（电力电子与电力传动专业论文）交替极无轴承永磁电机控制系统研究.pdf

l 。 1 n a n ji n gu n i v e r s i t yo fa 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 fa u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo f c o n s e q u e n t - p o l eb e a r i n g l e s sp e r m a n e n t m a g n e tm o t o r at 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 d i n gq i a n g a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gx i a o l i 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 rt 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 0l0 ， 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) 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要牛 交替极无轴承永磁电机因其特殊的转子结构，使电机悬浮系统与转矩系统耦合程度大为降 低，可以分别设计控制系统进行独立控制，系统的可靠性增加，使其在航空航天、国防、工农 业生产和日常生活领域具有广泛的应用前景。 本文以一种交替极无轴承永磁电机为被控对象，以其控制系统为研究对象，主要完成以下 研究工作： 首先，深入研究交替极无轴承永磁电机悬浮原理和数学模型，从理论上阐述该电机悬浮系 统与转矩系统耦合程度降低以及能够克服转矩与悬浮力折中的原因。在上述理论分析基础上， 考虑到电机内部各变量之间的相互影响、相互作用，为了揭示电机内部各种关系，建立出电机 状态空间表达式形式的数学模型。 其次，因为p i d 类控制算法广泛应用于无轴承电机控制系统中且其参数选取整定工作通常 是通过“试凑”完成的，没有可以遵循的规则。本文在深入研究电机数学模型和控制系统基础 上，对交替极无轴承永磁电机悬浮系统进行合理简化，基于简化的悬浮系统模型，结合线性调 节器设计理论，探索电机悬浮控制系统p i d 类控制算法选型及参数整定的方法，通过电机悬浮 系统电流环、位移环的仿真实验验证该方法的正确性。由于p i d 类控制算法仅关注系统的输入 输出，无法揭示系统内部各变量之间的关系，为了将先进控制理论引入到无轴承电机的控制系 统中来，在电机状态空间表达式形式的数学模型基础上，利用线性系统理论设计了电机的状态 反馈跟踪控制器，通过对电机转矩系统空载、负载运行以及悬浮系统起浮性能、抗正弦干扰性 能和电机参数摄动的仿真实验验证控制算法的正确性。 最后，考虑到线性理论设计的控制算法依赖被控对象数学模型，在工程实践中应用效果不 佳，为了选择一种适合于交替极无轴承永磁电机这样非线性强耦合被控对象的控制算法实现悬 浮系统稳定悬浮，经过比较后选择自抗扰控制这样实用的非线性控制策略作为悬浮系统的控制 算法，通过对电机在恒定、阶跃、冲击、白噪声、不同频率正弦等扰动作用时以及参数摄动时 的仿真分析，验证了自抗扰控制算法的有效性。完成自抗扰算法仿真验证后，在基于d s pf 2 8 1 2 为核心的数字控制系统之上，编写了电机悬浮系统自抗扰控制的数字控制程序，实现了电机空 载稳定旋转悬浮。在电机自抗扰控制的悬浮系统基础上，做了电机转矩系统的转速闭环实验。 关键词：无轴承电机，交替极，控制系统，线性系统，状态反馈，自抗扰控制 本课题受国家自然科学基础基金( 5 0 9 7 7 0 4 3 ) 资助。 交替极无轴承永磁电机控制系统研究 a b s t r a c t * a st h es p e c i a lr o t o rs t r u c t u r eo fc o n s e q u e n t - p o l eb e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ，t h e c o u p l i n go ft h em o t o rb e t w e e nt h el e v i t a t i o na n dt o r q u es y s t e mi sg r e a t l yw e a k e n e d s ot h ec o n t r o l s y s t e mo ft h em o t o rc a nb ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e mi se n h a n c e & t h u s ，i th a se x t e n s i v ea p p l i e df o r e g r o u n di nn a t i o n a ld e f e n c e ，i n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，d a i l yl i f e ，a n ds o o n t h i sp a p e rt a k e sac o n s e q u e n t - p o l eb e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e tm o t o rf o rc o n t r o lo b j e c ta n d i t sc o i l 仃0 1s y s t e mf o r r c a r c ho b j e c t , a n dm ef o l l 讹gw o r ki l a sb e e l la c c o m p l i s h e d f i r s t l y ，ap r o f o u n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nm e c h a n i s mo fl e v i t a t i o nf o rac o n s e q u e n t - p o l e b e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e tm o t o ri sp r e s e n t e da n di t sm a t h e m a t i c a lm o d e li sa l s oa n a l y z e d t h i s p a p e re x p l a i n st h er e a s o ni nt h e o r yt h a t t h ed e c o u p l i n gb e t w e e nl e v i t a t i o na n dt o r q u es y s t e ma n dh o w i tc a na v o i dt h ec o m p r o m i s eb e t w e e nr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c ea n dd r i v et o r q u e b a s e do na b o v e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o no ft h ei n n e rv a r i a b l ei nt h em o t o r , am a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h em o t o ri nt h ef o r mo fs t a t es p a c eh a sb e e ne s t a b l i s h e dt oc o n v e yv a r i o u sc o n n e c t i o n si n t h em o t o r s e c o n d l y ，p i dc o n t r o la l g o r i t h mi se x t e n s i v e l yu s e di nc o n t r o ls y s t e mo ft h eb e a r i n g l e s sm o t o r , b u ti t sp a r a m e t e r st u n i n ga r ea l w a y sa s s u r e db yt r i a la n de r r o ra n dt h e r ei sn or e g u l a t i o nt oa b i d eb y t h i sp a p e rm a k e sa ni n t e n s i v es t u d yo fm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o ls y s t e mo ft h em o t o ra n d s i m p l i f i e st h el e v i t a t i o ns y s t e mo ft h em o t o r b a s e do nt h es i m p l i f i e dl e v i t a t i o ns y s t e mm o d e la n d l i n e a rr e g u l a t o rd e s i g nt h e o r y ，ar e g u l a t i o na b o u th o wt oa s s u r eap i dc o n t r o l l e ra n dh o wt ot u n e p a r a m e t e r sh a sb e e ni n t r o d u c e d t h ev a l i d i t yo ft h ep a r a m e t e r st u n i n gr e g u l a t i o nh a sb e e nt e s t e d t h r o u g hc i r c u i tl o o pa n dd i s p l a c e m e n tl o o ps i m u l a t i o ni nt h el e v i t a t i o ns y s t e m p i dc o n t r o la l g o r i t h m , w h i c hc o n c e n t r a t e so ni n p u ta n do u t p u to fas y s t e m , c a n n o tc o n v e yv a r i o u sc o n n e c t i o n si nt h es y s t e m i no r d e rt oi n t r o d u c em o d e mc o n t r o li n t oc o n t r o ls y s t e mo ft h eb e a r i n g l e s sm o t o r ，as t a t ef e e d b a c k t r a c k i n gc o n t r o l l e r , w h i c hi sb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em o t o ri nt h ef o r mo fs t a t es p a c e ， j i sd e s i g n e db yl i n e a rs y s t e mt h e o r y t h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e nt e s t e dt h r o u g hl o a d a n du n l o a de x p e r i m e n to ft h et o r q u es y s t e ms i m u l a t i o na n da n t i d i s t u r b a n c ec a p a b i l i t y ，p a r a m e t e r s v a r i a t i o ne x p e r i m e n to ft h el e v i t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nl i n e a rt h e o r y , w h i c hd e p e n d so nt h em o d e lo ft h ec o n t r o l o b j e c t ，c a n n o ta p p l yt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e i no r d e rt oa c h i e v es t a b l es u s p e n s i o no ft h em o t o r ，t h e 南京航空航天大学硕士学位论文 a c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l ( a d r c ) a l g o r i t h mh a sb e e ns e l e c t e d ，w h i c hi sp r a c t i c a ln o n l i n e a r c o n t r o ls t r a t e g ya n dc a nb ea p p l i e dt on o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l e dc o n t r o lo b j e c t t h ev a l i d i t yo ft h e a d r ca l g o r i t h mh a sb e e nt e s t e dt h r o u g hv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o ns i m u l a t i o ns u c ha sc o n s t a n t d i s t u r b a n c e ，s t e pd i s t u r b a n c e ，i m p u l s i v ed i s t u r b a n c e ，w h i t e n o i s ed i s t u r b a n c e ，s i n u s o i d a ld i s t u r b a n c e a n dp a r a m e t e r sv a r i a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ea c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o lp r o g r a mo ft h el e v i t a t i o ns y s t e mh a sb e e n w r i t t e nb a s e do nd s pf 2 8 1 2a n dt h el e v i t a t i o ns y s t e mc l o s e l o o pe x p e r i m e n th a sb e e na c h i e v e d a t l a s tt h et o r q u es y s t e mc l o s e - l o o pe x p e r i m e n th a sa l s ob e e na c h i e v e db a s eo nt h ea c t i v ed i s t u r b a n c e r e j e c t i o nc o n t r o lo ft h el e v i t a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：b e a r i n g l e s sm o t o r ，c o n s e q u e n t - p o l e ，c o n t r o ls y s t e m , l i n e a rs y s t e m ，s t a t ef e e d b a c k ，a d r c a c k n o w l e d g et h eg r a n t so f n a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 9 7 7 0 4 3 ) 交替极无轴承永磁电机控制系统研究 目录 第一章绪论1 1 1 无轴承电机研究背景和概况1 1 1 1 无轴承电机的研究背景。1 1 1 2 无轴承电机的特点1 1 2 交替极无轴承永磁电机研究的背景和意义2 1 3 国内外研究现状及发展趋势2 1 4 本文的研究意义及研究内容3 1 4 1 本文的研究意义3 1 4 2 本文的主要工作及具体研究内容4 第二章交替极无轴承永磁电机工作原理和数学模型6 2 1 引言6 2 2 交替极无轴承永磁电机的基本原理6 2 2 1 交替极无轴承永磁电机的结构6 2 2 。2 交替极无轴承永磁电机悬浮原理7 2 3 交替极无轴承永磁电机的数学模型8 2 3 1 交替极无轴承永磁电机的悬浮数学模型8 2 3 2 交替极无轴承永磁电机的转矩数学模型。1 2 2 4 交替极无轴承永磁电机的状态空间表达式1 5 2 5 本章小结1 6 第三章基于线性系统理论的交替极无轴承永磁电机控制算法研究1 7 3 1 引言。17 3 2 基于c r p w m 的交替极无轴承永磁电机矢量控制系统1 7 3 2 1 电机控制系统简介1 7 3 2 2 电机悬浮控制系统简化。1 8 3 3 基于线性调节器设计理论的悬浮系统p i d 类控制算法研究n h 钔1 9 3 3 1 电机悬浮系统电流环控制器研究。1 9 3 3 2 电机悬浮系统位移环控制器研究。2 2 3 4 基于线性系统理论状态反馈的电机控制系统仿真研究啪1 2 6 3 4 1 基于状态反馈的电机转矩系统仿真2 7 3 4 2 基于状态反馈的电机悬浮系统仿真3 0 第 第 第 参 致 攻 交替极无轴承永磁电机控制系统研究 图标清单 图2 1 电机绕组结构示意图7 图2 2 电机定转子结构示意图7 图2 3 交替极无轴承永磁电机悬浮原理示意图8 图2 4 参数和坐标的定义9 图2 5 气隙磁导分布图1 0 图2 6 转子悬浮系统运行方程示意图。1 2 图2 7 物理模型1 3 图2 8 旋转坐标系下的模型1 3 图3 1 交替极无轴承永磁电机控制系统框图。1 7 图3 2 电机悬浮绕组内部各变量转换关系框图。1 8 图3 3 电机悬浮系统简化控制框图。1 8 图3 4 电机悬浮系统电流环结构图1 9 图3 5 电流环在单位阶跃和工频正弦输入时跟踪波形。2 l 图3 6 电流环在5 0 h z 、6 0 h z 正弦输入时跟踪波形2 1 图3 7 参数整定后电流环开环幅频特性图2 2 图3 8 电机悬浮系统位移环结构图。2 2 图3 9 位移环p d 控制器参数整定效果仿真图2 6 图3 1 0 参数整定后位移环开环幅频特性图2 6 图3 1 1 状态反馈系统结构框图2 7 图3 1 2 转矩系统转速跟踪控制结构框图2 7 图3 1 3 电机转矩绕组模块仿真系统结构图2 9 图3 1 4c r p w m 逆变器模块仿真系统结构图2 9 图3 1 5 空载时转速波形3 0 图3 1 6 空载时电磁转矩波形3 0 图3 1 7 转矩负载突变时转速和转矩波形3 0 图3 1 8 转速突变时转速和转矩波形3 0 图3 1 9 电机悬浮绕组模型3 l 图3 2 0 转子起浮位移波形3 2 图3 2 l 不同径向正弦扰动力下位移波形3 2 图3 2 2 电机悬浮绕组电阻值摄动时位移波形3 3 图4 1n 阶自抗扰控制器结构框图3 5 图4 2 二阶非线性跟踪微分器结构框图4 l 图4 3 三阶扩张状态观测器结构框图4 2 图4 4 恒定扰动、阶跃扰动和脉冲扰动下径向位移波形。4 3 图4 5 转速1 0 r p m 、1 0 0 r p m 时位移波形4 4 图4 6 转速1 0 0 0 r p m 、6 0 0 0 r p m 时位移波形4 4 图4 7 转速在( 2 5 0 r p m ，2 2 0 0 r p m ) 时转子位移变化趋势4 5 图4 8 随机白噪声作用时转子位移波形4 5 图4 9 悬浮系统固有参数变化时转子位移波形对比图。4 6 图5 1 交替极无轴承永磁同步电机硬件系统图。4 7 图5 2 实验平台主要硬件图。4 9 图5 3 悬浮控制模块流程图4 9 图5 4 位移环调节子程序。4 9 图5 5t d 测试波形一。5 0 图5 6t d 测试波形二5 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 7e s o 跟踪规则信号测试波形5 l 图5 8e s o 跟踪不规则信号测试波形5 l 图5 9 悬浮绕组x 方向电流环波形5 2 图5 1 0 悬浮绕组y 方向电流环波形5 2 图5 1 1 电机悬浮系统位移环开、闭环实验波形5 2 图5 1 2 转子起浮时位移波形5 3 图5 1 3 转子起浮时x 、y 方向电流波形5 3 图5 1 4 静止悬浮径向位移稳态波形5 4 图5 1 5 静止悬浮x 、y 方向电流稳态波形5 4 图5 1 6 转速开环时位移稳态波形5 4 图5 1 7 转速开环时x 、y 方向电流稳态波形。5 4 图5 1 8 闭环转速6 0 0 r r a i n 时位移波形5 5 图5 1 9 闭环转速1 2 0 0 r m i n 时位移波形。5 5 图5 2 0 闭环转速1 8 0 0 r m i n 时位移波形。5 5 图5 2 l 闭环转速2 4 0 0 r m i n 时位移波形5 5 图5 2 2 转矩绕组a 相给定电流与反馈电流波形5 6 图5 2 3 转速升速、转矩电流及位移波形5 6 表3 1 电流环有关参数及电流调节器设计结果2 1 表3 2 位移环有关参数、时域性能指标要求及位移控制器设计结果。2 4 表3 3 转矩系统主要参数及控制器参数。2 8 交替极无轴承永磁电机控制系统研究 一、基本变量与说明 基本符号 p i ，p 2 n l un l vn l w n 2 un 2 vn 2 w ， q ，c 0 2 0 皿朋 霍， v | b 国， k ，b ，匕 e t 墨 d ，y l g l 话 j 色 4 ，4 ， 么 u l d ，“l 口 厶d ，气 6 v l n 注释表 说明 转矩、悬浮绕组极对数 三相转矩控制绕组 三相悬浮控制绕组 转矩、悬浮控制绕组电角频 率 转子位置角 永磁体磁链 x 方向悬浮绕组电流产生的 磁链 转子磁极励磁磁链 定子电流矢量 转子电角速度 转矩绕组三相电流 转子电角度 转矩绕组电压 转矩绕组电阻 d ，g 轴定子磁链 d ，q 轴线圈漏感 转子转动惯量 永磁体磁极弧度角 转矩和悬浮绕组气隙磁动 势基波分量 总的合成气隙磁动势 d ，q 轴定子电压 d ，q 轴线圈的自感 气隙长度 基本符号 l s 5 l 1 d ，l i ，l q 正 丸 谚 4 b j z 肼 g 兄 国 毛，厶。 z ， y i b 心 z m p r 只 屯 x ，y f 。，f 搿 说明 d ，q 轴线圈漏感 d ，q 轴线圈励磁电感 负载转矩 定子角坐标 铁极弧度角 永磁磁场气隙磁动势基波分量 气隙中磁密 转子铁心长度 永磁体厚度 气隙长度 单位面积气隙磁导 转矩绕组电流的机械角频率 d ，q 轴定子电感 永磁体等效到d 轴定子侧的励 磁电流 定子磁链矢量 定子电流矢量 真空磁导率 永磁体厚度 永磁体相对磁导率 磁张力 位移刚度 径向位移偏离量 x 、y 方向的外加径向负荷 d s p c r p 、m a d r c t d e s o n l s e f d 硒t a ls i g n a lp r o c e s s c u r r e n tr e g u l a t i o np u l s ew i d t hm o d u l a t i o n a c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e r t r a c k i n gd i f f e r e n t i a t o r e x t e n d e ds t a t eo b s e r v e r n o n l i n e a rs t a t ee r r o rf e e d b a c k 数字信号处理 电流跟踪脉宽调制 自抗扰控制器 跟踪微分器 扩张状态观测器 非线性状态误差反馈 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机研究背景和概况 1 1 1 无轴承电机的研究背景 随着工业化进程的深入，许多工业拖动应用中对高速( 甚至超高速) 、大功率电机的需求越 来越多，这成为目前电机发展的趋势。普通电机中使用的机械轴承存在诸如：( 1 ) 因摩擦阻力 加速轴承磨损，轴承使用周期变短；( 2 ) 电机气隙不均匀，绕组温度升高，降低电机效率，电 机使用寿命变小；( 3 ) 机械轴承本身及其使用中维护、维修费用增加了电机成本等缺点，导致 其不适应当代电机发展的需要。为了解决机械轴承的弊端提出了气浮、液浮轴承技术，然而气 浮、液浮轴承在解决机械轴承不足的同时也引入了一些问题，就是需要专门配备气压和液压系 统，使电机系统体积增加、结构复杂、能耗上升，运行效率低、维护及维修成本上升、系统整 体可靠性差。 为了解决这些问题上世纪7 0 年代出现了磁轴承技术。磁轴承技术是利用磁场力将电机转子 悬浮起来而于电机定子间无机械接触的高性能轴承。磁轴承技术分为主动磁轴承技术和被动磁 轴承技术两大类。磁轴承因为无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声、高速度、高精度、常寿 命等优良特性在许多高速领域获得了广泛应用。但是在实际运行中发现磁轴承技术仍然具有其 自身无法克服的问题，诸如轴向利用率低，电机功率无法进一步提高；需要一定数量的激励绕 组和单相逆变器，悬浮功率比较大；体积大、成本高，在大功率和微型化应用场合存在局限n 。2 1 。 考虑到磁轴承和交流电机定子结构有一定相似性，有研究人员想到如果能将磁轴承中产生 悬浮力的绕组叠绕到电机的定子中，使电机同时具有旋转和悬浮能力，电机不仅获得了磁轴承 技术的优点，也克服了磁轴承和机械轴承的缺陷，这种通过绕组叠加构造的新型电机就是无轴 承电机。 1 1 2 无轴承电机的特点 无轴承电机相对于普通电机和磁轴承电机具有很多优点，更易于向超高速、大功率方向发 展n 巧1 ，其主要优点诸如： ( 1 ) 无轴承电机悬浮绕组不需要单独占用轴向空间提高了电机轴向利用率，电机尺寸小、 功率密度高、造价低，易于提高转速和实现大功率输出； ( 2 ) 无轴承电机无磨损、无润滑，具有更高的可靠性和更长的使用寿命，降低系统成本： ( 3 ) 无轴承电机不需要磁轴承电机系统中的直流励磁电流，悬浮力的产生基于电机的旋转 磁场，径向力控制系统功耗小： 1 交替极无轴承永磁电机控制系统研究 ( 4 ) 无轴承电机悬浮控制绕组只需要一个三相逆变器，相对于磁轴承电机系统需要多个功 率放大器而言，悬浮系统可靠性增大且成本降低； ( 5 ) 无轴承电机径向悬浮力可控，克服了电机高速运行时转子受单边磁拉力作用易偏心的 问题： ( 6 ) 无轴承电机特别是无轴承薄片电机能够应用于微型传动领域。 1 2 交替极无轴承永磁电机研究的背景和意义 交替极无轴承永磁电机( c o n s e q u e n t - p o l eb e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ) 是2 0 0 2 年日 本学者提出的。它与传统永磁型无轴承电机相似处在于电机定子中也是叠绕转矩和悬浮两套绕 组，不同处在于对电机转子结构的改进。电机转子永磁体沿径向方向充磁并按同一极性排列于 转子表面，永磁体之间的铁心凸极被相应地沿径向方向磁化成相同的另一极性，从而永磁体磁 极与转子铁极极性构成交替分布，因此称为交替极电机。通过对电机悬浮机理深入研究后发现 正因为这种特殊的转子结构，使得交替极无轴承永磁电机克服了传统永磁型无轴承电机转矩输 出和悬浮力之间的折中问题，电机悬浮控制不再需要事先获得转子的旋转位置角，有效地减小 电机转矩系统与悬浮系统之间的耦合。交替极无轴承永磁电机结合了磁轴承与无轴承电机的优 点，简化了电机的控制系统，提高了电机的稳定性，在高速电机领域具有广阔的应用前景。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 目前有关交替极无轴承永磁电机的研究从已发表的文献来看，国际上只有日本和英国正在 联合研制，国内只有南京航空航天大学高速电机实验室做了电机本体设计、控制实现等方面的 研究工作。其中文献 7 1 分析研究了转矩绕组和悬浮控制绕组极对数优化配置问题，对传统永磁 型无轴承电机与交替极无轴承永磁电机的转矩和悬浮力进行了分析比较；文献 8 、 9 对该电 机的结构、工作原理及特点进行了阐述，提出采用三相分布式绕组代替集中式绕组，有利于减 小径向悬浮力的扰动：文献 1 0 对交替极无轴承永磁电机的悬浮原理进行深入分析和数学建模， 并进行了实验研究；文献 1 1 在考虑转子静、动态偏心，负载扰动等工况下，提出一种计算电 机径向悬浮力的数学解析模型方法，并从理论上定性分析了不同气隙磁密谐波对悬浮力的影响， 从而为电机建模和优化设计奠定了一定基础；文献 1 2 、 1 3 设计了外转子结构的交替极无轴 承电机，通过采用被动磁悬浮技术增强了转子轴向与扭转方向上的刚度，并用有限元分析和实 验方法进行验证：文献 1 4 对交替极无轴承永磁电机的气隙尺寸和定子槽内绕组的匝数进行了 优化设计；文献 1 5 对多极对数的交替极永磁电机进行研究，通过有限元分析验证了提高转矩 绕组极对数可有效降低转矩与径向悬浮力的耦合，同时采用双层转子结构可提高轴向与扭转方 向的刚度，实现被动悬浮：文献 1 6 对交替极无轴承永磁电机不同悬浮绕组匝数与绕组端电压 之间的关系进行仿真和实验研究，分析比较了悬浮绕组匝数的大小对悬浮性能的不同影响。交 2 南京航空航天大学硕士学位论文 替极无轴承永磁电机转子结构与传统永磁型无轴承电机有着显著不同，其气隙磁场的空间分布 非常复杂，以上文献对电机本体优化设计、建模、控制策略等方面进行了研究，但是并没有指 出具体的研究方法和实现步骤，对控制系统本身的设计以及控制算法的优化没有多少研究。 1 4 本文的研究意义及研究内容 一个好的控制系统是保证交替极无轴承永磁电机能够正常高效工作的前提，控制系统设计 是否合理直接影响电机的工作性能。控制理论是控制系统设计的理论基础，根据控制理论的不 同分类，电机控制方法主要分为：经典( 传统) 控制方法、现代控制方法和智能控制方法。 传统控制方法主要是指基于被控量误差的比例微分积分的线性组合方式的控制算法，即 p i d 算法。在无轴承电机系统中传统控制方法主要用于电机悬浮系统和转矩系统电流环( p i 控 制) 、速度环( p i 控制) 和位移环( p i d 控制) 的控制。 近年来国内外许多研究人员将现代控制方法和智能控制技术应用到无轴承电机控制中，并 取得了一些研究成果，所涉及的控制方法主要包括鲁棒控制、人工神经网络控制、自适应控制 以及上述控制方法的组合。 根据目前的研究现状来看，无轴承电机控制系统实现多采用传统p i d 类控制算法，即便有 研究人员进行了现代控制方法和智能控制技术在无轴承电机控制中的研究工作，其研究成果也 大多集中在算法仿真层面，或者其所用控制算法设计过程较为复杂，不利于工程实现。 1 4 1 本文的研究意义 ( 1 ) 基于状态空间的交替极无轴承永磁电机建模 本文在深入研究交替极无轴承永磁电机本体结构、悬浮机理和工作原理的基础上，结合现 代控制理论的系统状态空间描述法，建立了交替极无轴承永磁电机状态空间形式的数学模型。 这种数学模型能够更加直观的表现电机内部的电磁关系，为将现代控制理论更好的与无轴承电 机控制相结合做了理论的探索。 ( 2 ) 基于线性调节器设计理论的电机控制系统p i d 类控制算法参数整定研究 从目前现有文献调研情况来看，无轴承电机控制系统中p i d 类控制算法依然占主导地位。 p i d 类控制算法是针对实际量与给定量之间差值对系统行为进行调节，对被控对象的数学模型 依赖程度低。p i d 类控制算法在不依赖被控对象数学模型的同时，参数整定困难是该控制算法 不得不面对的事实。本文以经典控制理论线性调节器设计理论为基础，结合交替极无轴承永磁 电机控制的实际，对电机悬浮系统电流环调节器以及位移环调节器参数整定方法做了相关研究 工作，并进行仿真验证。 ( 3 ) 基于线性系统理论的电机控制方法研究 现代控制理论的状态反馈控制律以被控对象状态空间形式的数学模型为出发点，以系统的 3 交替极无轴承永磁电机控制系统研究 零极点为媒介，将现代控制理论与控制工程实际相结合，通过合理的零极点配置使得现代控制 理论应用于具体的控制工程实践中，依据这种控制方法设计的调节器可以获得满足要求的系统 动静态性能，有效克服p i d 类控制方法参数整定困难的问题。 本文利用线性系统理论状态反馈控制方法设计了交替极无轴承永磁电机控制系统，并进行 了仿真研究，为现代控制理论在无轴承电机控制系统中的应用打下基础。 ( 4 ) 交替极无轴承永磁电机非线性控制系统研究 交替极无轴承永磁电机因其特殊的转子结构使得电机转矩系统和悬浮系统耦合度降低，但 交替极无轴承永磁电机与普通机械轴承电机毕竟还是有区别的，如果电机悬浮系统不能够稳定 工作或者对于来自外界的扰动不具备一定的鲁棒性，必然影响到转矩系统正常工作。交替极无 轴承永磁电机又是一个非线性被控对象，传统的p i d 类控制算法是按照线性调节器设计理论设 计的，在电机处于非线性工作状况时p i d 类控制方法有着失效的可能性。 基于上述考虑，本文研究了常用非线性控制方法基础上，选择了自抗扰控制理论作为电机 悬浮系统控制方法。自抗扰控制理论是一种实用的非线性控制策略，将它和交替极无轴承永磁 电机悬浮系统控制结合，不仅能使电机悬浮系统稳定工作，具有一定鲁棒性，更为重要的是针 对交替极无轴承永磁电机这样的非线性强耦合系统能够实现系统动态解耦，这是线性调节器无 法做到的。 ( 5 ) 基于d s p 控制的电机悬浮系统自抗扰控制算法的控制程序编写 自抗扰控制理论的算法实现和传统的p i d 类控制算法相比要复杂，所以算法执行时间也相 对较长，通过合理的选择离散算法来满足交替极无轴承永磁电机悬浮系统实时控制的要求。本 文在深入研究自抗扰控制理论基础上结合f 2 8 1 2d s p 的特点，编写了相应的自抗扰控制数字算 法在试验平台上测试了算法的有效性，为自抗扰控制理论同时也是先进控制理论在无轴承电机 控制系统中的应用奠定了基础。 1 4 2 本文的主要工作及具体研究内容 首先，由于p i d 类控制算法在无轴承电机控制系统中的大量使用，考虑到其参数整定的困 难，本文结合线性调节器设计理论对电机悬浮系统p i d 控制算法参数整定规则进行相关研究。 其次，本文在深入研究交替极无轴承永磁电机的本体结构、悬浮原理和数学模型的基础上，建 立电机状态空间形式的数学模型，并由此利用线性系统理论状态反馈控制律设计电机的控制系 统，搭建相应的仿真模型进行仿真研究。最后，考虑到悬浮系统性能的好坏直接影响电机的性 能，且交替极无轴承永磁电机是非线性强耦合的被控对象，按照线性理论设计的悬浮控制系统 在电机非线性度较高的情况下可能的失效，将自抗扰控制理论引入电机悬浮控制系统中，并在 原理样机上对相关研究内容进行验证。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 本文的主要内容有以下几部分： 第一章：介绍课题的研究背景，包括普通无轴承电机和交替极无轴承永磁电机的研究背景 以及相关控制理论在无轴承电机领域的应用现状，最后介绍本文的研究意义及主要工作内容。 第二章：研究交替极无轴承永磁电机的结构、工作原理和数学模型，从理论上分析交替极 电机转矩控制和悬浮控制解耦的原因，建立电机状态空间形式的数学模型。 第三章：针对传统p i d 类控制算法参数调节困难的实际，以线性调节器设计理论为基础， 结合交替极无轴承永磁电机悬浮系统控制实际，研究p