（电力电子与电力传动专业论文）无速度传感器的无轴承异步电机定子磁场定向控制的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 浮力和旋转力矩之间的解耦。 其次，提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的无轴承异步电机矢量 控制系统，构成了无速度传感器无轴承异步电机定子磁场定向控制系 统。利用m a t l a b 建立了仿真模型，并做了各种转速下的仿真，通过仿 真验证了该控制系统具有较好的性能。 最后，基于对定子磁场定向控制策略的分析，应用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 构建了数字控制系统的硬件，开发了数字控制系统的软件，给出了各 个功能模块的流程图。 关键词：无轴承异步电机，定子磁场定向控制，无速度传感器，数字 控制 i l 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb e a r i n g l e s sm o t o rw h i c hi n t e g r a t e sm o t o ra n dm a g n e t i cb e a r i n g , h a st h ef u n c t i o no fr o t a t i o na n ds e l f - l e v i t a t i o n d i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a l s u s p e n s i o np r i n c i p l eo fm a g n e t i cs u s p e n s i o nm o t o r ，t h e b e a r i n g l e s s m o t o rw i n d st h el e v i t a t i o n w i n d i n g st o g e t h e r w i t h c o n v e n t i o n a lm o t o rw i n d i n g st o p r o d u c e r a d i a lf o r c e s b yt a k i n g a d v a n t a g e so ft h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h es t r u c t u r eo fm a g n e t i cb e a r i n g a n dt h a to ft h ea cm o t o ct h er o t o rs h a rc a nb es u c c e s s f u l l ys u s p e n d e d b yt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e s i th a sb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c hw o r ko n h i g hs p e e dm o t o rs i n c e19 9 0 s t h es e l f - b e a l i n gi n d u c t i o nm o t o ri sas t r o n g c o u p l e d ，n o n l i n e a r , m u l t i v a r i a b l e c o m p l i c a t e ds y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so nt h e f u n d a m e n t a lt h e o r ya n de x p e r i m e n t so fs e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o r i n c l u d i n gm a t h e m a t i cm o d e l s ，f l u xo r i e n t e dc o n t r o l l e r , s p e e ds e n s o r l e s s t e c h n o l o g ya n dt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n t h ed e t a i lc o n t e n t sa l e a sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c ei se x p o u n d e d t h e m a t h e m a t i cm o d e l so fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sa n dr o t a t i o np a r to ft h e s e l f - b e a r i n g i n d u c t i o nm o t o ra l ed e d u c e d i no r d e rt or e a l i z et h e d e c o u p li n gc o n t r o lo ft o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sf o rs e l f - b e a r i n g c o n t r o la r ed e s i g n e d ，t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r dt h ed e c o u p i n g m e t h o do fs t a t o rf l u xo r i e n t e d c o n t r o l ，d e s i g n s t h eo b e r c a t i o no f s e l f - a c c o m m o d a t i o nf l u x i ft h em o t o rw o r k so nt h el o w s p e e d ，t h i s o b s e r v a t i o nw i l lu s et h ei 一缈m o d e l ，o re l s et h eo b s e r v a t i o nw i l lu s et h e u im o d e l t h et h i sm e t h o dr e a l i z a t i o n st h eo b s e r v a t i o no ff l u xi nf u l l c a r e e r t h e s u s p e n d r o t a t o r u s e st h ef e e d b a c k o f s u s p e n d f o r c e s y s t e m ，c o m b i n e st h es u s p e n d - f o r c et ot h eu n i l a t e r a lm a g n e t i cf o r c e ，i n i i i 江苏大学硕士学位论文 o r d e rt or e c e i v e t h ef a c t l yc o n t r o lf o r c e t h er a d i a l - r o t a t o ra d o p t st h e c o n t r o lm e t h o dw i t hd i r e c ts o l u t i o no fd a x i sc u r r e n t t h i sc o n t r o ls y s t e m i ss i m u l a t e dw i t hm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v e s h o w nt h a tr o t o rc a ns u s p e n s i o ns t e a d i l y , t o q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o n s u b s y s t e m sc a no p e r a t ei n d e p e n d e n t l y s e c o n d l y , t h i sd i s s e r t a t i o na d w a n c e st h es e n s o f l e s sv e c t o rc o n t r o lo n i n d u c t i o nm o t o rw i t he x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ( e k f ) ，t h es p e e ds e n s o r l e s s f l u xo r i e n t e ds y s t e m so fs e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o ra r ee s t a b l i s h e d u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x ，t h es i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d i tc a n b es e e nt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i o ni n d i f f e r e n ts p e e d a tl a s t ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs t a t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o l ，t h e d i g a i t a l c o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e du s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 12 d s p , a n dt h e f l o w c h a r t so f e a c hf u n c t i o n a lb l o c ka r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：s e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o r ，t h es t a t o rf l u xo r i e n t a t i o n v e c t o rc o n t r o l ，s p e e ds e n s o r l e s s ，d i g i t a lc o n t r o l i v 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。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密f - i 。 学位论文作者签名：j 姻句 导师签名： 答字日期：1 年6 月j 7 日 答字日期 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：j 渤伯 日期：加7 年6 月邮 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机研究的背景和概况 1 1 1 无轴承电机的历史背景 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 时带来的摩擦阻力增加，机械轴承磨损加剧，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。为了克服 机械轴承性能的不足，高速电机一般采用气浮、液浮轴承。但是气浮和液浮轴承 均需要配备专门的气压、液压系统，这不仅使电机的结构复杂、体积庞大、耗能 多、效率低，同时气压、液压系统的故障会使气浮、液浮轴承失效，从而导致电 机无法正常运行，这同样降低了电机和系统的可靠性。到7 0 年代末，发展了磁 轴承技术。磁轴承是利用电磁力将转子悬浮于空间，使转子和定子之间没有任何 机械接触的一种新型高性能轴承。磁轴承按照磁场产生性质的不同，有主动磁轴 承( a c t i v e ) 和被动磁轴承( p a s s i v e ) 之分n 2 3 1 。主动磁轴承的磁场是主动可 控的，被动磁轴承的磁场是不可控的。磁轴承的磁力可由电磁铁提供，称电磁轴 承；也可由永久磁铁和电磁铁共同提供，称为混合磁轴承；或由永久磁铁单独提 供。由于主动磁轴承明显地优于被动磁轴承，在磁悬浮领域，应用最广泛的是主 动磁轴承。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，传统的磁 轴承电机的结构如图1 1 ( a ) 所示。 电机帮符!轴向电机嗣衽 向磁轴承戳轴承向醺轴承 图1 1 磁轴承电机和无轴承电机对比示意图 但是由于磁轴承本身占有一定的轴向空间，因而存在着转子刚度小、临界转 江苏大学硕士学位论文 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； 此外，由于每个自由度的磁轴承需要一套功放，从而使系统成本增加。由于以上 原因，使磁轴承高速电机在大功率和微型应用场合受限制。 无轴承电机是上世纪9 0 年代发展起来的一种新型磁悬浮电机。无轴承电机 的结构如图1 1 ( b ) 所示。它不仅继承了传统磁轴承无润滑、无磨损、无机械 噪声等特点。还具有以下优点：轴向尺寸缩小，功率密度高，造价低，提高了临 界转速及功率，从根本上改变了传统电机的结构和控制。无轴承异步电机能实现 大功率高转速运行，在高速精密机械加工、航空航天、能源、交通、化工、生命 科学等电气传动领域己经初步显出了极其重要的科研与应用价值。 1 1 2 无轴承电机的发展概况 1 9 8 5 年h i g u c h i 在“m a g n e t i c a l l yf l o a t i n ga c t u a t o rh a v i n ga n g u l a r p o s i t i o n f u n c t i o n ”中提出了一种结合磁轴承的步进电机，提出可以利用电机励 磁电流来解耦转矩和径向力。n b o s c h 于1 9 8 8 年首次开始使用无轴承电机 ( b e a r i n g l e s sm o t o r ) 这个概念的b 3 。无轴承电机是一种具有磁轴承支承功能 的电机，也称作磁悬浮电机，近十年来在国外得到较快的发展，将径向悬浮支承 技术与电机相结合的思想最早可以追溯到三十年前。早在1 9 7 4 年，德国学者 p k h e r m a n 就提出了一种具有定子双绕组结构，且具有自悬浮能力的电磁装置， 同时申请了专利h 1 。同年，美国学者g m e i n k e 提出了另外一种分离绕组的磁悬 浮装置，也申请了专利。十多年后，日本人t h i g u c h i 提出了步进型磁悬浮电机 瞄1 ；美国学者s w i 儿i a n m s o n 提出了定子双绕组，两种绕组极对数相差为1 的磁 悬浮电机哺1 ；另一位美国学者p a s t u d e r 在1 9 8 7 年提出了无刷直流电机磁悬浮 电机，他们先后申请了美国专利h 1 。但是由于当时存在着一些无法解决的技术难 题，特别是没有提出有效的控制方法。因此，这些早期的磁悬浮电机均属于概念 性磁悬浮驱动装置，但是为以后的无轴承电机的发展提供了很好的参考。 进入二十世纪九十年代，无轴承电机的研究取得了飞速的发展，以运动控制 技术的进步为基础，各种结构的无轴承电机及其控制技术相继出现，逐步形成了 无轴承电机的基本结构和控制方法。这其中包括无轴承异步电机、无轴承永磁同 步电机、无轴承开关磁阻型电机和无轴承同步磁阻型电机等。这个时期，各种类 型的无轴承电机相继进入实验室研究阶段。一些学者研究了无轴承电机的控制方 2 江苏大学硕士学位论文 法，初步形成了无轴承电机的基本理论，也得到了一些初步的试验结果。对无轴 承电机系统地进行研究最初是从瑞士联邦工学院( e t h ) 开始的。接着，日本和 美国也开展了广泛的研究。日本学者a c h i b a 、r a h m a n 等较早的研究了无轴承电 机的基本特性，并通过实验测量得到了无轴承异步电机定子转矩控制绕组和悬浮 控制绕组之间的互感矩阵，从而得到了径向悬浮力的解析公式，并且采用p i d 控制策略实现了无轴承感应电机空载时的悬浮控制似m 钉。m o o s h i m a 等学者研究 了无轴承永磁电动机的控制及其磁饱和时的去磁问题n 们1 引，并应用磁场计算的 方法分析了无轴承永磁同步电机的稳态磁场分布n3 l 。o k a d 教授是较早研究无轴 承永磁电机的学者之一，他领导的课题组在无轴承永磁型电机方面取得了一系列 显著的成果n 铂n 司n 6 1 。目前无轴承电机的应用已不仅仅局限于高速驱动领域，在一 些生、化、医、机电等特殊领域也逐渐展示其独特的优越性。正因为如此，无轴 承电机一直受到工业界的高度重视，瑞士、德国、日本、美国均在大力资助这项 高新技术的研究，在今后相当一段时间内将是高速电机研究领域的热点。 1 1 3 国内外发展现状 根据目前发表文献来看，各种传统的电机都可以实现无轴承技术，但由于传 统电机固有优缺点，导致其无轴承电机同样不可避免存在相应优缺点。目一前国 际上研究的无轴承电机的种类有无轴承异步电机、无轴承永磁同步电机、无轴承 单相电机、无轴承同步磁阻电机和无轴承开关磁阻电机。从已发表的论文来看， 重点致力于无轴承异步电机、无轴承永磁同步电机和无轴承薄片电机的研究。 目前瑞士、日本和美国等国家都大力支持开展这项研究工作。如瑞士 r s c h o e l 、n b a r l e t t a 的和p a s c a ln b o e s c h 等人对无轴承感应电机和无轴承 片状电机进行了研究n 7 18 1 ，日本的a c h i b a 、c m i c h i o k a 和s m o r i 等人对无 轴承同步磁阻电机进行了研究，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 r m i n 情况下，输出功率为2 1 2 k w n9 驯，日本的m o o s h i m a 、a c h i b a 、 t o h i s h i d 等人对无轴承永磁同步电机进行了研究，到目前的最新研究成果是 完成了对功率4 k w ，转速1 1 0 0 0 r m i n 的表面表面凸装式无轴承永磁同步电机实验 样机的研制，该样机为四自由度，仅能连接轴向共线负载，并没有真正意义上的 应用价值美国的l y n d o ns s t e p h e n 等人研究了无槽洛仑兹力无轴承电机旺“翻 由于这种电机径向悬浮力较小，仅适用于航天航空领域特殊的电气传动。 3 江苏大学硕士学位论文 国内无轴承电机的研究起步较晚，尚处于实验室阶段。自2 0 世纪9 0 年代后 期，江苏大学、沈阳工业大学、浙江大学和南京航空航天大学等先后得到了国家 自然科学基金资助，开展了无轴承电机的研究工作，并在理论和实验方面取得了 一些成绩。沈阳工业大学研制了小容量永磁同步型无轴承电机用于人工心脏血 泵，他们在不同类型转子结构的无轴承电机中进行转矩力与悬浮力的比较以及考 虑气隙偏心下悬浮力的建模、分析上做出了贡献，并研究了混合转子无轴承电机 及其控制。南京航空航天大学在永磁偏置三自由度电磁轴承心3 1 、无轴承电机的磁 场定向控制等诸多方面进行了广泛研究。浙江大学开展了无轴承异步电机悬浮力 解析建模和优化气隙磁场定向控制研究，进行了永磁型无轴承电机电磁设计及运 行控制研究，并已开始探索永磁型无轴承电机的无传感器运行口4 1 。西安交通大学 等则在无轴承电机控制上进行了理论分析和仿真研究他5 。 1 1 4 无轴承电机的应用领域 无轴承电机独特的悬浮机理和结构又使得它在飞轮贮能，机械振动阻尼，机 械轴承卸载，高精密压制等领域得到高效应用。需要免维修、长寿命运行、无菌、 无污染以及有毒、有害气体或液体的传输是无轴承电机的典型应用场合，其体积 小、重量轻、受命长、免维修的优点将在航空航天领域发挥无可替代的作用。 1 、无轴承电机在机械领域中的应用 在机械轴承支撑的转子系统中，当转子端部受到外力作用时，转子中部弯曲 程度很大。采用无轴承电机后，径向力作用在转子中部，转子弯曲程度得到明显 改善( 如图1 。2 所示) 。由于转子的弯曲模式可以得到有效控制，因此无轴承电 机在机床主轴设计中具有独特的优越性。 2 、飞轮贮能 飞轮贮能是以高速旋转的飞轮质体作为能量储存的介质，利用电动发电机和 电子控制设备来控制能量的输入和输出。近年来，随着磁轴承、复合材料、电力 电子技术等一系列关键技术的突破，传统飞轮贮能上升到了贮能电池的层次。它 在公共电网动力调节、电动汽车、不停电电源( u p s ) 、备用电源、太阳能和风能 的储存、电气化铁道再生制动能量储能、核聚变等领域有着广泛的应用。“比能 量”是衡量飞轮贮能性能的关键指标。图1 3 为采用无轴承电机的典型飞轮贮能 系统结构示意图。 4 江苏大学硕士学位论文 嚣l u l l l l l 删删唯j 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 鲤谬甥 b墨盈蕾m l l l l l l l l l l l l l 旺l l l l l l l l i l l l l l 睦髓嘲 口 k 呵垦型! 型婴l l l l l l l l l l l l l w 隅 产 冒f f l 雕m 瑟鳇们肿哪l 螽区螽盈 矗。 图1 2 无轴承电机在机械领域的运用图1 3 无轴承电机飞轮储能系统结构 3 、人工心脏 心脏是生命的永动机，一旦发生故障就难以修复并且会引起严重后果，甚至 危及生命。因此，当心脏发生故障时，可采用人工心脏部分或全部代替心脏功能。 利用机械轴承的心脏泵会产生磨擦和发热，使血细胞破损，引起溶血、凝血和血 栓。使用无轴承电机驱动的心脏泵可以无摩擦、无发热地运行，很好的解决了机 械轴承的缺陷。 1 2 无轴承电机的研究现状和发展趋势 1 2 1 无轴承异步电机的研究现状 目前，无轴承磁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上。其中无轴承异步电机具有结构简单、可靠性高、 易于弱磁等特点，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 接驱动为实现转矩与悬浮力之间的解耦控制，然而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。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。在此基础上又提出基于气隙磁场定向的无轴承电机控制技术，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，但 控制精度依赖对温度较敏感的转子电阻，鲁棒性差。还有一种是定子磁场定向控 制利用定子方程作磁通观测器，易于实现且不包含转子参数，加解耦控制后可达 到相当好的动静态性能，然而低速时定子电阻压降的影响致使反电动势测量误差 江苏大学硕士学位论文 较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。 另一方面，无轴承异步电机为达到电磁转矩和悬浮力的解耦控制一般采用磁 场定向控制。这种控制方法需检测转子的速度，获得磁场定向所需磁通的精确空 间位置，实现电磁转矩和悬浮力之间的解耦控制，确保转子的稳定悬浮运行。传 统转子的速度都是采用机械式传感器来检测，但在使用机械式速度传感器时有着 很大的局限性，因为传感器本身在机械上难以或无法实现高速、超高速化，从而 会严重限制无轴承电机固有的优良高速性能的发挥。所以对于无速度传感器的研 究是非常有必要的，采用无速度传感器时，系统的体积减小，重量减轻，减少了 电机和控制器之间的连线，使得无轴承异步电机的应用范围更加广泛。现在对于 无速度传感器系统，由于电机终端可测量的只有电压和电流，因此转速和转子磁 链只能通过电压和电流计算得到。根据电机数学模型，通过电压和电流计算转速 和转子磁链的方法很多。目前普通电机转速辨识方法大体上可分为动态速度估计 器、模型参考自适应法、全阶状态观测器和扩展卡尔曼滤波器、神经网络估计法、 转子齿谐波法、高频注入法等。 1 2 2 无轴承异步电机发展趋势 随着无轴承异步电机研究继续深入，今后无轴承异步电机的发展方向大致集 中在以下几个方面： l 、无轴承异步电机数学模型 无轴承异步电机数学模型是无轴承异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没，比如忽略了两套绕组之 间的互感、定转子齿槽效应等，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，则必须建立更准确的数学模型。 2 、无传感器技术和自供电技术的研究 为了实现转子的悬浮，就要实时检测转子轴的位置，而目前无轴承电机需要 的位置传感器不仅数量多，而且价格昂贵，同时还增加了无轴承电机的体积和长 度，目前所知的自传感方法难于保证高精度和强鲁棒性，因此需要进一步研究无 传感器检测技术。另外悬浮控制绕组的功率消耗和增加的一套外接供电线路，使 无轴承电机系统外部结构复杂、效率降低，因此利用无轴承电机本身两套绕组存 在极对数差及主要工作在高速状态的特点，使悬浮控制绕组工作在发电状态，实 6 江苏大学硕士学位论文 现无轴承电机悬浮控制绕组的可靠自供电对高速电机集成化尤为重要。 3 、悬浮子系统单独控制的研究 在目前研究的无轴承异步电机控制策略中，转矩控制子系统和悬浮控制子系 统之间大多存在转矩绕组气隙磁场信息传递，导致解耦算法复杂，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，使悬浮 性能和调速性能不受相互影响，增加了系统的可靠性，促进无轴承悬浮技术向高 速化、实用化方向发展。 4 、电机参数、结构研究 根据无轴承电机的特殊结构和工作要求，要对无轴承电机本体进行优化设 计。主要研究电机定转子结构形式、绕组的绕制方式、两套导线匝数的比例问题 等因素对无轴承电机参数、悬浮特性等工作效能的影响。另外，无轴承异步电机 控制系统的设计必须考虑因磁饱和及温度变化等因素对控制系统性能的影响。磁 饱和对无轴承异步电机控制性能的影响主要表现在电机产生的径向力和悬浮控 制绕组电流之间的线性关系受饱和因素的影响较大电机的磁饱和还会引起转子 电阻、定转子电感和互感等参数的变化，参数变化必然会导致控制器性能的降低。 1 3 本文的主要研究内容的安排 本论文中所要研究的是两自由度无轴承异步电机。即忽略径向和轴向磁轴承， 单独研究两自由度的无轴承电机部分。本文的具体的研究包括以下内容： 第一章绪论：介绍无轴承电机在国内外的发展状况、无轴承电机的组成、 特点、工业应用领域及其发展趋势，介绍了本文选题的主要目的，论文的内容安 排。 第二章无轴承异步电机的基本理论：介绍了无轴承电机的工作原理和数学 模型。分析了异步电机转子偏心情况受到的麦克斯韦力，并针对定转子同心的无 轴承异步电机，系统地分析了其悬浮控制机理，阐明了实现无轴承异步电机悬浮 控制的核心问题。 第三章基于d 轴电流直接求解的定子磁场定向控制的无轴承异步电机的控 制策略：引进了新的一种控制方法一d 轴电流直接求解。运用了定子磁场定向控 制和悬浮力反馈的控制策略，并设计了这种解耦的控制系统。最后用m a t l a b 给 出仿真结果。 7 江苏大学硕士学位论文 第四章无轴承异步电机的无速度传感器的研究：采用扩展卡尔曼滤波器算 法，将旋转绕组转子转速看成系统中的一个状态变量，利用扩展卡尔曼滤波法估 算出转子转速。通过计算机仿真，在无轴承异步电机矢量控制的基础上对这种估 算策略进行了研究。最后运用m a t l a b 对系统进行仿真。 第五章无轴承异步电机数字控制系统的硬件电路：介绍了包括传感器，接 口电路，逆变器等硬件构成。设计了基于定子磁场定向控制的无轴承异步电机的 数字控制系统软件，详细介绍了各功能模块和整体软件的构成，给出了控制软件 流程图。 第六章总结论文所做的工作及取得的研究成果，并且提出需要进一步研究 的工作。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承异步电机基本理论 无轴承异步电机是在普通异步电机的定子槽中加入一套悬浮控制绕组，利用 悬浮控制绕组产生的磁场来改变气隙中合成磁场的分布，从而产生径向悬浮力来 实现转轴的稳定悬浮。为了实现对无轴承异步电机转子的稳定悬浮控制，必须建 立较为精确的无轴承异步电机数学模型。本章阐述了无轴承电机的工作原理，分 析了无轴承异步电机悬浮力产生机理，建立了无轴承异步电机的数学模型。 2 1 无轴承异步电机的基本原理 要想了解无轴承异步电机的基本原理首先要认识到：在电机中存在着两种不 同类型的磁力：洛仑兹力和麦克斯韦力啪1 。 2 1 1 洛仑兹力 洛仑兹力是电机旋转磁场对载流导体作用产生的力，作用在转子上产生切向 的力，异步电机的转矩正是基于洛仑兹力产生的图2 1 a 以电流和磁链均为正 弦分布的一对极电机为例来说明洛仑兹力和旋转力矩的产生。 2 1 2 麦克斯韦力 ( b )( c ) 图2 1 洛仑兹力和麦克斯韦力 磁路中在不同磁导率( 如空气和铁心) 的磁性物质边界上形成的磁张应力称 为麦克斯韦力。该力的作用方向垂直于电机转子的表面。如果电机中的磁密是对 称分布的，其麦克斯韦合力为零( 如图2 1 b 所示) ；如果转子偏心引起电机磁 密分布不均匀，那么麦克斯韦合力就不为零，其作用方向和转子偏心的方向一致 9 江苏大学硕士学位论文 ( 如图2 1 c 所示) ，这就是电机理论中的磁张应力效应。无轴承异步电机的可 控悬浮力就是基于麦克斯韦力产生的。 2 1 3 无轴承异步电机的径向悬浮力产生原理 在无轴承异步电机的定子中放入两套具有不同极对数的绕组，转矩控制绕组 ( 极对数p 。，电角频率0 ，) ，悬浮控制绕组( 极对数p 。，电角频率。) ， 当两套绕组极对数满足p 。= p 。1 ，电角频率满足。= ( - ) 。时，电机中才能 产生可控的悬浮力担7 哪! 。悬浮控制绕组的引入，打破了转矩控制绕组产生旋转磁 场的平衡，使得电机气隙中某一区域的磁场增强，而其空间对称区域的磁场减弱， 从而产生的麦克斯韦合力将指向磁场增强的一方。图2 2 所示的无轴承异步电 机( p 。= 1 ，p 。= 2 ) 中，实线表示转矩控制绕组产生的磁场，虚线表示悬浮控 制绕组产生的磁场。图2 2 a 中的两个磁场相互调制使得转子右侧气隙磁密大于 左侧，其结果产生的麦克斯韦合力( 即径向悬浮力) 指向x 轴的正方向；图2 2 b 中的两个磁场相互作用产生了沿y 轴正方向的径向悬浮力。因此，通过转子径 向位移的负反馈控制，调节悬浮控制绕组产生磁场的大小和方向，就可以控制作 用在转子上径向力的大小和方向，从而实现转子的稳定悬浮。无轴承异步电机的 转矩同普通电机一样是基于洛仑兹力产生的。 ( a )( b ) 图2 2 无轴承异步电机悬浮力产生示意图 由上分析可知，径向力产生的实质是悬浮绕组电流产生的磁场打破了原来电 机旋转磁场的平衡，只有旋转磁场的不平衡，才会有径向力作用在转轴上。电机 的旋转磁场是由电机转矩绕组电流建立起来的，而旋转磁场的不平衡又是悬浮绕 组电流作用的结果。为了保证无轴承电机能产生可控的径向悬浮力，两套绕组必 须满足如下关系： 1 0 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 极对数：p 2 = p l 1 ； ( 2 ) 两套绕组产生的磁场旋转方向一致； ( 3 ) 两套绕组中流通的电流频率f 一致 2 2 无轴承异步电机中几个力的基本方程 无轴承异步电机数学模型建立步骤如下：首先根据普通异步电机的数学模型 得到旋转运动基本方程式，然后在定转子中心重合的条件下推导出悬浮控制绕组 通电时产生的可控径向悬浮力基本方程式；接着假设悬浮控制绕组中没有电流， 得出转子发生偏心位移时不平衡径向磁拉力公式；最后得到转子悬浮系统的运动 方程舡3 引。 2 2 1 洛仑兹力的基本方程 洛仑兹力是电机旋转磁场对载流导体作用产生的力，作用在转子上产生切向 的力，异步电机的转矩正是基于洛仑兹力产生的。当悬浮控制绕组通电以后，悬 浮控制绕组在转矩绕组产生的磁场中会受到洛仑兹力。设异步电机定子铁心长度 l ，定子内径r ，气隙感应分布率b ( 缈) 和定子圆周的电流分布率彳( 缈) ，则沿圆周 单位长度的洛仑兹力( 作用于转子上的) 为： d f , = - a ( c o ) xb ( 缈) ，d 伊 ( 2 1 ) 式中妒为空间向量角。 将上式沿圆周积分得到x ，y 方向的洛仑兹力为 瓦= 一f ：”么( 伊) b ( 缈) ，c o s 仍d o ( 2 2 ) 毛= - 1 9 2 彳( 缈) b ( 妒) ，s i n o d 簟o ( 2 3 ) 设电流和磁场均为正弦分布，对( 2 2 ) 和( 2 3 ) 积分时可得 当p ：= p 。l 时的洛仑兹力公式为： p 2 = p 1 + 1 时： 瓦= e c o s ( t 一t ) ，= e s i n ( t 一) ( 2 4 ) p 2 = p 1 - 1 时： l l 江苏大学硕士学位论文 兄= 一巧c o s ( 2 一) ，毛= e s i n ( 2 一) 其中为转矩绕组磁场初始相角，力为悬浮绕组磁场初始相角。 巧= ! 半，其中j 台分别为电流密度和气隙感应分布率幅值。 由公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 得到图2 3 的洛仑兹力向量图。 j 庞 n 罡= 鼻+ 1 x j、3 和t 一 f x 廓，一 f 沙 f l 最= 鼻一1 图2 3 洛仑兹力向量图 根据电流和磁链的定义及矢量的点乘和叉乘原理， 用d ，q 旋转坐标系下的分量表示： 兄= k 删l d + i s 2 q i f f l q ) x ( 2 5 ) 将公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) ( 2 6 ) = k t ( i 咖l d i s 2 d 沙l g ) ( 2 7 ) 其中“1 ”、“2 ”分别对应转矩绕组和悬浮控制绕组，下标s ，r 分别对应定子和 转子分量。 k ，= 丢警，。，：分别为转矩绕组和悬浮绕组每相串联有效匝数； 妙。为气隙磁链分量；：d ，：。为悬浮绕组电流分量。 2 2 2 麦克斯韦力的基本方程 设电机中气隙磁密为b ，则作用在转子表面幽面积上的麦克斯韦力为： 以= 等 ( 2 8 ) 则麦克斯韦力沿x ，y 轴方向上的分量为： 1 2 江苏大学硕士学位论文 哌( 加去( 咖o s ( 州( 妒) d f m y ( c p ) = 2 l r 。b 2 ( 妒) s i n ( 缈) d ( 缈) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由于无轴承异步电机定子上有两套绕组，因此无轴承异步电机内的气隙 磁密是由转矩绕组和悬浮控制绕组共同产生的合成气隙磁密，则有： b ( c p ，) = b jc o s ( p l 缈一l f + ) + b 2c o s ( p 2 伊一缈2 t + 允) ( 2 1 1 ) 其中为转矩绕组磁场初始相角，允为悬浮绕组磁场初始相角。 将式( 2 1 1 ) 代入( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 中，分别进行圆周积分运算得到： p 2 = p l + 1 时： k = 。c o s ( 2 一) ，= s i n ( 2 一) ( 2 1 2 ) p 2 = p 1 - 1 时： f x = 吒c o s ( ；t 一) ，0 = 一s i n ( 2 一) ( 2 1 3 ) y 。 q 勿芥二l 九一u f ；1 y 。 l j = 巾2 锛r n i = 置一1最= 鼻+ l 图2 4 麦克斯韦力向量图 由公式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 得到图2 4 所示的麦克斯韦力向量图。 其中，麦克斯韦力的幅值为： 巴：_ n t r _ b i b 2 2 t u o 每相的气隙磁链为： ( 2 1 4 ) 堋= 2 r e l b _ _ 竺l 暇肼咄= 警 ( 2 1 5 ) 江苏大学硕士学位论文 三相绕组合成气隙磁链的空间向量幅值为： 33 沙l 2 j y m ，22 互沙2 m 若忽略悬浮绕组在转子中产生的感应电流，则有 沙2 = 乙2 t 2 将式( 2 1 5 ) ( 2 1 7 ) 代入( 2 1 4 ) 中可得 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) e ：婴掣黑 ( 2 1 s ) 1 8 硒护彤 根据矢量的点乘和叉乘原理，将公式( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 用d ，q 旋转坐标系 表示为： = k 。( f 删似+ f ，2 q l 口) ( 2 1 9 ) ，0 = k 。( f ，2 9 l d 一2 d l g ) ( 2 2 0 ) 其中k m2 瓦n 瓦p l 丽p 2 l , 2，由上式即可以求出悬浮绕组给定的电流值： 眨i s 2 d l j = 丽1 毗眇f 沙。 。a - - l f f l q 蹦 弦2 ， 从( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可以看出，即为引入悬浮控制绕组后，气隙中转矩 绕组气隙磁场和悬浮控制绕组电流所产生的气隙磁场相互作用所产生的悬 浮力。在保持气隙磁场恒定条件下，其大小与悬浮控制绕组的电流成正比。 只要控制悬浮绕组的电流，就能控制作用在转子上的悬浮力。 2 2 3 转子偏心时的不平衡磁拉力 假设悬浮控制绕组中不通入电流，则电机中的磁通是对称分布的，转子 不偏心时，其麦克斯韦合力为零。如果转子偏离了电机定子的中心，将引起 电机磁通分布的不均匀，则麦克斯韦合力就不为零，其作用方向和转子偏心 的方向一致，指向气隙最小处，该力即为不平衡磁拉力。设g 。是定转子中心 重合时的平均气隙长度，( x 0 , y 。) 为偏心后转子中心坐标，e 是转子偏心位移， 如图2 5 所示。 1 4 江苏大学硕士学位论文 图2 5 转予偏心时气隙图 则气隙长度g ( 缈) 就可以表示为缈的函数 其中s ：三 g o g ( 缈) = g o p c o s ( 伊一口) = g o 【1 - - e c o s ( g , - a ) ( 2 2 2 ) 设定转子同心时气隙磁场为： b 1 ( q o ，f ) = b 1c o s ( p l 缈一缈l ，一) 那么当转子发生偏心时，气隙磁密b e ( 伊) 也是关于缈的函数 ( 2 2 3 ) b e ( 缈) = 了二e ( 伊，) ( 1 + s c o s ( 妒一口) ) = 雪ic o s ( p l c , o 一国l ，一) ( 1 + s c o s ( 缈一口) ) ：b , c o s 州刊+ 争啷( 川嗍刊 q 卫 + 争c o s ( p l - 1 炉q t - p - a 根据公式( 2 8 ) 则作用在转子上的不平衡磁拉力为： 耻月，d f ,。r p l 色2 ( 椭彬缈= 杀廓x 。 ( 2 2 5 ) 2 肛s i n 缈2 芸f ”统2 ( 纠s i n 彬妒= 杀鲆y 。 ( 2 2 6 ) 公式( 2 2 5 ) ，( 2 2 6 ) 的磁拉力公式并没考虑磁饱和、齿槽效应及电机 结构等因数的影响，实际的磁拉力要小得多，需要引入衰减因子七。一般无 轴承异步电机取七= 0 3 ，从而实际作用在转子上的麦克斯韦力为 江苏大学硕士学位论文 2 3 无轴承感应电机数学模型 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 为了简化分析，对无轴承异步电机先做如下假设： ( 1 ) 三相定子绕组和转子绕组在空间对称分布，电流产生的磁动势在气隙 中正弦分布，忽略其空间谐波； ( 2 ) 假定无轴承异步电机转矩绕组和悬浮控制绕组相绕组轴线方向重合， 并定义为口方向； ( 3 ) 各相绕组的自感和互感都是恒定的，即忽略磁饱和的影响； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对电机参数的影响，忽略铁心损耗和涡流损耗。 2 3 1 悬浮力数学模型1 3 4 1 由图2 4 和图2 5 可以看出，当p ：= p 。+ 1 时，洛伦磁力和麦克斯韦力的方 向是相同的，当p ：= p 。- 1 时两个力的方向是相反的。为了在相同条件下产生的 悬浮力更大，更加能有效的控制转子的悬浮，一般采用p ：= p 。+ 1 。 若令f = 瓦+ 巧为悬浮力可控分量时，则在p ：= p 。+ 1 条件下有 e = k ( i 删沙l d + f ，2 9 y 1 口) ( 2 2 9 ) = k ( i 咖y l d 一2 d 少l q ) 其中k = k 。+ k ，。 当转子发生偏心时，产生的不平衡磁拉力表达式为 l = k s x = k s y 其中七。：后罢堕为径向位移刚度。 2 o g o 1 6 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) y 郡 抄 一o b 别一惴 斫一 竺 堕惴 舡 一2 = 后 兄 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 旋转部分的数学模型 转矩绕组电流( p 。对极) 产生的旋转磁场在转子上感应得到极对数为p 。的 电流，两者相互作用产生转矩。采用鼠笼式转子时，悬浮控制绕组电流( p ：对 极) 产生的旋转磁场也会在转子上感应得到p ：对极电流，同样能产生转矩。此 时，鼠笼式无轴承异步电机可看成两个极对数分别为p 。，p ：的电机，整个无轴 承异步电