（电机与电器专业论文）基于dsp+28335的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究.pdf

卜 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f 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 eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g l i i i ii t l l l l l l i ii i l i ii i i il i i i i i i l l l l l l l l i y 18113 61 r e s e a r c ho fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m o fb e a r i n g l e s ss l i c em o t o r so nd s p 2 8 3 3 5 a t 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 i ux i u a d v i s e db 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 r t 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 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： 主：i 焘 日 期：塑坦垒墨d 幽 ， f 一 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无轴承永磁薄片电机是一种集驱动与悬浮功能于一体的新型电机，该电机具有定转子无接 触、易隔离、结构简单、可靠性高、成本较低等优点，在生化、医疗、机电等超洁净驱动领域 具有独特的应用优势。 本文针对无轴承永磁薄片电机控制系统以及电机本体的优化进行了深入的研究。通过建立 无轴承永磁薄片电机三维模型，分析了该电机的被动悬浮特性以及转子动力学特性；搭建了基 于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 无轴承永磁薄片电机数字控制系统平台，采用m a t l a b 内部集成工具箱完成该数 字控制系统软件开发，并生成d s p 可执行代码；建立无轴承永磁薄片电机控制系统的s i m u l i n k 模型，通过仿真验证了悬浮及驱动控制算法的正确性；完成了无轴承永磁薄片电机系统的综合 调试，并最终实现了一台永磁无轴承薄片电机空载条件下的高速稳定悬浮运行。 首先，从无轴承永磁薄片电机的基本原理出发，利用a n s y sw o r k b e n c h 有限元分析软件建 立了无轴承永磁薄片电机三维模型，通过有限元电磁场仿真分析及验证，深入研究了永磁薄片 电机结构参数对转矩和悬浮力的影响。在此基础上，研究了转子在轴向和扭转方向有扰动时的 转子动力学特性，为无轴承薄片电机的优化设计奠定了基础。 其次，针对电机高速悬浮旋转时对控制单元运算速度的高要求，本文设计了一套基于 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统平台，该d s p 芯片自带硬件浮点运算单元， 可以大大提高复杂算法的运算速度，有效增强控制系统的实时处理能力。在硬件方面充分利用 该d s p 芯片的丰富外设接口，简化了系统结构，为实现高速永磁型无轴承电机悬浮控制提供了 可靠的硬件实验平台。 此外，无轴承电机控制算法复杂，软件开发周期较长。本文首次将m a t l a b i 具箱开发d s p 软件的方法引入到无轴承电机研究中来，该方法简化了d s p 软件开发流程，免除了程序编码任 务，降低了开发人员对d s p 了解的要求，缩短了软件算法开发时间。文中详细介绍了利用m a t l a b 工具箱开发d s p 软件方法，搭建了无轴承永磁薄片电机的控制系统算法模型，仿真验证了控制 算法的正确性，并最终生成可执行代码，为实现高速永磁型无轴承电机悬浮控制提供了高效的 软件开发平台。 最后，通过系统综合调试验证了系统软、硬件设计的正确性，实现了一台永磁无轴承薄片 电机高转速下的稳定悬浮运行。 关键词：薄片电机，无轴承，a n s y sw o r k b e n c h ，t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，m a t l a b 基于d s p 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究 a b s t r a c t t h eb e a r i n g l e s ss l i c em o t o r ( b s m ) i san e wt y p eo fm a g n e t i cs u s p e n s i o nm o t o rc o m b i n i n gt h e d r i v i n ga n ds e l f - s u s p e n s i o n ，w h i c hc a nn o to n l yp r o d u c et h et o r q u ef o rl o a dd r i v i n g ，b u ta l s op r o d u c e t h em a g n e t i cl e v i t a t i o nf o r c ef o rr e a l i z i n gn om e c h a n i c a lf r i c t i o nr o t a t i o n f o ri t ss i m p l es t r u c t u r e h e r m e t i c a l ，h i g hr a t i oo fa x i a lu t i l i z a t i o n ，l o wc o s t ，t h eb s mh a su n i q u ea p p l i c a t i o na d v a n t a g e si nt h e f i e l d so fu l t r a - p u r e d r i v i n g ，s u c ha sm e d i c a le q u i p m e n t ，b i o - p h a r m a c e u t i c a l s ，c h e m i c a li n d u s t r y , n u c l e a rw a s t em a t e r i a l ，e t c t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e dm a i n l yo nt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e s i g na n dd e s i g no fb s m a t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d , t h ep a s s i v es u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fr o t o r w e r ea n a l y s e da n dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5w a s d e s i g n e d m a t l a bs y s t e mw a si n t r o d u c e dt os u p p o r td e v e l o p m e n to fd s ps o f t w a r e t h ea l g o r i t h m m o d e lo fc o n t r o ls y s t e m sw a se s t a b l i s h e d 研ms i m u l i n k , a n ds i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h e a l g o r i t h mw a sv a l i d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f ab e a r i n g l e s ss l i c em o t o ri n d i c a t e dt h a tt h er o t o rc a n b es u s p e n d e da n dr o t a t e ds u c c e s s f u l l y f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h eb s mw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) s o f t w a r e ，a n s y sw o r k b e n c h , w a sa d o p t e dt oe s t a b l i s hat h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fb s m a n dt h e i rc o m p u t a t i o na c c u r a c yw a sv e r i f i e db yf e a t h ei m p a c to ft h ec o e f f i c i e n to nt h er a d i a lf o r c e a n dt o r q u ew a sa n a l y z e dd e e p l yo nt h i sb a s i s ，t h er o t o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fd i s t u r b a n c e si nt h e a x i a la n dr e v e r s ed i r e c t i o nw e r ed i s c u s s e df o rt h eo p t i m a ld e s i g n s e c o n d l y , t h es p e e do fo p e r a t i o n r e q u i r e m e n tt oc o n t r o lu n i ti sh i g l l ，t h u sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5w a sd e s i g n e d t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5o ft ic o p o r a t i o ni sc o n t r i b u t e dt od i g i t a l c o n t r o lo ft h em o t o r ，i t sc a l c u l a t i n gs p e e di ss of a s tt h a ti tc a nc o n t r o lc u r r e n ti nr e a l t i m e i nt h e h a r d w a r e ，i tf u l l yu t i l i z e st h ea d v a n t a g eo fc h i pt h a ta r ea b u n d a n ti n t e r f a c ea n df a s ts p e e ds oa st o r e a l i z et h ec o n t r o lo ft h es y s t e m t h i r d l y , d e v e l o pd s pu s i n gm a t l a bs o f t w a r es y s t e m t h ea l g o r i t h mm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m w a sb u i l ta n dt h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o na n dt h ed s pe x e c u t a b l ec o d eg e n e r a t i o nw e r ei n t e g r a t e d ，t h u s t h ee f f i c i e n c yo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tc a nb er a i s e d as e r i e so fp r o b l e m sc a u s e db yc o d i n gc a nb e a v o i d e d a tt h es a m et i m e ，an u m b e ro fc o m p l e xa l g o r i t h m sc a na l s ob ee a s i l ys e tu p f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n to fb s mw a sa c h i e v e d ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd i g i t a ls i m u l a t i o na s w e l la ss y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni sv e r i f i e d 。 k e yw o r d s ：s l i c em o t o r , b e a r i n g l e s s ，a n s y sw o r k b e n c h ，2 8 3 3 5 ，d s p , m a t l a b 一 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 无轴承永磁薄片电机悬浮原理。l 1 2 1 被动悬浮l 1 2 2 主动悬浮2 1 3 无轴承永磁薄片电机的研究现状2 1 4 本文的研究意义及研究内容。3 4 1 1 本文的研究意义3 4 1 2 本文的研究内容4 第二章无轴承薄片电机被动悬浮力特性和转子动力学的研究。6 2 1 有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 简介6 2 2 无轴承薄片电机被动力悬浮特性分析一9 2 2 1 转予轴向移动9 2 2 2 转子扭转一l o 2 3 无轴承薄片电机的动力学分析1 1 2 3 1 轴向特性。1 2 2 3 2 扭转方向的特性一13 2 4 本章小结1 7 第三章控制系统硬件设计与实现1 8 3 1d s p 芯片介绍一1 8 3 2c c s 在无轴承薄片电机系统中的应用2 0 3 2 1 浮点运算运行环境配置2 0 3 2 2 调试技巧一2 0 3 3 无轴承薄片电机控制系统硬件设计2 4 3 3 1d s p 最小系统设计2 4 3 3 2a d 调理电路设计2 7 3 3 3e p w m 电路设计2 7 3 3 4d a 电路设计一2 8 3 3 5 转子径向悬浮位置检测电路设计2 9 3 3 6 转子转角检测电路设计2 9 基丁二d s p 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 3 3 7 悬浮及转矩绕组电流检测电路设计3 2 本章小结3 2 基于m a t l a b 实现d s p2 8 3 3 5 软件开发3 4 m a t l a b 开发工具背景简介3 4 软件开发流程3 5 s i m u l i n k 仿真模型3 7 4 3 1 悬浮控制模块一3 7 4 3 2 驱动控制模块。3 7 4 3 3 位移检测模块3 8 4 3 4 角度检测算法。4 0 4 3 5 转速计算模块4 2 实验结果分析4 3 4 4 1 电流闭环检测4 3 4 4 - 2 转角计算检测。4 4 4 4 3 静止悬浮性能分析。4 5 4 4 4 高速性能分析4 5 4 5 本章小结4 6 第五章全文总结与展望4 8 5 1 本文的主要工作4 8 5 2 需作进一步研究的工作4 8 参考文献4 9 致谢4 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 5 一 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 图表目录 图1 1 无轴承永磁薄片电机示意图一1 图1 2 无轴承永磁薄片电机被动悬浮原理图2 图2 1 薄片电机基本结构7 图2 2 电机3 d 模型的网格剖分8 图2 3 转子无偏移时，电机磁通与受力分布一8 图2 4 转子沿z 轴偏移2 m m 时，电机磁通与受力分布9 图2 5 转子沿y 轴扭转时，电机模型与磁密分布9 图2 6 轴向悬浮力与轴向偏移的关系1 0 图2 7 电机轴向悬浮力与电机轴向长度的关系1 0 图2 8 电机的回复力矩与扭转角度的关系l o 图2 9 回复力矩和转子磁化方向与扭转轴之间的夹角的关系1 0 图2 1 0 回复力矩与轴向长度的关系。1 1 图2 1 1 坐标系。1 2 图2 1 2 轴向上的动态响应1 2 图2 1 3 移幅频特性。1 3 图2 1 4 特征值轨迹1 6 图2 1 5 不同阻尼下的仿真波形。1 7 图3 1 无轴承薄片电机系统构成1 8 图3 2t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 结构框图一1 9 图3 3 参数调试窗口2 2 图3 4c c s 中g r a p h 的使用2 2 图3 5g r a p h 属性设置一2 3 图3 6 波形序号和数组首地址2 4 图3 7 转子转角波形在c c s 中的动态显示2 4 图3 8f 2 8 3 3 5 外接电路框图2 5 图3 9f 2 8 3 3 5 连接外部振荡器2 5 图3 1 0j t a g 接口的引脚定义2 6 图3 1 1 调理电路原理图2 7 图3 1 2l v c 2 4 5 a 芯片图2 8 图3 1 3d a c 7 7 2 4 芯片电路2 9 基于d s p 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究 图3 1 4 电涡流位移传感器2 9 图3 1 5 电机转子磁势。3 0 图3 1 6 霍尔角度传感器分布示意图。3 0 图3 1 7 角度计算辅助图3 0 图3 1 8 霍尔角度传感器分布示意图。3 l 图3 1 9 电流传感器3 2 图4 1t a r g e ts u p p o r tp a c k a g et c 2 界面。3 4 图4 2e m b e d d e dd el i n kc c 界面3 5 图4 3 主程序结构框图3 6 图4 4 主程序结构设置3 6 图4 5 中断函数3 7 图4 6 悬浮控制算法框图3 8 图4 7 驱动控制算法框图3 8 图4 8x 位移算法3 9 图4 9y 位移算法3 9 图4 1 0y 位移算法验证4 0 图4 1 l 角度计算流程一4 0 图4 1 2 算法一：角度计算流程4 l 图4 1 3 算法二：角度计算流程。4 1 图4 1 4 角度算法4 2 图4 1 5 角度算法验证。4 2 图4 1 6 转速计算4 3 图4 1 7 转速算法验证4 3 图4 1 8 不同频率下的电流环实验波形4 4 图4 1 9 相邻两个霍尔传感器输出波形。4 4 图4 2 0 转子转角波形。4 4 图4 2 1 静止悬浮波形4 3 图4 2 2 高速运行波形4 6 表3 1t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 处理器性能参数。1 9 表3 2f 2 8 3 3 5 与f 2 8 1 2 对不同操作的执行能力的比较2 0 表3 32 8 3 3 5e p w m 与2 8 1 2e v 比较2 0 表3 42 8 1 2 和2 8 3 3 5 中用到的g e l 文件2 1 表3 5 引脚j t a g 标头信号的引脚说明2 6 南京航空航天大学硕士学位论文 表3 6l v c 2 4 5 a 功能表2 8 表3 7 区间判断3 l 表3 8 方法二象限判断3 2 基于d s p 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究 一、基本符号与说明 注释表 c 轴向磁拉力 c 径向磁拉力 l 整个转子的轴向力 ) d 转子的直径转动惯量 m 转子的质量 j b 转子的极轴转动惯量 ，。 转子轴向偏移h转子绕z 轴的动量矩大小 k z 轴上的阻尼系数 蛾 为转子角速度 晚 转子轴向位移的传递函数 ，转子半径 l 。 转子偏移距离 r 定子内圈半径 乙 永磁体长度 纹 转子临界角速度 恕 轴向力刚度系数 o j 转子的进动角频率 乃 回复力矩m m 绕y 轴的外扰力矩 h c 永磁体矫顽力 m 以 绕x 轴的外扰力矩 只 转子转角 k 悬浮力矩的刚度系数 二、下标符号与说明 l 、t悬浮、转矩绕组d 、q d 、q 轴分量 x 、yx 、y 轴分量 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 超洁净驱动技术是随着现代科技的进步而发展的一种高密封性，超洁净性，无交叉污染的 绿色驱动装置。在生物制药、化工、核废料处理等领域的密封传送和生产系统中为保证一些物 质如药品、酶类在生化反应过程中避免受到外面的热源和微生物进入，或避免危险物质被工作 人员接触或对环境造成污染，其中广泛地采用超洁净驱动技术，如密封泵，如图1 - 1 ( a ) 所示。 影响超洁净驱动装置使用寿命的主要因素是其轴承问题。由于密封、磨损和润滑原因，采用磁 悬浮轴承是较佳的选择方案。但因磁轴承系统占有相当的轴向空间、成本高，其应用范围受到 限制。 无轴承永磁薄片电机集电磁轴承和电机功能于一体，是无轴承电机研究的新领域。由于无 轴承薄片电机具有轴向利用率近1 0 0 ，转轴与泵头易于一体化，再加上无磨损、低噪音、高转 速等特点，在超沽净驱动领域应用优势非常明显，并成为超洁净驱动技术中最具有发展前途的 方案之一。该电机是在利用无轴承技术实现径向悬浮的同时，依靠磁阻力实现其它三个自由度 ( 一个轴向自由度、两个扭转自由度) 上的被动悬浮。在瑞士联邦工学院与l e v i t r o n i xg m b h 公 司合作下，已经有部分无轴承永磁薄片电机的产品初步实现系列化，应用于人工心脏血泵、生 物细胞培植中的气泡发生器、半导体工业生产等超洁净领域 卜1 6 。 1 2 无轴承永磁薄片电机悬浮原理 1 2 1 被动悬浮 无轴承永磁薄片电机的示意图如图1 1 ( b ) 所示。该电机是在利用无轴承技术 1 7 1 9 实现 转子径向悬浮的基础上，依靠磁阻力实现被动悬浮。 输入 ( a ) 密封泵示意图 口 ( b ) 电机本体示意图 图1 1 无轴承永磁薄片电机示意图 图1 2 ( a ) 表示当转子发生轴向偏移时，磁阻力总是作用于转子使其向磁阻最小的位置运 基于d s p 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究 动。同理，图1 2 ( b ) 表示当转子发生扭转时，磁阻力会作用丁二转子，使之回到平衡位置。图 中箭头表示转子在轴向和扭转方向发生偏移时磁阻力的作用方向。由此可知无轴承永磁薄片电 机转子在轴向和扭转方向这三个自由度上受磁阻力约束，无需对其进行控制即可被动地悬浮于 平衡位置，因此称为被动悬浮。 ff f z ( a ) 轴向移动( b ) 扭转 图1 2 无轴承永磁薄片电机被动悬浮原理图 1 2 2 主动悬浮 设图1 3 中l 对极磁场为电机中的原有磁场，2 对极磁场为悬浮绕组产生的悬浮磁场。当两个 磁场叠加后，气隙中磁场分布的对称性被打破，如图1 3 ( a ) 所示，转子左侧气隙中的气隙磁 场被削弱，而右侧气隙磁场被增强，根据麦克斯韦定理可知，可以产生一作用于转子上向右的 径向悬浮力。同理，图1 3 ( b ) 中上部气隙磁场被增强，下部气隙磁场被削弱，可以产生一向 上的径向悬浮力。根据转子的偏心情况，通过控制悬浮磁场的强度和相对位置以改变气隙中磁 场的分布，从而产生所需要的悬浮力，可以实现转子稳定悬浮 2 0 ，3 9 。 ( a ) x 方向力的产生 ( b ) y 方向力的产生 图1 3 径向悬浮力产生原理图 1 3 无轴承永磁薄片电机的研究现状 高速电机具有功率密度大、几何尺寸小的特点，可以有效地节约材料，并且转动惯量较小， 动态响应也较快。由于无轴承薄片电机不存在机械摩擦，同时其扁平的结构不存在传动轴扰动 的问题，因此容易实现高转速，使得无轴承永磁薄片电机在高速离心机、医疗血泵、纯净泵、 2 南京航空航天大学硕士学位论文 高速风机上的应用成为可能。 上世纪末以来，发达国家竞相开展对无轴承薄片电机的研究，其典型代表是：瑞士联邦工 业学院( e t h ) 和东京理工大学( s c i e n c eu n i v e r s i t yo ft o k y o ) 2 - 9 。韩国的s e u n g j o n gk i m 和日本的k e i s u k ea b e 等人提出了一种洛仑兹力型的两对极无轴承永磁薄片电机，最高转速达 1 2 6 0 0 r m i n 2 1 。瑞士学者主要研究集中式绕组表贴式无轴承薄片电机 2 2 2 8 ，最大功率可达 到4 k w 2 4 ，最高转速的无轴承薄片电机可以达到4 2 0 0 0r p m 2 5 。 国内，无轴承永磁薄片电机还是一个新兴课题，目前有江苏大学、南京航空航天大学、西 安交通大学、上海交通大学、沈阳工业大学等高校在开展这方面的研究，其中南京航空航天大 学高速电机研究室于2 0 0 4 年研制成功了双绕组结构的无轴承永磁薄片电机，实现了电机的五自 由度全悬浮与旋转，并在2 0 0 8 年，转速最高达至u1 5 0 0 0 r p m 。无轴承薄片电机离心泵系统于2 0 0 8 年6 月获得2 0 0 8 t i c 2 0 0 0 大奖赛特等奖和2 0 0 8 年德州仪器大陆一台湾两岸d s p 大奖赛邀请赛特等 奖。此外，南京航空航天大学高速电机实验室提出了一种单绕组结构的无轴承永磁薄片电机， 首次实现了6 齿l 对极电机在任一齿断路情况下的容错运行，最高转速达至t j 4 0 0 0 r p m ，并设计了 一台3 对极结构的无轴承交替极薄片电机，成功实现7 6 0 0 0 r p m 稳定悬浮。 1 4 本文的研究意义及研究内容 1 4 1 本文的研究意义 无轴承薄片电机系统由电机本体与数字控制两部分构成，为提高电机的转速，一方面要在 电机设计上有所突破，另一方面也要在控制上有所创新。在电机的设计方面，随着转速的升高， 电机的稳定性成为研究的主要问题。在数字控制方面，随转速的升高，对控制器运算速度的要 求也越来越高，控制器系统的综合设计也显得尤为重要。本文对无轴承薄片电机进行深入和系 统地研究，以迸一步完善无轴承薄片电机的相关理论与技术，推动该电机的实用化进程。 ( 1 ) 电机本体的研究 无轴承薄片电机径向采用的是主动闭环控制，因此在径向上负载能力较强，而在轴向和扭 转方向上，利用的是电机自身的磁拉力，负载能力弱。由于这种被动悬浮模式，在高速旋转时， 定子的姿态若发生突变，系统容易失稳。以作为人工心脏血泵的电机系统为例，患者的运动( 如 弯腰) 使转子的转轴大幅度偏转，在此种情况下依靠磁阻力是否能保证系统轴向的稳定性，以 及满足何种条件能够使系统稳定，对系统工作的可靠性至关重要。由于被动悬浮性能分析无法 直接通过2 d 电磁场仿真获得，因此本文采用a n s y sw o r k b e n c h 实现对被动悬浮性能3 d 有限元 电磁场仿真。 文献 2 9 采用二维仿真对无轴承电机转子进行了优化；文献 3 0 指出永磁体厚度决定了无 轴承电机的转矩特性和悬浮特性。但没有具体文献研究合适的电机尺寸、最优长径比来为实践 3 基于d s p 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究 提供参考。 此外，转子动力学设计是旋转机械设计的重要内容，不论电机转子做的多么精确，转子的 质量中心和回转中心总会有一定的偏差，使转子产生周期性的离心干扰力。该力使得转子产生 振动甚至引起涡动，这将引起气隙中的径向电磁力分布不均匀，使得转子的偏心进一步增加， 转子振动的幅度进一步加大。当转子转速与转子临界转速接近时，转子剧烈震动，引起整个机 组振动，所以对永磁转子的临界转速计算也显得更加重要。国内很多学者对普通轴承的转子动 态性能进行了研究，但对无轴承薄片电机的转子动力学分析很少。 ( 2 ) t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 数字控制系统的实现 由于定点t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 执行速度及其片内外资源有限，在使用一些先进的控制算法时， 系统的实时性和系统精度很难保证。因此，为了更好的完成无轴承永磁薄片电机控制系统升级 工作，在相关理论和技术成熟的情况下，本课题选用数据处理功能极强的专用于控制方面的3 2 位浮点t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 处理器作为控制系统的核心，配置适当的外围接口电路，组成全数字控 制系统。 文献 3 1 研究基于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 芯片的有源滤波，文献 3 2 致力基于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 芯片 的电力通信系统的研究，文献 3 3 将t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 用在控制雕刻和铣床上，但将其应用在无 轴承电机控制系统，目前国内外并无相关文献报道。 ( 3 ) 基于m a t l a b 实现t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 软件开发 m a t l a b 作为一种有效的信号处理工具，已经渗透至u d s p 的设计当中。现在如将一个新的数 字信号处理算法应用于实际之前，一般是先用m a t l a b 进行模拟验证，当模拟结果满意时再把算 法修改成c 或汇编语言通过c c s 在目标d s p 上实现，并比较实际应用与模拟的结果以发现误 差，如此反复进行。本文通过m a t l a b 建立算法模型，直接生成d s p 可执行运行代码。m a t l a b 与 d s p 的联合开发，缩短了软件开发时间，提高了代码可靠性，降低了开发人员对d s p 方面硬件 知识的要求。文献 3 4 研究了m a t l a b 与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的在线仿真，文献 3 5 研究了基于 m a t l a b 的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的调试方法。针对t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的在线仿真实验，目前无相关报道。 1 4 2 本文的研究内容 本论文针对无轴承永磁薄片电机的数字控制和本体结构进行了研究，建立了无轴承永磁薄 片电机三维模型，分析了被动力悬浮特性以及转子动力学特性，设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 无 轴承薄片电机的数字控制平台，实现了无轴承永磁薄片电机的稳定悬浮运行实验。论文主要工 作包括： 第一章：主要介绍了无轴承永磁薄片电机的特点、应用领域，以及国内外研究现状和应用 前景，并对本文主要的研究意义和工作内容进行了概括。 第二章：采用电磁场有限元软件a n s y sw o r k b e n c h 建立无轴承永磁薄片电机的三维模型， 4 南京航空航天大学硕士学位论文 分析了无轴承永磁薄片电机被动悬浮特性。并在此基础上研究了该电机转子的动力学特性，为 后续研究奠定了基础。 第三章：设计了一套基于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统，详细介绍 了该系统外围电路的设计，其中包括：信号调理、转角检测、电流检测、悬浮位移检测、d a 等，并总结了无轴承永磁薄片电机系统综合调试经验。 第四章：在介绍l e m b e d d e di d el i n kc 、t a r g e ts u p p o r tp a c k a g et c 2 c 的基础上，详细介绍 了m a t l a b 系统开发d s p 软件的方法，并采用s i m u l i n k 搭建了无轴承永磁薄片电机的控制系统算法 模型，对转角测量算法和转速测量算法进行了仿真验证。文中通过实验实现了一台无轴承永磁 薄片电机的稳定悬浮旋转，验证了该d s p 软件方案的可行性和有效性，为以后的系统软件开发 奠定了良好的基础和平台。 第五章：全文总结与展望，对本文研究的工作进行了总结，并指出了需要进一步研究的工 作内容。 5 基于d s p 2 8 3 3 5 的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究 第二章无轴承薄片电机被动悬浮力特性和转子动力学的研究 本章利用a n s y sw o r k b e n c h 电磁场有限元仿真分析模块搭建了无轴承永磁薄片电机的三 维模型，针对平行充磁等厚永磁体，给出了三维模型设计方案，详细分析了转子发生轴向移动 或扭转时，电机尺寸的变化对轴向磁拉力和回复力矩的影响，总结无轴承永磁薄片电机被动悬 浮特有的性质，并在此基础上研究了该电机转子的动力学特性，为后续研究奠定了基础。 2 1 有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 简介 a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t 作为新一代多物理场仿真环境，其独特的构架和众多支撑 性模块为多场耦合分析提供了非常优秀的系统解决方案。a n s y sw o r k b e n c h 有限元仿真分析采 用的方法( 单元类型、求解器、结果处理方式等) 与a n s y s 经典界面是一样的，只不过w o r k b e n c h 采用了更加工程化的方式，它所包含的3 个主要模块：几何建模模块( d e s i g nm o d e l e r ) 、有限 元分析模块( d e s i g ns i m u l a t i o n ) 和优化设计模块( d e s i g nx p l o r e r ) 将设计、仿真、优化集成 于一体 3 6 3 。 为了分析无轴承永磁薄片电机被动悬浮力特性，其仿真分析步骤为：创建参数化的有限元 模型、义材料属性、配材料属性、分网格、加载荷设定约束条件并求解。 ( 1 ) 确定建模方法 a n s y sw o r k b e n c h 系统提供了4 种创建模型的方法：实体建模法、直接建模法、输入在 c a d 系统中创建的实体模型、输入在c a d 系统中创建的有限元模型 2 7 。实体建模能够直接 和模型的几何特性打交道，无需关注有限元模型的特定几何特性，如节点、单元。a n s y s 系统 把有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行，减少了模型生成的 困难。在实体模型建立完成后，可以验证输入数据的正确性。实体几何模型并不参与有限元分 析，必须进行网格划分生成有限元模型，所有施加在几何实体边界上的荷载或约束必须最终传 递到有限元模型上( 节点或单元上) 进行求解。使用实体建模可以减少需要处理的数据，并