（电机与电器专业论文）无轴承永磁电机数字控制系统设计与实现.pdf

江苏大学硕士论文 a b s t r a c t t h eb e a r i n g l e s 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 p m s m ) i s a l l i n n o v a t i o n a lt y p eo fm o t o r , w h i c hh a st h ef u n c t i o na n de x c e l l e n c eo fm a g n e t i c b e a r i n g s w i t hi t ss p e c i a ls t r u c t u r ea n dn o c o n t a c to p e r a t i o n ，b p m s mh a sg r e a t p o t e n t i a la p p l i c a t i o np r o s p e c t i n s p e c i a l e l e c t r i cd r i v ef i e l ds u c ha s b i o l o g i c e n g i n e e r i n g ，s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g ，f o o dp r o c e s s i n gi n d u s t r i e s ，f l y w h e e l e n e r g ys t o r a g e ，r o b o t ，a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h u s ，t h er e s e a r c ho nb p m s m h a sr e c e i v e dal o to fa t t e n t i o n b a s e do nt h ed s pt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e d i g i t a lc o n t r o lo fb p m s m f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fp r o d u c i n gm a g n e t i cf o r c e si nt h em o t o rh a sb e e na n a l y z e d a n dt h eb a s i ct h e o r i e so fb p m s mh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l t h em a t h e m a t i c r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a d i a lf o r c ea n dr a d i a lf o r c ew i n d i n gc u r r e n th a sb e e nd e d u c e d t h e nb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp r o d u c i n gr a d i a lf o r c ea n dt h em a t h e m a t i cm o d e l ，t h e r 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 lm 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 , t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d a n dd i s c u s s e di nd e t a i l t h e nt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r eb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a o ft h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da n dt h ef l o w c h a r t so fe a c hf u n c t i o n a lb l o c k a r ep r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h ed i s t u r b a n c ei nt h es y s t e m ，b o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r e a n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r et a k e ni nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e m 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 mh a sb e e nd e v e l o p e dw i t ht h e d e s i g n e dg r a p h i cu s e r si n t e r f a c e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v eb e e nd e b u g g e d a n dt h er e l a t i v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e d t h ev a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h m i st e s t i f i e do nt h eb a s i so ft h ep a r t i a le x p e r i m e n ta n dt h et e s t k e y w o r d s ：b e a r i n g l e s sm o t o r , p e r m a n e n tm a g n e t t y p em o t o r , d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , d i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，d i s t u r b a n c e 幸p r o j e c ts p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 2 7 5 0 6 7 ) ，h i 曲 t e c h n o l o g yr e s e a r c ho fj i a n g s up r o v i n c e ( b g 2 0 0 10 2 9 ) a n dt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f e d u c m i o nd e p a r t m e n to f j i a n g s up r o v i n c e ( 0 1 k j b 4 7 0 0 0 1 ) i i 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：参南 日期口口少多年多 月 3 日 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。 保密回， 在1 年解密后适用本授权书。 本学位论支属于 不保密口。 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：壤哝生积 导师签名： 休哝乙销发 i 签字日期：棚锌6 月易日 江苏大学硕士论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机研究的发展过程 1 1 1 无轴承电机研究的历史背景 现代化工业发展对高速传动机构的需求越来越大，特别是在高速机床、涡轮 分子泵、离心机、压缩机以及飞轮储能等工业领域。高速电机又广泛用于数控钻 铣设备、精密雕刻雕铣、激光打印机以及精密磨床。然而，随着转速从高速向超 高速的不断发展，用于支承高速旋转轴的传统机械轴承显得力不从心。由于存在 机械接触，高速旋转的转子使摩擦阻力增加，轴承磨损加剧，从而产生机械振动 和噪音，严重时会导致电机气隙不均匀，造成绕组发热，降低了电机和轴承的使 用寿命，增加了维护的负担。可见，传统的机械轴承严重制约了传动机构向更高 速的发展。 近年来发展起来的磁轴承技术克服了传统机械轴承的不足，利用磁场力将转 子悬浮于空间，在高速运转时实现了转子与轴承之间无机械接触，改变了传统的 支承方式，因此，凭借无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、高精度、少维护、长 寿命等一系列优点，磁轴承在能源交通、航空航天、机械加工工业等多个领域得 到了广泛的应用【l j 但是，在实际的应用中，磁悬浮轴承电机转子径向同时需要两个磁轴承来支 承，每个负责电机转子2 个自由度，这样一来，磁轴承产生了以下几个方面的缺 点：首先，限制了电机的输出功率。为了提高电机的输出功率，电机的轴向和径 向长度就应加大，但是磁轴承安装在电机转轴两端，从而占有了较大的轴向长度， 使得电机占有的轴向有效长度缩短而限制了电机的输出功率。其次，磁轴承需要 装有多个造价昂贵的位移传感器和高性能的功率放大器，这使其成本较高，结构 复杂。 无轴承电机将磁轴承中产生径向力的绕组与电机中的定子绕组按照一定的 方式叠绕在一起，通过控制电机中径向力绕组中的电流大小实现转子的悬浮。因 此，无轴承电机克服了磁轴承一些缺点，比如省去了安装在轴两侧的轴承，不占 用额外空间，减少了电机轴向尺寸，从而提高了电机临界转速。另外，无轴承电 江苏大学顿士论文 机依然保留了磁轴承的所有优点，如无需润滑、无磨损、低噪音、寿命长等。而 且，从能源损耗的角度出发，无轴承电机不再需要原磁轴承中的直流励磁电流， 且径向力绕组控制系统的功耗只为整个功耗的2 v 5 。图1 - 1 为无轴承电机a 1 1 2 无轴承电机的发展现状 附1 - 1 无轴承电机 近十年来，无轴承电机取得了较快的发展。而通过将产生径向力的线圈与电 机定子线圈结合的思想可以追溯到1 9 7 4 年。当时德国学者pk h e r a m n n 提出了 双定子绕组结构的悬浮装置产生自悬浮力并申请了专利。而在1 9 8 5 年，日本学 者h i g u c h i 提出了步进电机的磁悬浮电机闭，直流型磁悬浮电机也由美国学者p a s m d e r 于1 9 8 7 年提出p 】，由于当时电力电子技术和数字信号处理技术的限制， 有很多技术难题尚未解决，这些早期的磁悬浮技术只处于理论水平。 九十年代后功率驱动技术和数字信号处理技术的发展，无轴承电机得到初 步的研究和发展，无轴承技术推广到了各种类型的电机上，形成了各种无轴承电 机的基本结构和控制方法【4 l ，如无轴承开关磁阻电机，无轴承异步电机，无轴承 永磁同步电机，无轴承同步磁阻电机等等。 jb i c h 钾l 于1 9 9 0 年首次实现了永磁同步电机的无轴承技术后，在近十年来， 日本学者ac n b a 通过研究无轴承电机的特性，采用p i d 控制策略实现了无轴 承异步电机在空载情况下的悬浮运行口_ 8 】。同时，他们还研究了磁阻电机的径向 力控制例，无轴承异步电机带负载运行特性等【1 0 1 。mo s h i m a 等人还研究了无轴 承永磁同步电机的特性及其磁饱和去磁问题i “】。在2 0 0 0 年，mo s h i m a 等人实现 了对4 k w 、转速1 10 0 0 c m l n 的表面凸装式无轴承永磁同步电机的特性分析和测 试【“i 。瑞士联邦工学院( e t h ) 的rs c h 6 b 不仅研究了无轴承电机的矢量控制问题 江苏大学硬论文 ，还探讨了将无轴承电机技术应用在医学工程以及生物工程等应用领域陋1 0 3 。 瑞士苏黎士的l c v i t r o n i x 公司拥有全球最先进的无轴承技术，并将无轴承电 机成功应用于医学和半导体工业领域i 堋。图1 - 2 是一些无轴承电器产品。 凰 、苎! ! 光轴承搅拌器 鬻嘲蝌 1 1 3 无轴承电机的发展趋势 无轴承交流泵 冒1 - 2 无轴承产品 蕊 无轴承电机改变传统电气传动方式，对解决特殊的电气传动问题提供了新的 设计空间，具有非常大的应用市场。但对于大规模的应用还有相当一段距离，新 技术、新材料和新工艺的应用，提高无轴承电机的性能，降低无轴承电机的制造 成本，成为无轴承电机发展的重要目标。无轴承电机的最新发展趋势： ( 1 ) 新技术使用 基于无轴承电机的机理，优化和创新电机的磁路结构和机械结构； 超声波传感技术和激光传感技术在无轴承电机定位控制中的应用，提高了定 位精度和速度； d s p 高速数字信号处理器和c p l d 在磁悬浮控制系统中实现数字化控制，为实 现复杂智能控制算法提供了保证； 高性能高频逆变器和智能化非线性智能动态解耦控制技术应用； 研究转子的动态性能，通过非线性智能控制确保转子的振动幅值： 无位置( 自检测) 无速度传感器技术、直接力矩控制等技术在无轴承电机中 的应用研究。 ( 2 ) 新材料的应用 我国稀土蕴藏丰富，开发稀土永磁同步电机具有较大的优势。稀土永磁材料， 如钕铁硼n d f e b ，具有磁能积高和功耗低的特点； 高温超导材料的抗磁特性或磁链导恒特性产生巨大的电磁力，高温超导材料 3 江苏大学硕士论文 在磁悬浮控制中将可能得到广泛应用，如超导磁轴承和无轴承电机用于大惯 量飞轮储能装置，直线电机超导磁场梯度悬浮推进系统； 光稀土高温超导l r e b a 2 c u 3 0 7 x 和稀土高温超导r e b a 2 c u 3 0 7 x 在7 7 k 温 度下具有较高的电流密度，可以产生极强的磁场，这些新材料的研制成功将 为高速磁悬浮机车的应用提供又一个新的设计方案。 ( 3 ) 无轴承电机推广应用 国外无轴承电机在人工心脏血液泵、化工密封泵、高速飞轮储能装置等方面 得到了成功应用。将无轴承电机广泛应用于机床工业、航空航天、机器人、生命 科学和食品工业等领域，一直是研究人员追求的目标，应用和研究是相辅相成的。 通过推广应用，才能不断提高无轴承电机的研究水平，尽快开发出性能优良的各 种无轴承电机。 1 2 数字控制技术简介 1 2 1 数字控制技术与模拟控制技术的区别 传统的电路控制系统往往采用的是模拟控制系统，也就是说采用电阻、电容、 运算放大器的模拟器件来实现信号处理过程中的加、乘、滤波等控制操作。多年 的发展使得模拟控制十分成熟，然而，随着控制理论越来越先进，控制算法越来 越复杂，系统参数的增多，模拟控制已显示出以下几个方面的不足： 1 。需要大量的元器件和电路板从而导致了元器件数量上升，制作成本加大。 2 随着控制对象的复杂化，需要调节的控制系统参数的增多，模拟控制的工作 量巨大，操作复杂。 3 参数易受环境和温度的影响，且存在器件的老化和参数漂移等硬件现象，影 响了系统的控制精度，加大了模拟控制的难度。 随着电子计算机在生产、科研以及国民经济领域中发挥出越来越重要的作 用，并影响着社会生产生活的方方面面，计算机不仅可以作为复杂控制系统中的 一个组成部分，也可以用于单个控制回路调节器和控制器中，代替常规的模拟调 节器或控制器。 嵌入式计算机系统以计算机技术为基础，用于实现对控制设备的监视、控制 和管理，以单片机控制、d s p 控制为代表的数字控制技术成为了嵌入式计算机系 4 江苏大学硕士论文 统控制的主流。相比与模拟控制技术，数字控制技术的好处显而易见： 1 数字控制系统体积小，不易受温度变动和器件参差性的影响。 2 数字控制的实现方式灵活。微处理器具有高速处理信息的能力，丰富的指令 系统可以实现控制系统中各种复杂的控制算法，如模糊控制、自适应控制等。 3 数字控制抗干扰能力强，在处理信号的过程中，用数字来表示控制量的大小， 克服了模拟控制稳定性差的缺点，提高了控制系统的稳定性。它同时可以在线监 测所关心的参数，如位移，振幅，转速等，为我们分析系统创造了前提。极强的 逻辑判断能力使控制系统的各种限制、保护措施、故障隔离易于实现。 4 控制系统的算法由软件实现，修改方便，利于系统功能的升级。软件的灵活 性又使得系统控制程序和参数都便于修改，仅仅修改软件，就可以实现多种控制 策略，克服了模拟控制中需要重新构建硬件的缺点。 1 2 2 数字控制器介绍 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 实际上是一种单片机，是集成高速 乘法器，具有多组内部总线，能够进行快速乘法和加法运算，适用于高速数字信 号处理的高速、高位单片计算机。它具有体积小、功耗小、使用方便、实时处理 迅速、处理数据量大、处理精度高、性价比高等优点。d s p 内部采用了以下5 种技术【1 8 。2 2 1 1 哈佛结构体系或改进的哈佛结构体系 d s p 芯片采用程序总线、数据总线分别独立并具有多条哈佛结构。程序存储 器和数据存储器独立编址，用独立的程序总线、数据总线或多条总线分别进行访 问。相互独立的总线技术允许在一个机器指令周期内进行程序读出和数据存取而 不相互干扰。改进的哈佛结构使程序存储器和数据存储器之间可以进行数据传 送，从而更有效地提高效率。 2 流水线技术 计算机在执行一条指令时，总要经过取指令、译码、访问操作数、执行等几 个步骤，需要若干个机器周期才能完成。d s p 的流水线结构使上述几个步骤是重 叠的，即在任意给定周期内，可能有1 4 条不同的指令是激活的，尽管每一条指 令的执行时间可能要好几个机器周期，但是指令的流水线作业使每条指令基本上 s 江苏大学硕士论文 是单周期指令。衡量d s p 的速度也经常以单周期时间为标准。 3 硬件乘法器 在d s p 中备有硬件连线逻辑的高速“与或”运算器，取两个操作数到乘法 器中执行乘累加运算，并将乘积加到累加器中，这些操作都可在单个操作周期内 完成，在数字信号处理运算中，具有大量的乘累加操作，例如卷积运算、数字滤 波、f f t 、矩阵运算等。d s p 设置的硬件乘法器和m a c 一类的指令使这些运算 的速度大大提高。 4 多处理单元 d s p 内部一般包括多个处理单元，如硬件乘法器、累加器、算术逻辑单元j 辅助算术单元。同时在d s p 内部还综合地集成有适用于高速信号处理的许多功 能，包括因频繁使用而部分硬件化的特殊功能，如循环寻址、溢出时仍可继续运 算的饱和处理、纠错功能等，大容量存储器，数模和模数转换器，高速串行端 口等。 5 特殊的d s p 指令 在d s p 指令系统中，有许多指令是多功能指令，即一条指令可以完成几种 不同的操作。如2 4 0 7 中的m a c d 指令能在一个指令周期内完成乘法、累加和数 据移动这3 项功能。再如r p t 指令，可以使它后面的指令执行1 - - - 6 5 5 3 6 次。 1 3 论文工作及内容安排 1 3 1 论文工作的思路 本课题由国家自然科学基金( 5 0 2 7 5 0 6 7 ) 和江苏省多项基金( b g 2 0 0 1 0 2 9 ， 0 1 k j b 4 7 0 0 0 1 ) 等支持，着重于无轴承电机数字控制系统的设计与实现。首先， 从研究无轴承电机的基本理论开始，分析无轴承永磁同步电机产生径向力的机理 并建立其数学模型。其次，采用了转子磁场定向的控制策略设计了无轴承永磁同 步电机的数字控制系统。最后，构建了实验平台，调试实验系统软硬件并给出了 结果。 6 江苏大学硕士论文 1 3 2 本文内容安排 第一章绪论，介绍无轴承电机研究发展现状，论文的主要工作等。 第二章在普通永磁同步电机的基础上，分析了无轴承电机产生径向力的原 理，推导了无轴承电机径向力与绕组电流电压之间的关系，在此基 础上建立了无轴承电机的数学模型并采用了矢量控制中转子磁场定 向控制的策略，给出了控制系统的控制原理框图。 第三章设计了无轴承永磁同步电机数字控制系统的硬件及接口电路。介绍 了包括传感器，接口电路，通信模块的硬件构成。 第四章阐述了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器的实验系统的软件框架，详细介 绍了d s p 中各个功能模块在控制算法中的运用并给出了相应的软件 算法流程图。 第五章从抗干扰的角度出发，进行了抗干扰设计。分析了该实验系统中存 在的各种抗干扰源，阐述了各种实用的抗干扰技术，并采取一系列 抗干扰措施。 第六章进行了系统软硬件调试，给出了局部实验结果并进行了分析。 第七章总结了本论文所做的主要工作，并对今后需进一步研究的问题进行 了简述。 7 江苏大学硕士论文 2 1 引言 第二章无轴承永磁同步电机运行原理的研究 无轴承永磁同步电机是在普通永磁同步电机的定子槽中按一定规律叠绕了 另一套绕组，两套绕组的磁场通过气隙相互作用产生径向力实现电机的无轴承 化。本章首先分析了普通永磁同步电机中的电磁力，然后分析了加入径向力绕组 成为无轴承永磁同步电机后产生可控径向力的工作原理，推导了无轴承永磁同步 电机的数学模型。最后采用了转子磁场定向的矢量控制策略，并给出了系统的控 制框图。 2 2 无轴承永磁同步电机工作原理 处于运行状态时，普通永磁同步电机中存在两种不同类型的电磁力：洛伦兹 力和麦克斯韦力。当定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，转子上的永磁体便 在磁场的作用下产生作用于转子的切向力，该力被称为洛伦兹力，也用于产生电 机的电磁转矩。 麦克斯韦力则是磁路中不同磁导率介质边界上形成的磁张力。该力为负刚度 力，转子偏移量越大，磁张力越大，所以要使转子回到平衡位置，需要用负反馈 来控制。 ( a )( b ) 图2 - 1 电机中的电磁力 图2 1 ( a ) 为转子处于正中时电机中的磁通分布，可看出其分布是对称的，此 时麦克斯韦力合力为零。根据电机理论的磁张力效应，如果转子偏离了中心位置， 如图( b ) 所示，将引起电机中的磁通分布不均，麦克斯韦力合力便不为零，作用 8 江苏大学硕士论文 方向和转子偏心方向致。 无轴承永磁同步电机的定子槽中叠绕了两套极对数不同，匝数也不同的绕 组。设转矩绕组的极对数为a ，径向力绕组极对数为p 2 ，则当转矩绕组通入对 称三相交流电后，在电机中将产生旋转磁场，使永磁体跟随磁场运动使电机旋转。 当径向力绕组通电以后，径向力绕组产生的磁场打破由转矩绕组产生的磁场平 衡，使电机转子相对应的两侧气隙磁场密度不均，导致电机磁通分布不均，也会 产生洛伦兹力和指向磁场增强区域的麦克斯韦力。若p l = 1 ，p 2 = 2 ，则电机中 的洛伦兹力如图2 2 所示： 图2 2 引入径向力绕组后产生的洛伦兹力 而电机中的麦克斯韦力如图2 3 所示： 图2 - 3 引入径向力绕组后产生的麦克斯韦力 当极对数满足仍= p 。+ 1 时，无轴承永磁同步电机中的洛伦兹力和麦克斯韦 力方向是一致的，所以径向力是两者相加；当扔= p 。- 1 时，这两个力是相反的， 转子所受合力为麦克斯韦力减去洛伦兹力。另外，考虑转子偏心时，电机内还存 在和转子偏心位移成正比的麦克斯韦力，所以无轴承电机在一个自由度上x 方向 上所受合力e 的表达式可写成： c = ( k 吒) 一颤x ( 2 - 1 ) 9 江苏大学硕士论文 式中，e 为无轴承电机转子在x 方向所受的合力； 为麦克斯韦力常数； 屯为洛伦兹力常数； t 为径向力绕组电流； t 为径向力刚度系数； x 为转子偏差位移量； 2 3 无轴承永磁同步电机的数学模型 2 3 1 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，其详细的 数学推导过程和分析比较复杂，为了获得永磁同步电机p m s m 的数学模型，通 常作如下的假设：认为磁路是线性的，忽略磁路饱和，磁滞以及涡流的影响，认 为永磁磁极在气隙中产生的磁势为正弦分布，无高次谐波。电机在d 、g 旋转坐 标系下中的数学模型如下 2 3 - 2 5 】： 定子电压方程： 卜邓一g 甜r i i i d ( 2 - 2 ) 【“l g = p q + d 国+ 墨屯 式中p 为微分算子，( - 0 为转子角频率；定子磁链方程： 肛2 盼坝( 2 - 3 ) 【g2 厶g f l 9 d 、。为转矩绕组气隙磁链， 是转子磁钢在定子上的耦合磁链，厶d 是 等效二相定子绕组的d 轴自感，厶。是等效二相定子绕组的g 轴自感。且有： 净2l ，a 叮4 - i ；, m d ( 2 - 4 ) 【k = k + 其中，k 为定子绕组漏感；k 为定转子之间在d 轴的互感；l m 4 为定转 1 0 江苏大学硕士论文 子之间在g 轴的互感。 电磁转矩方程： z = p l ( d 一d 。) = p l 【少，g + ( 厶d 一厶。) f l d i 【。】 ( 2 - 5 ) 式中p l 为转矩绕组极对数，从上式可看出，永磁同步电机的电磁转矩基本 上取决于定子交轴电流分量和直轴电流分量。电机运动方程为： = 丢鲁 ( 2 - 6 ) p 、m 根据矢量控制原理，在不同的应用场合可以选择不同的磁链作为定向的基 准，目前主要有转子磁场定向控制、定子磁场定向控制、气隙磁场定向控制等。 在p m s m 电流控制策略中，又有以下几种控制方式一 1 屯= 0 控制 2 力矩电流比最大控制 3 功率因数角c o s c p u = 1 控制 4 恒磁链控制 在表面式永磁同步电机中，电机参数气和厶。相等，采用0 = 0 控制可以保 证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩值，通过控制。就可以控制电磁转矩。 转矩表达式为： = p p l y ，f 1 。 ( 2 7 ) l # 2 ”k u - ，j 2 3 2 无轴承永磁同步电机的数学模型 无轴承永磁同步电机径向力产生的实质是由于径向力绕组产生的磁场打破 了原有转矩绕组建立的气隙磁场的平衡，从而产生作用在转子侧的悬浮力。为了 分析电机中径向力，作以下假设：转矩绕组极对数a 与悬浮绕组极对数p ：满足 a = 岛+ 1 ；径向力x 轴正向分量与定子a 相绕组轴线重合，y 轴超前x 轴9 0 。 电机中的气隙磁密曰( 妒) 由转矩绕组和悬浮绕组同时产生2 6 1 ； 江苏大学硕士论文 召( 伊) = 且c o s ( 见矿一彩l f + ) + 度c o s ( p 2 9 一彩l f + 力) ( 2 8 ) 下标l 表示转矩绕组变量，2 表示悬浮绕组变量，妒为空间位置角，缈。为转矩绕 组电流角频率，、五为初始相位角。作用在转子外表面的面积微元幽上的麦 克斯韦力为： 卵：i b 2 d , 4 ( 2 - 9 ) 2 风 其中x 轴分量为： 炽( 加去职咖唧却 ( 2 - 1 0 ) y 轴分量5 5 ： 晖( 加去( 咖i n 咖 ( 2 - 1 1 ) 式中z 为定子铁心长度，为定子内径，将( 2 8 ) 分别代入( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ， p 2 = p 。1 时，产生的可控麦克斯韦力为： e = f c o s ( a 一)( 2 1 2 ) t = - 7 - f s i n ( 2 一) ( 2 - 1 3 ) 麦克斯韦力幅值f ：尝，每极磁通为： z o 办：2 l r b 1 ，办：2 l r b 2 ( 2 - 1 4 ) - t2 设，分别是转矩绕组和悬浮力绕组的匝数，则每相气隙磁链为： = 破，= 织 ( 2 1 5 ) 又因为= 乙：2 ，l m 2 为悬浮绕组互感，2 为悬浮绕组电流，n d a ( 2 1 2 ) 乘1 ( 2 1 3 ) 可以写成： e = 黠沙l 2 c o s ( a 一声)( 2 16 )8l 1 r p o “ 、 一 p 1 2 江苏大学硕士论文 e = 千黠埘n ( 名一) ( 2 1 7 ) y 。8 肛胁嘭“ 、 在功率不变的前提条件下，将e ，e 转化到d ，g 坐标系下的表达式如下： e = 躲( 2 d d + 2 ，。) ( 2 18 )12l 。 r l u o w l q 川埘 “ 增7 、 o=!船(：。d一2。d)(2-19)12l ， r k t o 彬q 钾4 “驴埘7 i d ，。为转矩绕组气隙磁链分量。：d ，：。为悬浮绕组定子电流分量。可 看出无轴承永磁同步电机是个多变量、非线性的、强耦合的系统，对转矩力和悬 浮力的摔制县于轴承由加的英键 2 4 无轴承永磁同步电机转矩力与悬浮力的控制策略 阅于隐檄瓦水慨i 刈步电刀l ，米用l l d = 0 明瑶制束峪，开忽i h 备疋于统组漏慰k ， 则定子磁链可简化为： 肛2 乡：， ( 2 2 0 ) 【。= 厶。= k 。 r 所以式( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 可写成： c 2 面x p m l p = l r 2 ：( i , 2 d y l d + 奶z ) = ( 咖，+ 钒) ( 2 - 2 1 ) j7j=i踹(z。i，ld：。哆d)=：jjli，(瓦z-弘，：。fl。ji。)(2_22) 舯2 嚣蔫； 将( 2 2 0 ( 2 2 2 ) 写成矩阵形式有： 盼阪旁贬丁 p 2 3 ， 江苏大学硕士论文 为了优化算法，( 2 2 4 ) 还可写成： 一心 弘2 4 ， 舯k = k 历一l s z a l m q 一删a n ( i l q l , ”q ) 又因为： 嚣煳 ( 2 - 2 s ) ( 2 - 2 6 ) 将( 2 2 5 ) 代入，利用三角函数积化和差后整理可得： = 搬鸱：2q i n 幌+ 岬p ) 阑j l p , i ls i n ( g c o s p 2 7 ，l = 一 i iif 。，7 ，l i 2 ， 吃+ p ) j p 7 综合永磁同步电机和无轴承电机的数学模型以及采用的转子磁场定向控制 策略，无轴承永磁同步电机的矢量控制框图如图2 - 4 所示： 图2 - 4 无轴承永磁同步电机b p m s m 控制系统原理图 1 4 一、， c c ， 、， 妒p 确啷 p d m c s ，一，一乞 j l m 幻 l。 ，、 岛砬 口 c s ，一 j j 、 口 芦 2 2 0 ，。l 江苏大学硕士论文 电机旋转部分：光电编码盘用于测量电机转子的位置和转速，晓为转子转过 的实际角度，加上补偿角嚷可得到电机转子磁场的实际位置。角速度给定值出 与电机角速度检铡值的差值经过p i d 调节后得到旋转坐标系下的口轴电流命 令值，经过坐标变换后，得到固定坐标系下的电流命令值t ，0 ，再由2 3 变换得到转矩绕组三相电流的给定。 悬浮绕组部分：位移传感嚣实时检测电机转子的径向位移，与给, 定 1 ik g 较后， 偏差量作为p i d 的输入分别输出径向力的命令值，e ，再带入k ， p 由公式( 2 2 7 ) 计算出e 2 。，c 2 口，2 3 变换后便得到悬浮力绕组三相电流的给定a 2 5 本章小结 本章结台普通永磁同步电机，分析了无轴承永磁同步电机的工作原理，推导 了径向力与电流之间的关系，建立了电机的数学模型，采用了转予磁场定向的矢 量控制簟略，给出了控制系统的原理框图。 苏大学预士论文 第三章无轴承永磁同步电机数字控制系统的硬件实现 3 1 引言 无轴承永磁同步电机硬件系统是整个控制系统稳定可靠运行的必要保障。本 章根据永磁同步电机矢量控制的原理，结合了2 自由度无轴承永磁同步电机的数 学模型，构建了数字控制系统的实验平台，介绍了实验系统的硬件构成，包括传 感器、接口调理电路等硬件功能模块。 无轴承永磁同步电机的硬件系统构成包括：2 自由度无轴承永磁同步电机本 体，p c 机，示波器，电源若干，变压器，d s p 评估板及配套j t a g 仿真器，速 度传感器，位移传感器，电流跟踪型逆变器c r p w m 、接口调理电路等。 3 2 主控制器介绍 本论文所采用的数字控制芯片为美国t i 公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 评估 板以及配套的j t a g 仿真器。该d s p 芯片是用于数字电机控制的专用芯片，广 泛用于高精度伺服系统的控制。评估板外观如图3 - 1 ： 图3 - 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 评估板 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系列芯片是1 6 位定点d s p 芯片，采用改进的哈佛结构， 程序存储器和数据存储器相互独立且有各自独立的总线结构。该芯片由三个主要 部分组成：中央处理单元、存储器和片内外设。具体如下鲫： 江苏大学硕士论文 1 采用高性能c m o s 技术，使供电电压降为3 3 v ，降低了控制器的功耗；4 0 m i p s 的指令执行速度使指令周期缩短到。2 5 n s 。 2 采用了基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证了其代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 3 片内有高达3 2 k b x1 6 位的f l a s h 程序存储器、2 5 k b 1 6 位的数据程序 r a m 、5 4 4 字d a r a m 和2 k b 的s a r a m 。可扩展片外1 9 2 k 的空间，6 4 k 数据存储器空间、6 4 k 程序存储器空间、6 4 k i o 寻址空间。 4 两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器和8 个1 6 位脉宽调制通道、3 个捕获单元、片内光电编码盘接口电路、1 6 通道a d 转 换器。 5 具备看门狗模块w a t c h d o g 。 6 1 0 位采样保持的a d 转换器，最小转换时间为3 7 5 n s ，并可选择两个事件管 理器来触发两个8 通道a d 转换器或一个级联为1 6 通道输入的a d 转换器。 7 串行通信接口s c i 模块；1 6 位串行外部设备接口s p i 模块；c a n 2 0 b 控制器 局域网模块。 8 4 路d a c 7 6 2 5 转换通道。 9 4 1 个独立可编程多功能i o 引脚，通过对8 个1 6 位映射存储器的编程可控制 所有i o 引脚的功能，包括数据方向，输入输出状态。 图3 2 给出了整个数字控制系统的硬件功能框图。其中虚线以上的模块为t i 公司生产的专f - j m 于数字电机控制的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 评估板上的片上外设。 正交编码脉冲电 模数转换模块数字输入输出口 路输入口 i 一t 卜咖1 q 啪p r 瞒 r r r i 位移传感器接口脉冲信号调理接电流信号调理矿 电路口电路口电路 j x 方墨型二绕j 矗i t z l 逆变器i x 方向位 一一 8 耙2 t 日坑班 l 侈l 警钮，五哥 ，二 拒撇电口f l t r 环 ：一 ，年i 逆变器臣串行通信模块 n a g 接口尊一一尊 r s 2 3 2 信号线 usb仿真器 、 ，弋 ， 上位机 i 图3 - 2 无轴承永磁电机数字控制系统硬件功能框图 1 7 江苏大学硕士论文 3 3 位移传感器及接口调理电路 为了实现转子的控制以达到稳定悬浮，无轴承永磁同步电机转子位移检测的 准确度成为关键。要准确地检测转子的位移，要求位移传感器具有高精度、高灵 敏度、线性失真小、抗干扰性强等特点。目前无轴承永磁同步电动机的位移检测 中，主要采用测量精度高和线性度好的电涡流式位移传感器。电涡流式位移传感 器广泛用于旋转机械位移和其他机械相对位移的测量，利用电涡流效应，将位移 量转换为阻抗的变化量，依靠高频电涡流效应工作，通过对被测物体实现非接触 测量，能直接准确的采集到转轴旋转时的径向位移参数。 2 0 电压 v 1e 18 14 2 1o e e 2 o 000 2 04 0 80 b1 01 214t 6162 0 位移mm 图3 - 3 位移传感器输出 图3 3 为位移传感器输出，灵敏度为8 m v m 。在控制系统中，共用了四个 位移传感器，在每个自由度上采用两个传感器差动测量的方式，在一定程度上减 小了测量误差，提高了测量的精度。通过检测得到的位移信号在输出给d s p 芯 片中集成的a d 转换芯片之前，需要对这四路信号进行调理，图3 4 所示的位移 传感器接口电路正是实现这个功能。 差动放大器a d 5 2 4 引脚1 、2 接收位移传感器一个自由度上的输出差动电压 信号，经过放大、调幅后，将输出给d s p 采样通道的信号限制在允许的0 3 3 v 之间。值得注意的是实验平台中，由于是线性信号而非脉冲信号，因此该电路要 与d s p 的模拟地共地，所以在调试中需要仔细确定输给d s p 的电压在允许的范 围内。 1 8 江苏大学硕士论文 图3 - 4 位移传感器接口电路 3 4 速度传感器及接口调理电路 转速是调速系统的重要参数，而转子的实际位置又是无轴承电机转子磁场定 向控制算法中必不可少的信息。为了测量电机转子的转速和转子的位置，在电机 轴末端安装了速度传感器，该传感器采用日本多摩) i i ( t a m a g a w a ) 公司生产的 o i h 4 8 系列的增量式光电编码盘，它可产生a 、b 两路频率可变、相位固定相差 为9 0 度的脉冲序列，以及一路转子每转过一圈就输出一次的z 信号复位脉冲， 可以根据这三路信号选择合适的方法来实时测量电机转子的转速和位置。该编码 盘工作在直流5 v 的电压下，输出的脉冲信号幅值也是5 v 直流电压，然而 2 4 0 7 d s p 芯片的输入电压应控制在3 3 v 以下，为了避免过电压的输入而导致 d s p 不正常工作，适应q e p 电路引脚的电平输入范围，光电编码盘输出的a 、 b 、z 三路信号均通过了脉冲信号调理电路后再输入给d s p ，电路图如3 5 所示： 1 9 江苏大学硕士论文 e p 弓i 脚 图3 - 5 脉冲信号调理电路 图中芯片为h c p l 4 5 0 4 快速光耦，光电编码盘输出的三路信号由2 脚输入， 6 脚输出，通过该芯片可以实现将输入的5 v 脉冲信号序列转换成3 3 v 幅值的脉 冲输出，其中和r 参数的大小直接影响了输出信号的传播延迟，参考芯片资 料并经反复实验，选择= 2 5 0 9 2 ，r 工= 2 k 9 2 ，使得输出给q e p 引脚的脉冲波 形在电机转速为3 0 0 0 转分时失真也很小，同时它也起到了隔离作用，使输入 d s p 中q e p 引脚的电平波形平整，满足了系统调试的要求。 3 5 电流信号调理电路 图3 1 中的数字输入输出i o 口用于输出控制电机转矩绕组和径向力绕组电 流控制信号，分别为p w m l ，3 ，5 和p w m 7 ，9 ，1 1 共6 个引脚。采用了p w m 通道实现d a 转换输出的方式。d s p 的p w m 通道输出电平为3 3 v ，输出电流 信号为一系列占空比可变的脉冲信号，可以将其分解为一个直流分量加上一个占 空比恒定、零均值幅度的方波信号，如图3 - 6 所示。为实现p w m 信号的d a 输 出( 2 8 】，可使用模拟低通滤波器滤去高频分量，只留下低频分量。 - 3 3 v + 3 1 3 v 厂 r 厂 一 图3 - 6p w m 波实现d a 转换原理图 用傅立叶( f o u r i e r ) 分析法，可以把周期信号表示为三角傅立叶级数或指数傅 江苏大学硕士论文 立叶级数。对任何一个周期为t 的周期信号f ( t ) ，其在区间【一t ，t 】内傅立叶级 数可表示为： 们) = a 0 2 + q c o s c o l + 口2 c 。s 2 f + c 。s 刀国r + + 6 ls i n c o t + b 2s i n 2 c o t + 包s i n n c o t + ( 3 1 ) = 睾+ 砉( 岬s 删玩s i n n c o t ) 冥直流分量，分量系数a n ，吃分别为： 而= a 2 a o = 土te 们) 出 ：f ( t ) c o sn c o t d t ：亍1 t ，八( t ) c o s n c o t d t 2 工了一2il ， f c o s 2 彻础 1 j 以：气i f ( t ) s i n n c o t d t 兰亍ir j f ( t ) s i n n c o t d t ( 3 - 2 ) 以= 尘_ 一兰彳l ( f s i n 2 以国砌 1j 为不失一般性，通过简单平移时间轴将p w 妇信号转化为偶函数，其傅立叶 级数便可以简化，如图3 7 所示： t - t + p t 2 - p