（电力电子与电力传动专业论文）无轴承异步电机基本控制策略研究与实现.pdf

无轴承异步电机基本控制策略研究与实现 a b s t r a c t + t h ei n t e r e s ti nu l t r a - s p e e dm o t o r sa n dg e n e r a t o r si ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n si si n c r e a s i n g r e c e n t l y b e a r i n g t e s sm o t o r s ，w h i c hc o m b i n em a g n e t i cl e v i t a t i o nb e a r i n g sw i t ht h ed r i v e w i n d i n g ，h a v et h ea d v a n t a g e so f n oa b r a s i o n ，n ol u b r i c a t i o na n dn op a r t i c l eg e n e r a t i o n c a u s e db yb e a r i n g s f u r t h e r m o r e ，i nc o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a lm a g n e t i cb e a r i n g m o t o r s ，t h ea x i a ll e n g t ho ft h er o t o ri sd e c r e a s e d ，w h i c hr e s u l t si ni n c r e a s e df r e q u e n c yo f t h em e c h a n i c a ln a t u r a lv i b r a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ee f f i c i e n c yc a nb ei n c r e a s e db e c a u s et h e m a g n e t i cf l u xo f t h em o t o rc a n b e p a r t l yu s e d f o rl e v i t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h em a i nt h e o r yo fb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r si n c l u d i n g m a t h e m a t i c a l m o d e l s ，f l u x f i e l do r i e n t e dv e c t o r c o n t r o l l e r s ，i n d e p e n d e n t c o n t r o lo f l e v i t a t i o n s u b s y s t e m ，m a g n e t i c f l u x d e t e c t i n g w i t hs e a r c h c o i l s ，t h e i n f l u e n c ea n d c o m p e n s a t i o no fl e v i t a t i o n c o n t r o l l e d c o u p l i n g ，a n dd e s i g n o fd i g i t a lc o n t r o l s y s t e m s u c c e s s f u ll e v i t a t i o no p e r a t i o n sa r er e a l i z e db a s e do nd i v e r s ec o n t r o ls t r a t e g i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o rw i t h r o t o re c c e n t r i c i t ya r ea n a l y z e d i n d u c t a n c em a t r i c e so f s q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o r sa r e d e r i v e di nd e t a i l t h ee q u a t i o n so fa x i a lt o r q u ea n dr a d i a lf o r c e sa r ed e r i v e df r o mt h e s t o r e dm a g n e t i ce n e r g y i no r d e rt or e a l i z et h e d e c o u p l i n g c o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e a n dr a d i a l l e v i t a t i o nf o r c eo f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r s ，t h ea i r g a pf l u x o r i e n t e dc o n t r o l l e rf o rt h e d r i v ec o n t r o ls y s t e mi su t i l i z e d h o w e v e r , i nt h ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e do na i r - g a pf l u x o r i e n t a t i o no fd r i v ew i n d i n g ，t h e r ea r em a n yl i m i t a t i o n ss u c ha s g r e a ta m o u n tc o n t r o l c o m p u t a t i o n ，i n h e r e n tp u l l o u tt o r q u ea n dd i f f i c u l t y i nr e a l i z i n gt h ea d a p t i v ec o n t r 0 1 i n t h a tc a s e ，an o n l i n e a rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nr o t o rf l u xo r i e n t a t i o no fm o t o r w i n d i n g i s p r o p o s e d w i t ht h i sc o n t r o lm e t h o d ，t h es p e e dr e g u l a t i o np e r f o r m a n c ea n df l e x i b i l i t yi n u s a g ec a nb ei m p r o v e d t h es t a b l e l e v i t a t i o nc a na l s ob ea s s u r e db e c a u s et h en e e d e d i n f o r m a t i o na b o u tt h e a i r - g a pm a g n e t i c f l u xo fd r i v e w i n d i n gi n t h er a d i a ll e v i t a t i o n c o n t r o l l e rc a nb eo b t a i n e db y s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n t h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lb e t w e e nt h e1 e v i t a t i o na n dd r i v es u b s y s t e mi sa ne f f e c t i v e + a c k n o w l e d g et h eg r a n t so f n a t i u n a i n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( 5 9 9 7 7 0 0 9 ，5 0 3 7 7 0 1 2 ) ， n a t i o n a ld e f e n s ef o u n d a t i o n a ls c i e n c er e s e a r c ho f c h i n a ( k 1 6 0 0 0 6 0 6 0 3 ) ，a e r o n a u t i c a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( 9 9 f 5 2 0 4 4 ) a n d d e l t ae l e c t r i c e l e c t r o n i c ss c i e n c e e d u c a t i o n d e v e l o p m e n t f o u n d a t i o n i i 南京航空航天大学博士学位论文 w a yf o rb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r si nu l t r a s p e e do p e r a t i o n t h el e v i t a t i o ns u b s y s t e mi s c o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l yf r o md r i v ec o n t r o ls u b s y s t e mb a s e do nm a g n e t i cf l u xd e t e c t i n g w i t hs e a r c hc o i l so r v o l t a g e - m o d e lm e t h o di d e n t i f i e d f u r t h e r m o r e ，t h r e em e t h o d so f d e t e c t i n gt h ef l u xd e n s k i e so fb o t ht h ed r i v ew i n d i n g a n dl e v i t a t i o nw i n d i n gw i t hs e a r c h c o i l sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ：e v e n l yd i s t r i b u t e dp o s i t i o nm e t h o d ，t y p i c a lp o s i t i o nm e t h o d a n da n a l y t i cm e t h o d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d s t h ee f f e c to f d e l a y b e t w e e nt h ea c t u a lr a d i a la i b g a pf l u xa n dc o m m a n d a i r - g a pf l u xi s a n a l y z e d o n e o f t h em e t h o d st oc o m p e n s a t et h ep h a s e d e l a y ，w h i c hi sc a u s e db yr o t o r c u r r e n to f t h el e v i t a t i o nw i n d i n go rd i g i t a lf i l t e r , i st oa d j u s tt h ep a r a m e t e r so f t h ep i d c o n t r o l l e r so rd i r e c tc o m p e n s a t o r t h ea i r - g a pf l u xf e e d b a c kt r a c k e ro ft h el e v i t a t i o n w i n d i n gi sp r o p o s e d t oe l i m i n a t ec o u p l i n go fl e v i t a t i o nc o n t r o lc a u s e db y n e g l e c t i n gr o t o r c u r r e n to ft h el e v i t a t i o nw i n d i n g ad i g i t a lc o n t r o l s y s t e m f o rr e a l - t i m ec o n t r o li s d e s i g n e d o nd o u b l e - d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 a ) m o r e o v e r , t h em a i nd e s i g ns c h e m e so ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r e i n t r o d u c e di nd e t a i l t e s tr e s u l t si nap r o t o t y p em o t o rv a l i d a t et h ep e r f o r m a n c ee f f i c i e n c y o f t h ep r o p o s e dc o n t r o l l e ri ns t e a d ys t a t e ，a sw e l la st r a n s i e n ts t a t e 。 k e y w o r d s ：m a g n e t i cl e v i t a t i o n ，b e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o r , f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ， i n d e p e n d e n t c o n t r o lo fl e v i t a t i o n s u b s y s t e m ，m a g n e t i c f l u x d e t e c t i n g ， d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 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：兰塑趁冬 日期： 21 1 生! 丛塑 无轴承异步电机基本控制策略研究与实现 符号名称 b ( 识f )定转子同轴时气隙磁密 主要符号说明 页 码 18 曜( 妒，f ) 转子偏心时屯机气隙磁密 1 9 b l d ，岛。转矩控制绕组在由轴上的气隙 2 0 磁密分量 b l 。 转矩控伟4 绕组气隙磁密幅值 1 8 口最口转矩控制绕组在即轴上的气隙 4 2 磁密分量 符号名称 户2 j 悬浮控制绕组气隙磁势 可控悬浮力 麦克斯韦合力 转矩控制绕组气隙磁势 悬浮控制绕组气隙磁势 b 2 d ，口2 q 悬浮控制绕组在由轴上的气隙 2 0 厶。， 转矩控制绕组定子磁贽 磁密分量 b 2 m 占2 口，占2 口 87 b c 3 3 “ 也一 一l ，1 ， ， 悬浮控制绕组气隙磁密幅值 1 8 悬浮控制绕组在叩轴上的气隙 4 2 磁密分最 定子齿平均磁密 4 1 法向磁感应强度 1 7 三相，两相旋转坐标变换矩阵 1 4 转矩控制绕组气隙感应电动势 2 7 转矩控制绕组气隙磁势幅值 1 8 转矩控制绕组定子磁贽 1 0 转矩控制绕组转子磁势 1 0 。， 口 转矩控制绕组产生的固有磁拉 1 9 力 扁j 转矩控制绕组气隙磁势 1 0 疋。 疋； 疋， 悬浮控制绕组气隙磁势幅值 悬浮控甫q 绕组定子磁势 悬浮控制绕组转子磁势 局。，尼口 悬浮控制绕组产生的固有磁拉 妃 v 1 8 1 0 【0 1 9 g o g c h i ，1 或j ，2 或，2 ，2 ， 转矩控制绕组基波磁势矩阵 1 2 单位弧度内气隙磁导卒 ii 定转子同轴时气隙均匀宽度 转子偏心时气隙宽度 l l 切向磁场强度 1 7 转矩控制绕组励磁电流 18 悬浮控制绕组励磁电流 1 8 悬浮控制绕组定子电流 5 6 正弦电流峰值 1 2 转矩控制绕组在由轴上的励 1 6 磁电流分最 转矩控制绕组在出轴上的定 15 子电流分量 转矩控制绕组在出轴上的转 l5 子电流分量 转矩控制绕组在础轴上的定4 8 予电流分量 悬浮控制绕组在由轴上的励 1 6 磁电流分量 悬浮控制绕组在幽轴上的定 15 于电流分量 页码m 加 伸 懈 他 他 而 啪肭 慨劬 尽 正 期 舢 加 m 砌 脚 恸 嘶 南京航空航天大学博士学位论文 ，2 村，1 2 r q k k k 。 k i 口，k i 口日 k ，kl 鼯 k “，k 丘2 口，k 2 口 l ，“ 工4 口c 砖翟 “y 旷 茹a b w c l 口，l 口 l 1 、， 悬浮控制绕组在由轴上的转子 15 h l转矩控制绕组同步旋转速度 l o 电流分量 电机转动惯量 2 5 ”2 悬_ ； 孚控制绕组同步旋转速度 1 0 探测线圈个数41 悬浮控制绕组定子电流与励磁 5 7 电流幅值之比 滤波器导致的悬浮力幅值变化 5 9 系数 转矩控制绕组同有磁拉力的力一 1 9 位移刚度 悬浮控制绕组在出轴的力一电 2 0 流削度 悬浮控制绕组同有磁拉力的力一 1 9 位移刚度 幽坐标系中转矩控制绕组自感 15 由坐标系中悬浮控制绕组自感 1 5 转矩控制绕组a 相定子绕组自 1 2 感系数 转矩控制绕组自感系数矩阵 1 1 转矩控制绕组与悬浮控制绕组 11 之间的互感系数矩阵 悬浮控制绕组自感系数矩阵 转矩控制绕组与悬浮控制绕组 1 1 之间的互感系数矩阵 由坐标系中转矩控制绕组与悬 1 5 浮控制绕组间的互感 转矩控制绕组定子漏感 2 3 转矩控4 绕组转子漏感 2 3 转于轴向有效长度 1 1 n 每个搽测线圈匝数 n i a ，n i b ，转矩控制绕组_ 二三相定子绕组 n 1 c n ，n l n悬浮控制绕组三相定子绕组 9 n i i r t t ( 吐) ，)转予旋转( 角) 速度 1 0 p l p 2 尺 转矩控制绕纽极对数 悬浮控制绕组极对数 转子半释 9 9 转矩控制绕组转子电阻 2 3 转矩控制绕组定子电阻 2 3 悬浮控制绕组铁耗等值电阻 5 6 悬浮控制绕组转子等效电阻 5 6 定子齿截面积 悬浮控制绕组转蔗牢 数字控制系统控制周期 电磁转矩 最大电磁转矩 负载转矩 转矩控制绕组在出轴上的定 2 3 子电压分量 转矩控制绕组在幽轴上的转2 3 子电压分最 转矩控制绕组在础轴上的定4 8 子电压分量 探测线圈感应电动势 4 l 与气隙磁链密县。，且口相对4 6 应的感应电动势 与气隙磁链密口2 。，b 2 d 相对4 6 应的感应电动势 引 m 记 ” 巧 呵 _ 印 姒 “ 札 礼 也只 屯r t 死 无轴承异步电机基本控制策略研究与实现 彬 叱， x 2 转矩控制绕组每相串联哑数 悬浮控制绕组每相串联匝数 轴承异步电机内磁场储能 悬浮控制绕组励磁电抗 z 0 。悬浮控制绕组等效漏电抗 口，口转子径向位移 e转矩控制绕组气隙磁链 p 】。转矩控制绕组在由轴上的气隙t 6 磁链分量 p l “，h 。转矩控制绕组在由轴上的定子1 5 磁链分量 掣l s j p l t l 转矩控制绕组定子磁链 转矩控制绕组定子漏磁链 4 8 4 8 p 1 “，。转矩控制绕组在由轴上的转子1 5 磁链分星 p ，p l “转矩控制绕组在筇轴上的定子4 8 磁链分最 少p 。8转矩控制绕组在筇轴上的气隙4 0 磁链分量 p 2悬浮控制绕组气隙磁链 18 p 2 d ，p 2 。悬浮控制绕组在幽轴上的气隙1 6 磁链分嚣 f ：一，p z 一惹鋈募掣绕组在由轴上的转子1 5 擎z p z w 惹罨募耋绕组在由轱上的定子 ，转矩控制绕组同步旋转角速度 1 2 叫，转矩控制绕组转差角速度 1 5 。2 悬浮控制绕组同步旋转角速度 1 2 吐。悬浮控制绕组转差角速度 1 5 ，非完全积分截止频率 4 2 x 芦0 h 口： 高通滤波环节截止频率 4 2 虽大电磁转矩时电机转速 2 7 转子旋转角度 1 2 转矩控制绕组气隙磁链与d 5 7 轴夹角 d 轴与定子a 相轴线的夹角 2 3 d 轴与转子口柏轴线的夹角 2 3 悬浮控制绕组励磁电流与定 5 7 子电流之问的夹角 滤波器导致的悬浮力偏差角 5 9 探测线圈所在空问位置角 4 2 控制系统延迟导致的悬浮力 5 8 偏差角 由转矩控制绕组气隙磁势指 1 8 向其定子磁势的夹角 由悬浮控制绕组气隙磁势指 l8 向其定子磁势的夹角 定于空川上机械角度 转矩控制绕组转子h , y f n q 常数 2 5 转矩控制绕组转子漏感常数 2 5 计算延迟时间 5 7 输入延迟时间 5 7 输出延时时间 5 7 气隙磁导率 铁芯磁导率 挚位面秘麦兜斯韦力 1 1 1 7 1 7 岛钆以 乃 g 以 p 他 n m 硒 他 南京航空航天大学博士学位论文 1 1 无轴承电机研究背景 第l 章绪论 随着现代化工业技术的发展，高速和超高速电机被广泛运用于高速机床，涡轮分 子泵，离心机，压缩机，飞轮储能以及航空航天等领域。然而转子高速运行时机械轴 承带来的摩擦阻力增加，磨损加剧，造成电机发热，不仅降低电机工作效率，缩短电 机和轴承使用寿命，也增加了对电机和轴承维护的负担。磁轴承具有无磨损、无润滑、 无机械噪声、寿命长等优点，从根本上改变了传统的支承形式，因而在近三十年来得 到了迅速的发展和完善。但是由于磁轴承本身占有一定的轴向空间( 图11a ) ，因此 存在着转子刚度小、临界转速低等问题，限制了其临界转速和输出功率，同时也影响 到高速电机的微型化。 无轴承电机( b e a r i n g l e s sm o t o r s ) 是8 0 年代末发展起来的一种集驱动与悬浮于一 体的新型磁悬浮电机。一方面，它继承了传统磁轴承电机无润滑、无磨损、无机械噪 声等特点，可以用于真空技术、无菌车间或超纯净介质的传输等生化医学领域，如心 脏血泵、涡轮分子泵、离心干燥机等。另一方面，由于利用磁轴承与电机结构相似性， 将悬浮控制绕组和转矩控制绕组一起叠绕在电机定子内部，悬浮力产生是以转矩控制 绕组的旋转磁场为偏置磁场，因此与传统磁轴承电机相比，在空间利用率、电磁效率 等方面均有所提高l i 】( 见图1 1 ) 。特别适用于高速飞轮储能系统、飞机启动发电系统、 飞机环境控制系统和电子设备高效冷却系统等大功率、微小型、超高速领域，对能源 交通、航空航天事业的发展具有重要意义。 单个无轴承电机一般只能约束转子沿径向方向的二个自由度，要实现转子稳定悬 浮，需在五个自由度上施加约束。因此，无轴承电机系统除了采用图1 1 ( b ) 的结 构形式( 轴向径向混合磁轴承+ 无轴承电机) 外，还有图1 1 ( c ) 的结构形式( 无轴 承电机+ 轴向磁轴承+ 无轴承电机) ，以及图1 ，1 ( d ) 所示的薄片状无轴承电机。其中 薄片状无轴承电机是一种转子轴向长度与其直径相比很小的特殊电机，它只需要主动 控制两自由度的径向位移即可同时实现转子轴向和扭转方向上的被动悬浮。 与传统磁轴承电机系统相比，无轴承电机系统具有以下几个特点： ( 1 )电机结构紧凑。在相同输出和相同外形尺寸的情况下，轴向长度可以缩 短，其临界转速较高，可抑制共振现象，易于实现更高转速： ( 2 ) 轴向利用率和转轴刚度显著提高。特别是图1 1 ( c ) 的无轴承电机采用 成对支承驱动，不仅使输出转矩加大，而且转轴受到的扭转剪切内应力对称且很小， 大大提高了转轴的强度和使用寿命； 无轴承异步电机基本控制策略研究与实现 径向磁轴承轴向磁轴承电机径向磁轴承 径向轴向磁轴承无轴承电机 ( a ) 传统磁轴承电机系统( b ) 无轴承电机系统i 无轴承电机 轴向磁轴承 无轴承电机 ( c ) 无轴承电机系统i i( d ) 薄片状无轴承电机 图1 ，1 磁悬浮电机系统的典型结构类型 ( 3 )结构部件个数减少，用于悬浮控制的功率电路减少。每套径向磁轴承需 要4 路功率放大器，而每个无轴承电机悬浮控制只需一组三相逆变器，且便于模块化； ( 4 )悬浮系统功耗比小。对无轴承电机而言，不再需要传统磁轴承中的直流 励磁电流，悬浮力的产生是基于电机旋转磁场，悬浮控制系统的功耗减小； ( 5 )无轴承电机是一个复杂的多变量、强耦合、非线性系统，悬浮机理决定 了输出转矩与悬浮力之间存在着耦合，其控制策略研究是整个系统中的重点和难点。 1 2 无轴承电机发展概况 “无轴承电机”的概念最初是由r b o s c h 于八十年代末提出来的，意指“具有 自悬浮功能的电机”1 2 j 。但早在七十年代初，英国学者p k h e r m a n n 就提出了一种由 p 极对数绕组n p - a ：1 极对数绕组相结合的双定子绕组结构，使其在电机中既可以产生旋 转力又能产生径向支撑力【3 i ”。然而就当时条件而言，实现这种具有自悬浮功能的驱 动装置几乎是不可想象的。随着电力电子技术、高性能的数字信号处理器和高精密传 感器技术的发展，直到1 9 9 0 年，第一台无轴承原理样机由瑞士联邦工学院( e n ) 学 2 南京航空航天大学博士学位论文 者j b i c h s e l 实现了同步电机的无轴承技术之后【5 】，无轴承电机技术才受到了国内外众 多专家学者的广泛关注。其中国外主要有瑞士联邦工学院( e t h ) 的r s c h 6 b ，日本茨城 大学( i b a r a k iu n i v e r s i t y ) 的yo k a d a ，东京工学院( t o k y oi n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 的 t f u k a o 和t m a s a t s u g u ，东京理工大学( s c i e n c eu n i v e r s i t yo f t o k y o ) 的a c h i b a ，奥 地利林兹大学( u n i v e r s i t yo f l i n z ) 以及美国肯塔基州大学( u n i v e r s i t yo f k e n t u c k y ) 等研究机构和学者。其中在瑞士l e v i t r o n i x g m b h 公司与其他研究机构的共同合作下， 已经有部分产品实现了系列化、商品化【6 j 。国内有南京航空航天大学、西安交通大学、 江苏大学、浙江大学、沈阳工业大学等数家单位也开展了这项研究，并得到国家自然 科学基金委和国防科工委等有关部门的大力支持。 目前，在国际电工学科通常将无轴承电机技术归类为磁轴承技术一类1 9 8 8 年在 瑞士苏黎世召开了第一届国际“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 n m a g n e t i c b e a r i n g s ) ”，此后每两年召开一次。美国航空航天局分别在1 9 8 8 年2 月召开了一次“磁 悬浮技术专题研讨会( 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 召开“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 fm 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。随后从1 9 9 1 年起，在上下两届国际“磁悬浮轴承会议” 的中间一年，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 m o nm a g n e t i c t e c h n o l o g y ) ”，也是每两年召开一次。最近一次的国际会议是今年8 月3 日一6 日在美国 肯塔基州大学( u n i v e r s i t yo f k e n t u c k y ) 召开的第9 届国际“磁悬浮轴承会议”。 从电机结构上看，无轴承悬浮技术研究主要集中在鼠笼式异步、永磁同步以及开 关磁阻等类型的无轴承交流电机【6 】q ”】。其中无轴承异步电机具有结构简单、可靠性 高、易于弱磁以及能够产生较大悬浮力等特点，是研究最早、最多的类型之一。由于 最初的原理样机都是非常简单的集中式绕组，因此转矩控制绕组采用的控制策略也多 为简单的正弦电流直接驱动【1 2 h 1 4 】。为实现转矩与悬浮力之间的解耦控制。矢量控制 技术很快就被引入到无轴承异步电机控制中，即转矩控制绕组采用转子磁场定向实现 转矩控制【1 5 】【1 6 1 。然而这种方法在悬浮控制中是以转矩控制绕组转子磁链近似替代气 隙磁链，悬浮性能受到影响。因而又提出基于气隙磁场定向的无轴承控制技术，不仅 实现了转矩和悬浮力间的解耦控制，而且实现了无轴承电机动态时的稳定悬浮1 1 8 1 2 0 1 。 另一方面，由于悬浮控制绕组在鼠笼式转子上有感应电流产生，造成实际悬浮控制力 给定值幅值减小、相位滞后问题1 2 ”。虽然在径向位移控制器中采用了相位滞后补偿器 可以实现鼠笼式无轴承异步电机的稳定悬浮田1 。但这种方法比较适用于静态补偿，而 当无轴承异步电机负载或转速变化时，补偿器参数设计仍是个难点。因而又提出了利 用磁链检测的方法实现磁场闭环控制 2 3 1 。也可以在转子结构设计上作改进，使得转子 上只存在转矩控制绕组感应电流 2 4 】【”1 。这种方案在磁链变化的时候具有明显的优势， 无轴承异步电机基本控制策略研究与实现 而且控制器简单，但其转子结构相当复杂，缺乏实用性。此外，无轴承电机悬浮控制 绕组在极对数比转矩控制绕组极对数多1 的特定条件下，工作在发电状态，具有悬浮 功耗小的特点。因此悬浮控制绕组可以采用自供电技术，其有效电能由白激发电获得， 从而实现无轴承电机的单电源供电，有利于无轴承电机的集成化 2 6 j 叫”】。 无轴承永磁电机具有体积小、重量轻、损耗小、功率密度大、效率高等显著优点， 而且永磁体转子上无感应电流产生，使得悬浮控制与转矩控制之间是独立的，也就不 存在悬浮力幅值减小和相位滞后问题，因而永磁同步电机无轴承技术得到了广泛研究 3 。j 1 3 7 。主要工作集中在对无轴承永磁同步电机数学模型、控制系统设计以及电机 参数设计等方面进行分析和验证。针对无轴承永磁电机不足：弱磁能力差，可控悬浮 力小，难以实现高转速运转，文献 3 8 卜【4 0 对无轴承永磁同步电机结构进行优化设计， 特别是在永磁体厚度选取以及悬浮特性等方面都有详细深入的研究，并提出无轴承永 磁电机采用埋入式转子，可以解决表面贴装式永磁电机改变磁密能力弱、可控悬浮力 小的问题，提高了悬浮控制性能。也可以在永磁体转子两端附加一套转子铁芯，以此 提高转矩和悬浮力 4 q 4 2 。文献 4 3 1 还从理论上分析了转矩控制绕组交轴电流和径向控 制绕组电流的去磁效应，通过建立永磁体厚度和两套绕组匝数之间的关系，确定了永 磁体大小和电流范围。此外，还有一种利用洛仑兹力作为悬浮力的新型永磁电机，由 于转子上具有较厚的永磁体咀及特殊的电机结构，很好地克服了永磁体容易退磁的缺 点，且具有很好的容错能力，是目前无轴承电机研究的一个热点【4 8 】。 开关磁阻电机结构极为简单，制造和维护方便，容错能力强，鲁棒性好，适用于 高温等恶劣环境中。将无轴承技术应用到开关磁阻电机上不仅拓展了无轴承电机的理 论和应用范围，充分发挥了开关磁阻电机自身的高速适应性，也因为实现了对转子径 向位置的控制，有望改善因不对称磁拉力造成的振动和噪声问题。由于无轴承开关磁 阻电机的研究起步比无轴承永磁电机、无轴承异步电机晚，直到9 0 年代末才有比较 系统的研究成果公开发表f 4 9 】_ ”j 。文献 4 9 5 0 1 中由于没有考虑转矩与径向力控制之间 耦合关系，忽略了悬浮控制绕组对转矩控制的影响，且转矩控制绕组电流方波信号的 开通角和脉宽固定，因此无法实现空载下的稳定悬浮控制。为此，在新控制方案中考 虑了悬浮控制绕组对转矩的影响，并且以平均转矩为控制对象，而非瞬时转矩，因而 实现了开关磁阻电机空载条件下的稳定悬浮控制口”。文献【5 3 5 4 】还分析了悬浮力在 径向位置上的耦合关系，在考虑交叉磁通和边缘磁通效应的情况下，进一步完善了悬 浮力数学模型，解决了悬浮控制耦合问题。 无轴承电机通过改变气隙中磁场分布实现了悬浮控制，因此无论是转矩负载增 加，还是悬浮负载加大，都可能导致磁路出现饱和。文献 5 5 卜 6 2 根据悬浮控制力与 转矩控制绕组电流、悬浮控制绕组电流之间的关系，分析了磁饱和对悬浮特性的影响， 南京航空航天大学博士学位论文 并提出根据磁饱和情况调节耦合补偿器或改进电机结构及其控制器的方案柬解决磁 饱和对悬浮特性的影响。 与传统磁轴承电机一样，价格不菲的位移传感器同样是无轴承电机硬件成本昂贵 的一个主要原因。因此提出基于自感变化f 6 3 】【6 4 】或互感变化【6 5 的无传感器位置检测技 术。此外，还可以利用附加在定子齿上的探测线圈测量悬浮控制绕组磁链、转矩控制 绕组磁链、悬浮力以及转速，并通过测量结果中的速度反馈，从理论和实验中证明其 提高径向位置响应和阻尼的有效性，以及利用反馈环节在悬浮系统中的应用来验证探 测算法的有效性【6 6 l 【6 9 j 。 1 3 无轴承电机研究方向 就目前无轴承电机研究现状来看，主要集中在基础理论分析和实验样机研制阶 段，离实用化有一定的距离，以下几个方面还需要进一步深入系统地研究。 一、无轴承电机数学模型 无轴承电机电磁悬浮力和电磁转矩是悬浮控制绕组和转矩控制绕组通过气隙磁 场耦合将电能转换为机械能的结果，因此，研究无轴承电机能量转化关系的基本方程 尤为重要，其中主要有磁链方程、电压电流方程、电磁悬浮力方程、电磁转矩方程及 其等效电路等。要想获得高品质的控制性能，则必须建立更加准确的数学模型。然而， 如果把定转子齿槽效应、变量谐波分量以及转子偏心等所有因素都考虑进去，那么无 轴承电机数学模型将变得异常复杂，反而影响到控制系统的优化设计和各种现代控制 理论方法的应用，可能导致控制性能变差。因此，如何考虑各种因素对无轴承电机控 制性能的影响，建立正确有效的能量转化基本方程是无轴承电机研究的基础。 二、悬浮子系统独立控制 无轴承电机控制系统具有复杂的非线性强耦合特性，实现其电磁转矩和悬浮力之 间的解耦控制是无轴承电机稳定运行的基本要求，设计有效而实用的控制系统也是该 领域研究的难点。在目前研究的无轴承电机控制策略中，转矩控制子系统和悬浮控制 子系统之间大多存在气隙磁场信息传递。这样，不仅在控制策略上相互受到诸多制约， 而且解耦算法复杂，缺乏实用性。因此，有必要实现转矩控制子系统和悬浮控制子系 统之间相互独立控制，这样不仅悬浮控制不受转矩控制绕组控制性能以及其参数变化 影响，增加了系统的可靠性和稳定性，又使得转矩控制绕组控制也不再受悬浮理论制 约，促进了无轴承悬浮技术向高速化、实用化方向发展。对于无轴承悬浮控制子系统 而言，如何准确获取两套绕组气隙磁场各自的分布情况是目前一个极其关键的环节。 三、电机本体优化设计和参数问题 无轴承电机尺寸、定转子结构形式、定子绕组导线匝数以及线径大小等因素对无 无轴承异步电机基本控制策略研究与实现 轴承电机基本参数、转矩控制和悬浮控制都有重要影响，其决定了电机转速、刚度以 及反映承载能力的电磁悬浮力和电磁转矩等性能指标。另一方面，无轴承电机结构的 复杂性又给相应参数测量或辨识带来了很大的问题，尤其是悬浮控制绕组匝数很少、 转子处于偏心位置的情况下，如何得到绕组电感系数矩阵和转子电阻等参数是当前面 临的困难之一。此外，考虑因磁饱和和温度变化等因素所引起的参数变化，以及如何 消除参数变化对转矩控制和悬浮控制带来的影响也需要相应的分析和研究。 四、现代控制理论 由于无轴承电机本身是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，经典p i d 控制 器在参数匹配良好条件下能保证系统稳定，一旦系统参数发生变化或负载转矩产生扰 动，以及模型误差和电机高速或调速运行时带来的径向扰动都将导致控制性能变差。 因此如何设计出性能优良的控制器，以提高无轴承系统的稳定性和动态特性是研究的 一个重要方向。其中模型参考自适应控制是解决上述问题的一个有效方法。该方法具 有稳定性能好、鲁棒性强、适用面广的特点。另外，应用以控制系统内部某些信号间 传递函数的爿。范数为优化指标的 乙控制理论，以此提高系统的的干扰抑制能力和 鲁棒稳定性也是实现悬浮控制器优化设计的一个方向。目前无轴承电机关于这些方面 的报道几乎没有，还有待研究。 五、转子动力学 无轴承电机转子系统属于典型的机电耦合系统，有必要对转子振动模态、转子不 平衡激励、系统稳定性以及动态响应等有关转子动力学方面的研究，这对高速、超高 速电机本体和控制系统优化设计有着至关重要的影响。然而，无轴承电机转子系统的 机电耦联振动是比较复杂的，涉及到多个学科的理论基础，包括机械工程、力学、电 磁学、控制工程及其交叉学科。目前有关无轴承电机动力学方面的研究尚未展开。 六、数字控制器硬件和软件的研究 为满足无轴承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也更加完善，可靠性越来越高。随着数字信号 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，使得无轴承电机向多功能、数字化、智能化、集成化和模块化方 向发展逐渐成为现实。 1 4 课题意义和本文研究内容 在众多的无轴承电机类型中，无轴承异步电机具有结构简单、制造容易、可靠性 高，而且易于弱磁，适用于超高速运转等特点，对于减少高速驱动装置体积重量，提 高设备性能有重要的意义。在军用方面，它不仅符合未来高可靠性、小体积和长寿命 南京航空航天大学博十学位论文 新一代战斗机和直升机用航空电机的发展要求，如飞机电动环境控制系统、飞机燃油 供给系统、电动刹车系统、飞机舱门与起落架的电力传动系统、机载激光武器或其它 能束武器配用的大功率发电机、飞机起动发电系统等；还有望促进航空航天器储能系 统的更新换代和隐身技术的发展。另一方面，无轴承电机是目前国外竞相研制的飞轮 电池中的关键环节。由于飞轮电池具有比能量大( 是蓄电池的五倍以上) 、可靠性和 效率更高、充电时间短、环傈性能好的特点，是国际上公认的传统蓄电浊的一种更瓤 换代产品。更由于它无红外线辐射，具有良好的隐身性能尤其受到军方的高度重视， 在电动军车、电动鱼雷、导弹、潜艇的贮能系统、航天器中( 人造卫星等) 能量贮存 和姿态控制体化系统中具有重要实用价值等。民用的角度来看，无轴承电机在高速 离心泵、风机、主轴电机、涡轮分子泵、压缩机、高速硬盘驱动装置等领域具有广泛 的应用价值。 目前我国无轴承异步电机的研究水平总体处于初级阶段，因此对无轴承异步电机 基本控制策略研究和实现无疑为我国无轴承电机悬浮技术理论研究和产品实用化起 到积极的推动作用。本文以无轴承异步电机作为研究对象，深入研究了转矩控制绕 组和悬浮控制绕组气隙磁场的耦合关系，建立了转子偏心情况下的无轴承异步电机数 学模型。在此基础上，首先研究了基于转矩控制绕组磁场定向的无轴承异步电机悬浮 控制策略，也进一步验证了数学模型的正确性。由于磁场定向控制限制了无轴承电机 向高速、超高速领域发展，因而提出了基于气隙磁场探测或辨识的悬浮子系统独立控 制策略。这样，转矩控制绕组与悬浮控制绕组在控制策略上可以完全独立，既保证了 电磁转矩和径向悬浮的稳定控制，提高系统可靠性，又促进了无轴承异步电机向超高 速、实用化发展。随后对悬浮控制中出现的悬浮力耦合原因进行了分析，并提出了解 决方案。最后给出了无轴承异步电机数字控制系统结构图，并对关键环节设计进行了 详细叙述。具体研究工作主要包括以下几部分内容： 第一章：介绍了无轴承电机系统基本结构和特点，分析概括了国内外无轴承电机 研究现状以及发展趋势，阐述了无轴承电机研究的重要意义，确立了以无轴承异步电 机控制策略为本文的研究重点，最后对本课题内容作了安排。 第二章：在考虑转子偏心情况下，从电感系数矩阵入手，建立了无轴承异步电机 基本数学模型，推导了电磁转矩和悬浮力公式。 第三章：建立了基于转矩控制绕组磁场定向控制的无轴承异步电机数学模型及其 控制系统。分析和比较了气隙磁场定向和转子磁场定向两种控制策略，对原有基于转 子磁场定向控制系统进行了改进和完善，并通过实验和仿真验