，维护简单。无轴承无刷直流电机没有传统直流电机的 机械电刷，也不会产生因机械换向带来的噪音、火花。无刷直流电机避 免了机械换向带来的电机磨损，而无轴承电机也具备无摩擦、无磨损特 点，这些都使得电机寿命大大延长。无轴承无刷直流电机无需定期更换 碳刷，无需润滑，维护更为方便。 但是，无轴承无刷直流电机目前仍然存在一些缺陷：如转矩脉动、无轴承电 机的解耦问题、电机本身的非线性特性带来的控制问题等等，这些问题目前还在 进一步研究中。 1 2 2 无轴承无刷直流电机的应用及前景 无轴承电机和无刷直流电机以其各自的优点在航空、军事、医疗、交通、民 用工业等很多方面都得到广泛的应用。无轴承无刷直流电机兼备两者优势，在要 求电机寿命长、免维护、密闭、无污染的场合尤其具有价值。因此，它将具有更 为广泛的应用范围和更高的应用价值。但由于无轴承无刷直流电机的研究起步较 晚，相比传统类型的电机技术还不够成熟，目前见诸文献的只有医疗和信息产品 方面的应用。 江苏大学硕士学位论文 无轴承无刷直流电机在人工心脏血泵中的应用在国内外已均有研究。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 2 】，而无轴承的特性更可以使血泵具有免维护、使用寿命长的优点。 无轴承无刷直流电机在信息产品中的应用目前主要用于计算机的硬盘驱动 器。计算机硬盘的驱动要求电机体积小、转速高、寿命长、无粉尘。将无轴承无 刷直流电机做成圆盘电机的形式，转子的轴向长度与直径相比很小，只需控制转 子的径向位置便能使电机实现稳定悬浮l8 1 。电机带动硬盘盘片旋转，最高转速可 达3 0 0 0 转分钟。但实验显示速度控制不够理想，若要真正投入工业应用还有待 进一步深入研究。 1 2 3 无轴承无刷直流电机关键技术问题及课题的研究意义 无轴承无刷直流电机是特种电机研究的一个新方向，在国内外都未有全面深 入的研究，也存在不少关键技术问题尚未得到完善解决。对磁悬浮无轴承无刷直 流电机基本理论、控制策略及其系统的实现进行较深入的研究，无疑为我国无轴 承电机技术理论研究和产品实用化起到积极的推动作用，对推动无轴承无刷直流 电机投入工业应用起到积极作用。无轴承无刷直流电机目前存在的关键技术问题 主要可归纳为： 1 转矩脉动 转矩脉动问题是永磁无刷直流电机的关键技术问题，同样也存在于无轴承无 刷直流电机中。转矩脉动会直接降低电力传动系统控制性能和驱动系统的可靠 性，并带来振动、噪声、谐振等问题。 无刷直流电机的转矩脉动主要可分为：换相转矩脉动、齿槽转矩脉动和非理 想电动势波形引起的转矩脉动1 3 1 。其中，换相转矩脉动是由于无刷直流电机相 电枢绕组电感的存在，使绕组电流从某一相切换到另一相时产生延时而产生；齿 槽转矩脉动是由于变速驱动过程中，当转矩频率与定子或转子机械振动频率一致 时，齿槽转矩产生的振动和噪声被放大，从而带来电机的转矩脉动；换相转矩脉 动的产生是因为当无刷直流电机的反电动势不是理想梯形波而控制系统依然按 理想梯形波情况供给方波电流，从而引起电磁转矩脉动。 4 相转矩脉动的常见方法有重叠换相法、滞环电流法、p w m 斩波法、电流预测控 制等。抑制齿槽转矩脉动的方法主要集中于优化电机本体设计上，常见的有：斜 槽法、分数槽法、磁性槽楔法等。而对非理想电动势波形引起的转矩脉动，一种 解决方法是通过对电机本身气隙齿槽、定子绕组的优化设计，使反电动势波形尽 可能接近理想波形，从而减小电磁转矩脉动；另一种方法是采用合适的控制方法， 寻找最佳的定子电流波形来消除转矩脉动。同时，这种最佳电流法也能消除齿槽 转矩脉动。但是，最佳电流法需要对反电动势进行精确测定，而反电动势的实时 检测比较困难。目前常用的方法是对反电动势离线测量，然后计算出最优电流进 行控制。因为事先需要离线测量，所以其可行性就大大降低。在实际应用中应根 据具体场合和不同要求选用某种适当的控制方法，或者是几种控制方法的综合应 用【1 4 】【l7 1 。随着现代控制理论和微电子技术的不断发展，近年来越来越多的现代 控制方法被运用于无刷直流电机系统的控制中。自适应控制、神经网络控制、卡 尔曼滤波、小波变换等控制方法也不断被应用于转矩脉动抑制和转矩控制研究。 转矩脉动抑制的研究目前仍是无刷直流电机研究的热点之一。 2 悬浮部分的模型及解耦 目前无轴承无刷直流电机悬浮部分的数学模型是沿用永磁同步电机的悬浮 力数学模型，控制方法也基本相似，这对电机控制带来了一定局限性。要获得更 精确的无轴承无刷直流电机悬浮模型有待进一步深入研究。由于电机本身的强耦 合、多变量、非线性等特点，悬浮部分自身以及悬浮部分和转矩部分之间的动态 解耦也是无轴承无刷直流电机研究的关键技术问题之一。考虑现代控制算法，如 自适应控制、模糊控制、神经网络等，将其应用到无轴承无刷直流电机的控制中 实现电机悬浮绕组和转矩绕组间的解耦是学术界积极探索的课题之一。 3 无传感器技术 电机中的附加传感器虽然使电机驱动直接、方便，但也带来了许多缺点和应 用上的局限性。如：使电机连接元件增多，抗干扰性能下降；环境因素一一如温 度、湿度、振动等，会影响传感器精度，使电机控制性能受到影响，也使得电机 不适宜在特殊环境工作；传感器和相关电子线路使得系统成本增加，同时带来维 江苏大学硕士学位论文 护困难；传感器的安装精度增加了生产工艺的难度，影响电机性能。用电子线路 进行信号检测取代机械传感器的无传感器技术将使无轴承无刷电机具有更好的 运行性能和更广泛的应用范围。无位置传感器电动机的研究已经为国内外学术界 所重视，成为近年来的研究热点，各种智能控制与辨识算法均被应用于无位置传 感器的研究。无轴承、无刷、无传感器也正是电机领域所谓的“三无”新特点。 4 电机结构 无轴承无刷直流电机的结构不同于传统直流永磁电机，为了能实现无电刷换 向，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，这和传统的 永磁直流电动机的结构相反。在将无轴承电机分为：悬浮力系统和电机转矩系统时， 如何考虑其特点，设计出更加合理的结构和电机参数，使电机更加完善和合理， 仍是需要探索的课题。 1 3 无轴承无刷直流电机的控制方法 当前对无轴承无刷直流电机的常用控制方法是将其分为转矩绕组和悬浮绕 组，分别进行控制后再通过解耦组合起来1 1 3 】0 9 】1 2 0 1 。对转矩绕组和悬浮绕组可以 分别采取不同的控制方法。在目前的实际应用中，悬浮绕组和转矩绕组的控制仍 然均以经典的p i d 控制居多。将转子位移给定信号与位移反馈信号比较后，形 成的误差信号经过p i d 调节器输出成为磁悬浮力的给定值，该值与两相正弦信 号调制后为两相电流给定值，再经过两相到三相的转换，控制电流型逆变器的三 相电流输出1 2 l 】1 2 2 。但是p i d 控制缺乏自适应能力，必须重新整定参数。有研究提 出将模糊控制与之结合，可以使系统响应速度快，性能更稳定，鲁棒性好，实现 控制快速性和精确性的统一。 很多现代控制方法被应用于无刷直流电机，也同样适用于无轴承无刷直流电 机的转矩绕组部分。如：直接转矩控c q ( d t c ) ，模糊控制，滑动模态的变结构控 制，微分代数法等等，将智能控制与已有控制方法结合可以提高电机的控制性能， 有效抑制转矩脉动。 由于无轴承电机的磁悬浮力是依靠两套绕组产生磁场的相互作用，磁悬浮力 的两个沿垂直方向的分量之间存在耦合问题，电机的转矩绕组和悬浮绕组之间也 存在耦合。19 9 4 年，r s c h o b 提出对转矩绕组产生的磁链进行矢量控制【2 2 1 。他 6 江苏大学硕士学位论文 推导出磁悬浮力为绕组电流与磁链的乘积，将转矩绕组产生的磁链定向为坐标系 直轴方向，则交轴上的磁链分量为零，磁悬浮力分量即可被悬浮力绕组电流分量 独立控制，从而实现磁悬浮力的解耦控制。但研究文献中并没有介绍磁链的观测 和控制方法。文献【2 0 】提出了对转矩绕组产生的气隙磁场进行矢量控制，使气隙 磁场稳定旋转，从而间接得到稳定的磁悬浮力。但与常规电机中矢量控制存在的 问题类似，应用磁链矢量控制方法解决磁悬浮力解耦控制需要观测到转子旋转角 度和转子电阻等参数，因此要在转子轴上安装光电编码器等传感器件。采用特殊 的电机结构也是解决磁悬浮力分量之间耦合问题的方法之一。例如，单极磁阻式 转子无轴承电机的两端分别呈现出一种单极性【2 0 1 ，悬浮力绕组产生的磁场不必 随着转子的旋转而旋转，只需要提供可调幅值的静止磁场就可以控制磁悬浮力， 使磁悬浮力两个分量之间不存在耦合影响。状态变量法【2 3 】【2 4 1 ，有限元法等【2 5 1 【2 9 1 控制方法都被应用于无轴承电机的磁悬浮力模型、解耦控制等研究。 无轴承电机的解耦控制一直是无轴承电机研究的重要课题之一。无轴承无刷 直流电机的解耦控制是这类电机研究和投入工业应用必须解决的问题。现代控制 方法的应用可以使电机达到解耦控制的目的。 1 4 本文的主要研究内容 无轴承无刷直流电机的研究目前还处于起步阶段，存在许多关键技术问题， 但也有广阔的研究前景和应用价值。本论文较为全面的研究了无轴承无刷直流电 机的原理和模型，并着重研究了电机的控制方法和解耦。具体包括以下内容： ( 1 ) 综述无轴承无刷直流电机的特点及应用范围，总结无轴承无刷直流电机 的发展概况、应用前景、国内外研究现状以及存在的关键技术问题； ( 2 ) 深入研究无轴承无刷直流电机的工作原理。根据已有文献的研究，将电 机分解为转矩绕组部分和悬浮绕组部分分别进行研究。推导出完整的电 机数学模型； ( 3 ) 研究无轴承无刷直流电机的无位置传感器技术，采用三次谐波检测法检 测转子位置，主要将其应用于电机的转矩部分； ( 4 ) 研究电机转矩绕组和悬浮绕组的控制方法。对转矩绕组部分运用直接转 矩控$ i j ( d t c ) ，实现这一控制策略对电机转矩绕组的控制，且使用直接 江苏大学硕士学位论文 转矩控制方法实现了转矩绕组和悬浮绕组之间的解耦。基于 m a t l a b 7 o s i m u l i n k 对电机进行仿真研究。通过对仿真结果的分析证 明所用控制策略的优势和可行性； ( 5 ) 基于t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对本文研究的无轴承无刷直流电机进行实 验研究。设计实验系统的硬件部分和软件部分，为电机系统的实验研究 奠定了基础； ( 6 ) 对本论文研究工作进行总结，归纳有待进一步完善解决的问题并对无轴 承无刷直流电机的工程应用前景和发展方向提出展望。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承无刷直流电机的系统原理及数学模型 2 1 无轴承无刷直流电机的基本结构组成 无轴承无刷直流电机在普通的无刷直流电机定子槽中嵌入悬浮绕组，悬浮绕 组磁场与转矩绕组磁场相互作用，改变了原气隙磁场的分布，从而产生悬浮力使 转子稳定悬浮。本文设计的无轴承无刷直流电机具有两个自由度的稳定悬浮能 力，结合一个三自由度径向轴向磁轴承，组成一个五自由度无轴承无刷直流电机 稳定结构，如图2 1 所示。电机采用短距绕组分布，永磁体安装在转子表面。电 机的基本组成主要包括电机本体、开关电路、位置检测等。其中电机本体部分与 永磁同步电机类似。开关电路主要由功率逻辑开关单元和信号处理单元两部分组 成。位置检测包括有位置传感器检测和无位置传感器检测两类方式，其中应用无 位置传感器技术的电机结构中可以省去位置传感器及相关线路。 无轴承无刷直流电机径向轴向磁轴承 图2 1 无轴承无刷直流电机系统结构图 2 2 无轴承无刷直流电机的工作原理 前面的介绍中已经提到，当前对无轴承无刷直流电机的常用研究方法是将其 分为转矩绕组和悬浮绕组分别进行研究和控制，那么对无轴承无刷直流电机的原 理也可以分解为无刷直流电机的运行原理无轴承电机的运行原理分别进行研究， 即电机转矩部分和悬浮部分的工作原理。 2 2 1 电机转矩部分的工作原理 无轴承无刷直流电机的转矩部分可等效为一台普通的无刷直流电机。无刷直 9 江苏大学硕士学位论文 流电机运行时内部的电磁过程与有刷直流电机并无本质区别，关键在于换相不再 依靠机械换向器，而是通过转子位置传感器输出信号，使电子开关线路驱动与电 枢相连的功率开关器件使电枢绕组依次馈电，产生跳跃式的旋转磁场，使得在某 一磁极下导体中电流方向始终不变，驱动永磁转子旋转。 电机的电枢绕组有星形和封闭式两大类，换相线路则可分为桥式和非桥式， 它们组合起来的形式较为多样化。本文采用的是三相桥式星形连接，如图2 1 所 不： 图2 1 无轴承无刷直流电机转矩部分结构原理图 本文采用的是二二导通的三相全控方式，三相电枢绕组的相电流为1 2 0 。导 通交流方波，每相反电动势为1 2 0 。梯形波。电机工作的每一时刻均有两个功率 管导通，每1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，但每一桥臂的两个功率管不能同时 导通。因此，开关电路中的6 个功率管共有6 种工作状态，其依次导通顺序可以 表示为：s 1s 4 s 1s 6 $ 3 s 6 $ 3 s 2 $ 5 s 2 $ 5 s 4 ，各功率管导通规律如图2 2 所示： t ll ；厂t i i r 1 1 _ 1 1ir - r r 一 l 厂1ill 厂_ l 厂t i l 厂t ；il 厂t ；i ；i 厂t li 厂一 ；- 一： _ _ _ 一、 厂t ；厂t l ：i： iiililll n口t 3t 4t 6佑订1 21 3t 4 图2 2 转矩部分开关电路功各率管导通状态图 对应于功率管的不同导通状态，直流母线电压依次加在a b 、a c 、b c 、b a 、 1 0 甜 敛 斟 鹞 j ； 江苏大学硕士学位论文 c a 、c b 上，转子每转过一对n s 极，功率管就依次经历6 种导通状态。当s 1 、 s 4 导通时，a 、b 两相绕组通电，电流从电源正极流出，经过s 1 后流入a 相绕 组，再从b 相绕组流出，流经s 4 后流入电源负极。如图2 3 中a 图，电枢绕组 产生的磁动势c 方向如图所示，此时转子顺时针旋转。转子转过6 0 。电角度后， s 1 、s 6 导通，a 、c 两相绕组通电，电流从电源正极流出，流经s 1 后流入a 相 绕组，然后从c 相绕组流出，流经s 6 后流入电源负极。此时电枢绕组产生的磁 动势c 方向如图2 3 中b 图所示，电机转子继续顺时针旋转。其它几种导通状态 可依以此类推。每改变一种状态定子绕组磁场轴线即在空间跃变6 0 。电角度， 转子也跟随定子磁场转动相当于6 0 。电角度的空间位置。在新的位置上，传感 器又检测到一组新的位置信号，这组信号使功率管再改变导通状态，定子绕组磁 场再向前跃进6 0 。电角度，转子再次旋转相当于6 0 。电角度的空间位置。不断 循环就使转矩绕组部分产生了连续转矩，带动负载持续运转。在此过程中，转子 磁极上的永磁磁势是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速度相等，即所 谓保持“同步”，但是瞬时速度却不一样，二者之间的相对位置足时刻变化的。 因此，它们相互作用下所产生的转矩除了平均转矩外，还有脉动分量。 a o x a s 1 、s 4 导通时，a b 相导通 b s i 、s 6 导通时，a c 相导通 图2 3 电机工作原理示意图 转矩绕组每相反电动势与该相电流同相位，以获得最大转矩。电流波形与反 电动势波形中心位置一致。理想条件下一个周期的电流和反电动势波形如图2 4 所示： 江苏大学硕士学位论文 i ! 、， 弋 t a 7 垴 7 ， e c ，cm 7 t 坦t 3 t 4t 5t 图2 4 转矩绕组各相电流和反电动势波形图 2 2 2 电机悬浮部分的工作原理 洛伦兹力和麦克斯韦力是电机中存在的两种不同类型的电磁力。其中洛伦兹 力也称安培力，是指载流导体在磁场中所受力。永磁同步电机的洛伦兹力作用于 定子线圈，转子受到反作用力而产生转矩。麦克斯韦力是指磁路经过不同磁导率 的物质，在两种磁导质边界上形成的磁张应力，方向垂直于分界面。电机转子所 受麦克斯韦力的方向垂直于转子表面。在气隙均匀，气隙磁通对称分布的条件下， 电机转子所受麦克斯韦力合力为零。如果转子偏离了定子中心，引起气隙磁通分 部的不对称，则麦克斯韦合力就不为零了。气隙减小处气隙磁密增大，麦克斯韦 力也大；气隙增大处气隙磁密减小麦克斯韦力变小。作用在转子上的麦克斯韦力 合力将使转子有向气隙小、气隙磁密大的一方运动的趋势。 无轴承无刷直流电机在定子中嵌入转矩绕组和悬浮绕组两套绕组，设转矩绕 组极对数为p l ，悬浮绕组极对数为p 2 ，当满足p 2 = p l + l 时，电机转子可以实现稳 定悬浮f 3 0 】【3 1 1 【3 2 1 。 为了分析方便，将电机的三相转矩绕组、三相悬浮绕组分别等效成两相绕组。 假设转子在中心位置，无偏心；电机空载。2 极均匀磁场，由永磁体产生，由 于电机空载，转矩绕组m 和疗中的电流如0 ，从而可忽略该电流产生的磁场。 如图2 5 ，当m 绕组中通过正向电流而 绕组不通电流时，则产生一个4 极磁 _ 。1 。1 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ 。_ _ - 。_ _ - _ 。_ 。_ _ _ - 。_ _ _ 。_ _ _ 。_ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ 。_ - 。1 。1 。1 。 兰茎查兰翌主兰堡笙查 场。，其磁力线如图所示。2 极和4 极磁场合成的结果是使口负方向处的气隙 磁通密度增加，转子表面受到的磁场间隙力增大，而口正方向处的气隙磁通密度 减小，转子表面受到的磁场间隙减小。最终导致转子受到口负方向的合力f 。定 子绕组电流矢量以同步速缈旋转， c o t ：0 、c a t = 要、c o t = 万、c o t = 要的不同 z z 时刻，均可以产生口负方向的可控悬浮力。图中转子圆周上引出的箭头分别表示 转子在该方向受到的磁场问隙力，无电流流过的线圈未画出。如虬通以反向电 流，则转子受到口正反向的磁悬浮力。同理， 绕组通电则产生轴方向上的 磁悬浮力。根据力的合成原理，通过调节m 和m 中的电流便可以产生任意方向 的磁悬浮力，用以克服任意方向负载产生的力，保证转子稳定悬浮。 刀 c o t = 0 c o t = 2 3 万 纠= 7 r纠= 2 图2 5 无轴承无刷直流电机悬浮原理示意图 江苏大学硕士学位论文 2 3 无轴承无刷直流电机的数学模型 对无轴承无数直流电机数学模型的研究同样可分为转矩部分和悬浮部分。本 文所研究电机为两相导通星形连接三相六状态无轴承无刷直流电机。为了便于分 析和计算，先对电机作如下假设： ( 1 ) 三相绕组完全对称。转矩绕组产生的气隙磁场为方波分布，相电流波形 为方波，反电动势波形为梯形波，转子磁场、定子电流均为对称分布； ( 2 ) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等影响，绕组均匀分布于定子内表面， 气隙磁场分布近似梯形波； ( 3 ) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 不考虑温度等环境因素对电机参数的影响； ( 5 ) 电机转矩绕组和悬浮绕组a 相绕组轴线方向重合，并定义为口方向。 2 3 1 电机转矩部分的数学模型 将电机转矩部分等效为一台永磁无刷直流电机。由于无刷直流电机的反电 势、气隙磁场、电流均为非正弦，直交轴变换法不再是有效的分析方法，因此利 用电机本身相变量建立状态方程。 无刷直流电机的每一相绕组相电压由电阻压降和绕组