無速度傳感器的無軸承異步電機(jī)定子磁場(chǎng)定向控制的研究_圖文

1、江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文無速度傳感器的無軸承異步電機(jī)定子磁場(chǎng)定向控制的研究 姓名:于焰均申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):電力電子與電力傳動(dòng)指導(dǎo)教師:劉賢興20090606江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要無軸承電機(jī)是一種集驅(qū)動(dòng)和自懸浮功能于一體的新型磁懸浮電 機(jī)。與傳統(tǒng)磁:懸浮電機(jī)懸浮機(jī)理不同,它利用磁軸承結(jié)構(gòu)和交流電機(jī) 定子結(jié)構(gòu)的相似性,把電樞繞組和懸浮控制繞組共同繞制在電機(jī)的定 子上,利用懸浮繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)來改變電機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)的分布,從而 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮工作。該電機(jī)自20世紀(jì)90年代提出以來,目前已 逐步成為交流電機(jī)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。無軸承異步電機(jī)是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性多變量復(fù)雜系統(tǒng),本文重 點(diǎn)研究了無軸承

2、異步電機(jī)的基礎(chǔ)理論,建立了數(shù)學(xué)模型,研究了基于 磁場(chǎng)定向的無軸承異步電機(jī)控制系統(tǒng),對(duì)無軸承異步電機(jī)的無速度傳 感器技術(shù)進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了數(shù)字控制系統(tǒng),具體內(nèi)容為:首先,介紹了無軸承異步電機(jī)徑向懸浮力的產(chǎn)生原理,推導(dǎo)了徑向 懸浮力和電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力 之間的耦合特性,提出了無軸承異步電機(jī)的定子磁場(chǎng)定向控制的解耦 方法,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)磁鏈觀測(cè)器,低速時(shí)工作于,一緲法轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè) 模型,高速時(shí)工作于U一模型,實(shí)現(xiàn)了全速范圍內(nèi)的磁鏈觀測(cè)。對(duì)于 懸浮繞組采用了懸浮力反饋控制系統(tǒng),將從位置PID控制器得到的徑 向懸浮力和由偏心引起的單邊磁拉力反饋結(jié)合起來,得到實(shí)際作用的 徑

3、向控制力。對(duì)于徑向力繞組采用了d軸電流直接求解的控制策略。 利用Matlab/si舢link工具對(duì)這種控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真實(shí)驗(yàn)表 明這種控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮,而且基本實(shí)現(xiàn)了徑向懸江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文浮力和旋轉(zhuǎn)力矩之間的解耦。其次,提出了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無軸承異步電機(jī)矢量 控制系統(tǒng),構(gòu)成了無速度傳感器無軸承異步電機(jī)定子磁場(chǎng)定向控制系 統(tǒng)。利用Matlab建立了仿真模型,并做了各種轉(zhuǎn)速下的仿真,通過仿 真驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)具有較好的性能。最后,基于對(duì)定子磁場(chǎng)定向控制策略的分析,應(yīng)用TMS320F2812DSP 構(gòu)建了數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件,開發(fā)了數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件,給出了各 個(gè)

4、功能模塊的流程圖。關(guān)鍵詞:無軸承異步電機(jī),定子磁場(chǎng)定向控制,無速度傳感器,數(shù)字 控制Il江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTThe bearingless motor which integrates motor and magnetic bearing, has the function of rotation and self-levitation.Different from the traditional suspension principle of magnetic suspension motor,the bearingless motor winds the levitatio

5、n windings together with conventional motor windings to produce radial forces by taking advantages of the similarity between the structure of magnetic bearing and that of the AC motoc The rotor shaR can be successfully suspended by the electromagnetic forces.It has been the focus of research work on

6、 high speed motor since 1990S.The self-bealing induction motor is a strongcoupled,nonlinear, multivariable complicated system.This dissertation focuses on the fundamental theory and experiments of self-bearing induction motor including mathematic models,flux oriented controller,speed sensorless tech

7、nology and the digital control system design.The detail contents al e as follows:Firstly,the principle of radial suspension force is expounded.The mathematic models of radial suspension forces and rotation part of the self-bearing induction motor ale deduced.In order to realize thedecoupl ing contro

8、l of torque and radialsuspension forces for self-bearingcontrol are designed,this dissertation brings forward the decouping method of stator flux oriented control,designs the obercation of self-accommodation flux.If the motor works on the low speed,this observation will use the I一緲model,or else the

9、observation will use the U.I model.The this method realizations the observation of flux in full career.The suspendrotator uses the feedback of suspend force system,combines the suspend-force to the unilateral magnetic force,inIII江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文order to receive the factly control force.The radial-rotator

10、adopts the control method with direct solution of daxis current.This control system iS simulated with Matlab/Simulink toolbox.Simulation results have shown that rotor can suspension steadily,toque and radial suspension subsystems can operate independently.Secondly,this dissertation adwances the sens

11、ofless vector control on induction motor with extended kalman filter(EKF,the speed sensorless flux oriented systems of self-bearing induction motor are established. UsingMatlab/Simulink toolbox,the simulation model is established.It can be seen that the control system has good performance by simulat

12、ion in different speed.At last,based on the principle of stator flux oriented control,the digaital control system is designed usingTMS320F2812DSP,and the flowcharts of each functional block are presented.KEY WORDS:Self-bearing Induction Motor,The stator flux orientation vector control,Speed Sensorle

13、ss,Digital ControlIV學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定, 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版, 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密口, 在 年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于不保密F-I。學(xué)位論文作者簽名:j姻句 導(dǎo)師簽名:答字日期:1年6月J7日 答字日期獨(dú)創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn) 行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容以外

14、,本論文 不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的 研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人 完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:j渤伯 日期:加7年6月郵江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1.1無軸承電機(jī)研究的背景和概況1.1.1無軸承電機(jī)的歷史背景隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,高速和超高速電機(jī)被廣泛運(yùn)用于高速機(jī)床、渦 輪分子泵、離心機(jī)、壓縮機(jī)、飛輪儲(chǔ)能以及航空航天等領(lǐng)域。然而轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行 時(shí)帶來的摩擦阻力增加,機(jī)械軸承磨損加劇,造成電機(jī)發(fā)熱,不僅降低電機(jī)工作 效率,縮短電機(jī)和軸承使用壽命,也增加了對(duì)電機(jī)和軸承維護(hù)的負(fù)擔(dān)。為了克服 機(jī)械軸承

15、性能的不足,高速電機(jī)一般采用氣浮、液浮軸承。但是氣浮和液浮軸承 均需要配備專門的氣壓、液壓系統(tǒng),這不僅使電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、耗能 多、效率低,同時(shí)氣壓、液壓系統(tǒng)的故障會(huì)使氣浮、液浮軸承失效,從而導(dǎo)致電 機(jī)無法正常運(yùn)行,這同樣降低了電機(jī)和系統(tǒng)的可靠性。到70年代末,發(fā)展了磁 軸承技術(shù)。磁軸承是利用電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間,使轉(zhuǎn)子和定子之間沒有任何 機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承。磁軸承按照磁場(chǎng)產(chǎn)生性質(zhì)的不同,有主動(dòng)磁軸 承(Active和被動(dòng)磁軸承(Passive之分n231。主動(dòng)磁軸承的磁場(chǎng)是主動(dòng)可 控的,被動(dòng)磁軸承的磁場(chǎng)是不可控的。磁軸承的磁力可由電磁鐵提供,稱電磁軸 承;也可由永久磁鐵和

16、電磁鐵共同提供,稱為混合磁軸承;或由永久磁鐵單獨(dú)提 供。由于主動(dòng)磁軸承明顯地優(yōu)于被動(dòng)磁軸承,在磁懸浮領(lǐng)域,應(yīng)用最廣泛的是主 動(dòng)磁軸承。磁軸承具有無磨損、無潤滑、無機(jī)械噪聲、壽命長等優(yōu)點(diǎn),從根本上 改變了傳統(tǒng)的支承形式,因而在近三十年來得到了迅速的發(fā)展和完善,傳統(tǒng)的磁 軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1.1(a所示。電機(jī)幫符! 軸向 電機(jī)嗣衽向磁軸承 戳軸承 向醺軸承圖1.1磁軸承電機(jī)和無軸承電機(jī)對(duì)比示意圖但是由于磁軸承本身占有一定的軸向空間,因而存在著轉(zhuǎn)子剛度小、臨界轉(zhuǎn)江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文速低等問題,限制了其臨界轉(zhuǎn)速和輸出功率,同時(shí)也影響到高速電機(jī)的微型化; 此外,由于每個(gè)自由度的磁軸承需要一套功放,從而使

17、系統(tǒng)成本增加。由于以上 原因,使磁軸承高速電機(jī)在大功率和微型應(yīng)用場(chǎng)合受限制。無軸承電機(jī)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型磁懸浮電機(jī)。無軸承電機(jī) 的結(jié)構(gòu)如圖1.1(b所示。它不僅繼承了傳統(tǒng)磁軸承無潤滑、無磨損、無機(jī)械 噪聲等特點(diǎn)。還具有以下優(yōu)點(diǎn):軸向尺寸縮小,功率密度高,造價(jià)低,提高了臨 界轉(zhuǎn)速及功率,從根本上改變了傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制。無軸承異步電機(jī)能實(shí)現(xiàn) 大功率高轉(zhuǎn)速運(yùn)行,在高速精密機(jī)械加工、航空航天、能源、交通、化工、生命 科學(xué)等電氣傳動(dòng)領(lǐng)域己經(jīng)初步顯出了極其重要的科研與應(yīng)用價(jià)值。1.1.2無軸承電機(jī)的發(fā)展概況1985年Higuchi在“Magnetically floating actu

18、ator having angular positionfunction”中提出了一種結(jié)合磁軸承的步進(jìn)電機(jī),提出可以利用電機(jī)勵(lì) 磁電流來解耦轉(zhuǎn)矩和徑向力。n.Bosch于1988年首次開始使用無軸承電機(jī) (Bearingless Motor這個(gè)概念的b3。無軸承電機(jī)是一種具有磁軸承支承功能 的電機(jī),也稱作磁懸浮電機(jī),近十年來在國外得到較快的發(fā)展,將徑向懸浮支承 技術(shù)與電機(jī)相結(jié)合的思想最早可以追溯到三十年前。早在1974年,德國學(xué)者 P.K.Herman就提出了一種具有定子雙繞組結(jié)構(gòu),且具有自懸浮能力的電磁裝置, 同時(shí)申請(qǐng)了專利H1。同年,美國學(xué)者G.Meinke提出了另外一種分離繞組的磁懸 浮

19、裝置,也申請(qǐng)了專利。十多年后,日本人T.Higuchi提出了步進(jìn)型磁懸浮電機(jī) 瞄1;美國學(xué)者S.wi兒ianmson提出了定子雙繞組,兩種繞組極對(duì)數(shù)相差為1的磁 懸浮電機(jī)哺1;另一位美國學(xué)者P.A.Studer在1987年提出了無刷直流電機(jī)磁懸浮 電機(jī),他們先后申請(qǐng)了美國專利H1。但是由于當(dāng)時(shí)存在著一些無法解決的技術(shù)難 題,特別是沒有提出有效的控制方法。因此,這些早期的磁懸浮電機(jī)均屬于概念 性磁懸浮驅(qū)動(dòng)裝置,但是為以后的無軸承電機(jī)的發(fā)展提供了很好的參考。進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代,無軸承電機(jī)的研究取得了飛速的發(fā)展,以運(yùn)動(dòng)控制 技術(shù)的進(jìn)步為基礎(chǔ),各種結(jié)構(gòu)的無軸承電機(jī)及其控制技術(shù)相繼出現(xiàn),逐步形成了 無

20、軸承電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和控制方法。這其中包括無軸承異步電機(jī)、無軸承永磁同 步電機(jī)、無軸承開關(guān)磁阻型電機(jī)和無軸承同步磁阻型電機(jī)等。這個(gè)時(shí)期,各種類 型的無軸承電機(jī)相繼進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室研究階段。一些學(xué)者研究了無軸承電機(jī)的控制方2江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文法,初步形成了無軸承電機(jī)的基本理論,也得到了一些初步的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)無軸 承電機(jī)系統(tǒng)地進(jìn)行研究最初是從瑞士聯(lián)邦工學(xué)院(ETH開始的。接著,日本和 美國也開展了廣泛的研究。日本學(xué)者A.Chiba、Rahman等較早的研究了無軸承電 機(jī)的基本特性,并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了無軸承異步電機(jī)定子轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮 控制繞組之間的互感矩陣,從而得到了徑向懸浮力的解析公式,并且采用P

21、ID 控制策略實(shí)現(xiàn)了無軸承感應(yīng)電機(jī)空載時(shí)的懸浮控制似M釘。M.Ooshima等學(xué)者研究 了無軸承永磁電動(dòng)機(jī)的控制及其磁飽和時(shí)的去磁問題n們1引,并應(yīng)用磁場(chǎng)計(jì)算的 方法分析了無軸承永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)分布n 3l。Okad教授是較早研究無軸 承永磁電機(jī)的學(xué)者之一,他領(lǐng)導(dǎo)的課題組在無軸承永磁型電機(jī)方面取得了一系列 顯著的成果n鉑n司n61。目前無軸承電機(jī)的應(yīng)用已不僅僅局限于高速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,在一 些生、化、醫(yī)、機(jī)電等特殊領(lǐng)域也逐漸展示其獨(dú)特的優(yōu)越性。正因?yàn)槿绱?無軸 承電機(jī)一直受到工業(yè)界的高度重視,瑞士、德國、日本、美國均在大力資助這項(xiàng) 高新技術(shù)的研究,在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)將是高速電機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)

22、。1.1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)目前發(fā)表文獻(xiàn)來看,各種傳統(tǒng)的電機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)無軸承技術(shù),但由于傳 統(tǒng)電機(jī)固有優(yōu)缺點(diǎn),導(dǎo)致其無軸承電機(jī)同樣不可避免存在相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)。目一前國 際上研究的無軸承電機(jī)的種類有無軸承異步電機(jī)、無軸承永磁同步電機(jī)、無軸承 單相電機(jī)、無軸承同步磁阻電機(jī)和無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)。從已發(fā)表的論文來看, 重點(diǎn)致力于無軸承異步電機(jī)、無軸承永磁同步電機(jī)和無軸承薄片電機(jī)的研究。 目前瑞士、日本和美國等國家都大力支持開展這項(xiàng)研究工作。如瑞士 R.Schoel、N.Barletta的和Pascal N.Boesch等人對(duì)無軸承感應(yīng)電機(jī)和無軸承 片狀電機(jī)進(jìn)行了研究n 7181,日本的A.Chiba、C

23、.Michioka和S.Mori等人對(duì)無 軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)無負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)12000r/min, 轉(zhuǎn)速在8000r/min情況下,輸出功率為2.12kWn 9馴,日本的M.Ooshima、A.Chiba、 T.Ohishid等人對(duì)無軸承永磁同步電機(jī)進(jìn)行了研究,到目前的最新研究成果是 完成了對(duì)功率4kW,轉(zhuǎn)速11000r/min的表面表面凸裝式無軸承永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn) 樣機(jī)的研制,該樣機(jī)為四自由度,僅能連接軸向共線負(fù)載,并沒有真正意義上的 應(yīng)用價(jià)值.美國的Lyndon S.Stephen等人研究了無槽洛侖茲力無軸承電機(jī)旺“翻 由于這種電機(jī)徑向懸浮力較小,僅適用于航天航空領(lǐng)

24、域特殊的電氣傳動(dòng)。3江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文國內(nèi)無軸承電機(jī)的研究起步較晚,尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。自20世紀(jì)90年代后 期,江蘇大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等先后得到了國家 自然科學(xué)基金資助,開展了無軸承電機(jī)的研究工作,并在理論和實(shí)驗(yàn)方面取得了 一些成績。沈陽工業(yè)大學(xué)研制了小容量永磁同步型無軸承電機(jī)用于人工心臟血 泵,他們?cè)诓煌愋娃D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無軸承電機(jī)中進(jìn)行轉(zhuǎn)矩力與懸浮力的比較以及考 慮氣隙偏心下懸浮力的建模、分析上做出了貢獻(xiàn),并研究了混合轉(zhuǎn)子無軸承電機(jī) 及其控制。南京航空航天大學(xué)在永磁偏置三自由度電磁軸承心31、無軸承電機(jī)的磁 場(chǎng)定向控制等諸多方面進(jìn)行了廣泛研究。浙江大學(xué)開展了無軸承

25、異步電機(jī)懸浮力 解析建模和優(yōu)化氣隙磁場(chǎng)定向控制研究,進(jìn)行了永磁型無軸承電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及運(yùn) 行控制研究,并已開始探索永磁型無軸承電機(jī)的無傳感器運(yùn)行口41。西安交通大學(xué) 等則在無軸承電機(jī)控制上進(jìn)行了理論分析和仿真研究他5。1.1.4無軸承電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域無軸承電機(jī)獨(dú)特的懸浮機(jī)理和結(jié)構(gòu)又使得它在飛輪貯能,機(jī)械振動(dòng)阻尼,機(jī) 械軸承卸載,高精密壓制等領(lǐng)域得到高效應(yīng)用。需要免維修、長壽命運(yùn)行、無菌、 無污染以及有毒、有害氣體或液體的傳輸是無軸承電機(jī)的典型應(yīng)用場(chǎng)合,其體積 小、重量輕、受命長、免維修的優(yōu)點(diǎn)將在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮無可替代的作用。 1、無軸承電機(jī)在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用在機(jī)械軸承支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中,當(dāng)轉(zhuǎn)子端部

26、受到外力作用時(shí),轉(zhuǎn)子中部彎曲 程度很大。采用無軸承電機(jī)后,徑向力作用在轉(zhuǎn)子中部,轉(zhuǎn)子彎曲程度得到明顯 改善(如圖1。2所示。由于轉(zhuǎn)子的彎曲模式可以得到有效控制,因此無軸承電 機(jī)在機(jī)床主軸設(shè)計(jì)中具有獨(dú)特的優(yōu)越性。2、飛輪貯能飛輪貯能是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)體作為能量儲(chǔ)存的介質(zhì),利用電動(dòng)發(fā)電機(jī)和 電子控制設(shè)備來控制能量的輸入和輸出。近年來,隨著磁軸承、復(fù)合材料、電力 電子技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破,傳統(tǒng)飛輪貯能上升到了貯能電池的層次。它 在公共電網(wǎng)動(dòng)力調(diào)節(jié)、電動(dòng)汽車、不停電電源(UPS、備用電源、太陽能和風(fēng)能 的儲(chǔ)存、電氣化鐵道再生制動(dòng)能量儲(chǔ)能、核聚變等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?！氨饶?量”是衡量飛輪貯能性

27、能的關(guān)鍵指標(biāo)。圖1.3為采用無軸承電機(jī)的典型飛輪貯能 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。4江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文囂lUlllll刪刪唯J11111111111鯉謬甥 b 墨盈蕾mlllllllllllll旺llllllllilllll睦髓嘲口k呵墾型!型嬰lllllllllllllW隅 產(chǎn) 冒ffl雕m瑟鰉們腫哪l螽區(qū)螽盈矗。圖1.2無軸承電機(jī)在機(jī)械領(lǐng)域的運(yùn)用 圖1.3無軸承電機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3、人工心臟心臟是生命的永動(dòng)機(jī),一旦發(fā)生故障就難以修復(fù)并且會(huì)引起嚴(yán)重后果,甚至 危及生命。因此,當(dāng)心臟發(fā)生故障時(shí),可采用人工心臟部分或全部代替心臟功能。 利用機(jī)械軸承的心臟泵會(huì)產(chǎn)生磨擦和發(fā)熱,使血細(xì)胞破損,引起溶血、凝血

28、和血 栓。使用無軸承電機(jī)驅(qū)動(dòng)的心臟泵可以無摩擦、無發(fā)熱地運(yùn)行,很好的解決了機(jī) 械軸承的缺陷。1.2無軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1無軸承異步電機(jī)的研究現(xiàn)狀目前,無軸承磁懸浮技術(shù)研究主要集中在鼠籠式異步、永磁同步以及開關(guān)磁 阻等類型的無軸承交流電機(jī)上。其中無軸承異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、 易于弱磁等特點(diǎn),是研究最早、最多的類型之一。由于最初的原理樣機(jī)都是非常 簡單的集中式繞組,因此轉(zhuǎn)矩控制繞組采用的控制策略也多為簡單的正弦電流直 接驅(qū)動(dòng)為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與懸浮力之間的解耦控制,然而矢量控制技術(shù)很快就被引入到 無軸承異步電機(jī)控制中,即轉(zhuǎn)矩控制繞組采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。然而 這種方法在

29、懸浮控制中是以轉(zhuǎn)矩控制繞組轉(zhuǎn)子磁鏈近似替代氣隙磁鏈,懸浮性能 受到影響。在此基礎(chǔ)上又提出基于氣隙磁場(chǎng)定向的無軸承電機(jī)控制技術(shù),不僅實(shí) 現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和懸浮力間的解耦控制,而且實(shí)現(xiàn)了無軸承電機(jī)動(dòng)態(tài)時(shí)的穩(wěn)定懸浮,但 控制精度依賴對(duì)溫度較敏感的轉(zhuǎn)子電阻,魯棒性差。還有一種是定子磁場(chǎng)定向控 制利用定子方程作磁通觀測(cè)器,易于實(shí)現(xiàn)且不包含轉(zhuǎn)子參數(shù),加解耦控制后可達(dá) 到相當(dāng)好的動(dòng)靜態(tài)性能,然而低速時(shí)定子電阻壓降的影響致使反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量誤差江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文較大,導(dǎo)致定子磁通觀測(cè)不準(zhǔn),影響系統(tǒng)性能。另一方面,無軸承異步電機(jī)為達(dá)到電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制一般采用磁 場(chǎng)定向控制。這種控制方法需檢測(cè)轉(zhuǎn)子的速度,獲得磁場(chǎng)

30、定向所需磁通的精確空 間位置,實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力之間的解耦控制,確保轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。傳 統(tǒng)轉(zhuǎn)子的速度都是采用機(jī)械式傳感器來檢測(cè),但在使用機(jī)械式速度傳感器時(shí)有著 很大的局限性,因?yàn)閭鞲衅鞅旧碓跈C(jī)械上難以或無法實(shí)現(xiàn)高速、超高速化,從而 會(huì)嚴(yán)重限制無軸承電機(jī)固有的優(yōu)良高速性能的發(fā)揮。所以對(duì)于無速度傳感器的研 究是非常有必要的,采用無速度傳感器時(shí),系統(tǒng)的體積減小,重量減輕,減少了 電機(jī)和控制器之間的連線,使得無軸承異步電機(jī)的應(yīng)用范圍更加廣泛?，F(xiàn)在對(duì)于 無速度傳感器系統(tǒng),由于電機(jī)終端可測(cè)量的只有電壓和電流,因此轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁 鏈只能通過電壓和電流計(jì)算得到。根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型,通過電壓和電流計(jì)算轉(zhuǎn)速 和

31、轉(zhuǎn)子磁鏈的方法很多。目前普通電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法大體上可分為動(dòng)態(tài)速度估計(jì) 器、模型參考自適應(yīng)法、全階狀態(tài)觀測(cè)器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)法、 轉(zhuǎn)子齒諧波法、高頻注入法等。1.2.2無軸承異步電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)隨著無軸承異步電機(jī)研究繼續(xù)深入,今后無軸承異步電機(jī)的發(fā)展方向大致集 中在以下幾個(gè)方面:l、無軸承異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型無軸承異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型是無軸承異步電機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前 使用的數(shù)學(xué)模型在推導(dǎo)過程中進(jìn)行了一些理想化的假?zèng)],比如忽略了兩套繞組之 間的互感、定轉(zhuǎn)子齒槽效應(yīng)等,從而在數(shù)學(xué)模型中引入了誤差。為了獲得高品質(zhì) 的控制性能,則必須建立更準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。2、無傳感器技術(shù)和自供電技術(shù)的研

32、究為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮,就要實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸的位置,而目前無軸承電機(jī)需要 的位置傳感器不僅數(shù)量多,而且價(jià)格昂貴,同時(shí)還增加了無軸承電機(jī)的體積和長 度,目前所知的自傳感方法難于保證高精度和強(qiáng)魯棒性,因此需要進(jìn)一步研究無 傳感器檢測(cè)技術(shù)。另外懸浮控制繞組的功率消耗和增加的一套外接供電線路,使 無軸承電機(jī)系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率降低,因此利用無軸承電機(jī)本身兩套繞組存 在極對(duì)數(shù)差及主要工作在高速狀態(tài)的特點(diǎn),使懸浮控制繞組工作在發(fā)電狀態(tài),實(shí)6江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文現(xiàn)無軸承電機(jī)懸浮控制繞組的可靠自供電對(duì)高速電機(jī)集成化尤為重要。3、懸浮子系統(tǒng)單獨(dú)控制的研究在目前研究的無軸承異步電機(jī)控制策略中,轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)和懸浮控

33、制子系 統(tǒng)之間大多存在轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁場(chǎng)信息傳遞,導(dǎo)致解耦算法復(fù)雜,缺乏實(shí)用性。 因此,有必要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)和懸浮控制子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立控制,使懸浮 性能和調(diào)速性能不受相互影響,增加了系統(tǒng)的可靠性,促進(jìn)無軸承懸浮技術(shù)向高 速化、實(shí)用化方向發(fā)展。4、電機(jī)參數(shù)、結(jié)構(gòu)研究根據(jù)無軸承電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和工作要求,要對(duì)無軸承電機(jī)本體進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì)。主要研究電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式、繞組的繞制方式、兩套導(dǎo)線匝數(shù)的比例問題 等因素對(duì)無軸承電機(jī)參數(shù)、懸浮特性等工作效能的影響。另外,無軸承異步電機(jī) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮因磁飽和及溫度變化等因素對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。磁 飽和對(duì)無軸承異步電機(jī)控制性能的影響主要表現(xiàn)在電機(jī)產(chǎn)

34、生的徑向力和懸浮控 制繞組電流之間的線性關(guān)系受飽和因素的影響較大電機(jī)的磁飽和還會(huì)引起轉(zhuǎn)子 電阻、定轉(zhuǎn)子電感和互感等參數(shù)的變化,參數(shù)變化必然會(huì)導(dǎo)致控制器性能的降低。1.3本文的主要研究內(nèi)容的安排本論文中所要研究的是兩自由度無軸承異步電機(jī)。即忽略徑向和軸向磁軸承, 單獨(dú)研究兩自由度的無軸承電機(jī)部分。本文的具體的研究包括以下內(nèi)容:第一章緒論:介紹無軸承電機(jī)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r、無軸承電機(jī)的組成、 特點(diǎn)、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展趨勢(shì),介紹了本文選題的主要目的,論文的內(nèi)容安 排。第二章無軸承異步電機(jī)的基本理論:介紹了無軸承電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué) 模型。分析了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心情況受到的麥克斯韋力,并針對(duì)定轉(zhuǎn)子同心

35、的無 軸承異步電機(jī),系統(tǒng)地分析了其懸浮控制機(jī)理,闡明了實(shí)現(xiàn)無軸承異步電機(jī)懸浮 控制的核心問題。第三章基于d軸電流直接求解的定子磁場(chǎng)定向控制的無軸承異步電機(jī)的控 制策略:引進(jìn)了新的一種控制方法一d軸電流直接求解。運(yùn)用了定子磁場(chǎng)定向控 制和懸浮力反饋的控制策略,并設(shè)計(jì)了這種解耦的控制系統(tǒng)。最后用MATLAB給 出仿真結(jié)果。7江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第四章無軸承異步電機(jī)的無速度傳感器的研究:采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器算 法,將旋轉(zhuǎn)繞組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速看成系統(tǒng)中的一個(gè)狀態(tài)變量,利用擴(kuò)展卡爾曼濾波法估 算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。通過計(jì)算機(jī)仿真,在無軸承異步電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)上對(duì)這種估 算策略進(jìn)行了研究。最后運(yùn)用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)

36、行仿真。第五章無軸承異步電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路:介紹了包括傳感器,接 口電路,逆變器等硬件構(gòu)成。設(shè)計(jì)了基于定子磁場(chǎng)定向控制的無軸承異步電機(jī)的 數(shù)字控制系統(tǒng)軟件,詳細(xì)介紹了各功能模塊和整體軟件的構(gòu)成,給出了控制軟件 流程圖。第六章總結(jié)論文所做的工作及取得的研究成果,并且提出需要進(jìn)一步研究 的工作。8江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章無軸承異步電機(jī)基本理論無軸承異步電機(jī)是在普通異步電機(jī)的定子槽中加入一套懸浮控制繞組,利用 懸浮控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)來改變氣隙中合成磁場(chǎng)的分布,從而產(chǎn)生徑向懸浮力來 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定懸浮。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮控制,必須建 立較為精確的無軸承異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。本

37、章闡述了無軸承電機(jī)的工作原理,分 析了無軸承異步電機(jī)懸浮力產(chǎn)生機(jī)理,建立了無軸承異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 2.1無軸承異步電機(jī)的基本原理要想了解無軸承異步電機(jī)的基本原理首先要認(rèn)識(shí)到:在電機(jī)中存在著兩種不 同類型的磁力:洛侖茲力和麥克斯韋力啪1。2.1.1洛侖茲力洛侖茲力是電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體作用產(chǎn)生的力,作用在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生切向 的力,異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩正是基于洛侖茲力產(chǎn)生的.圖2.1a以電流和磁鏈均為正 弦分布的一對(duì)極電機(jī)為例來說明洛侖茲力和旋轉(zhuǎn)力矩的產(chǎn)生。2.1.2麥克斯韋力(b (c 圖2.1洛侖茲力和麥克斯韋力磁路中在不同磁導(dǎo)率(如空氣和鐵心的磁性物質(zhì)邊界上形成的磁張應(yīng)力稱 為麥克斯韋力。該力的

38、作用方向垂直于電機(jī)轉(zhuǎn)子的表面。如果電機(jī)中的磁密是對(duì) 稱分布的,其麥克斯韋合力為零(如圖2.1b所示;如果轉(zhuǎn)子偏心引起電機(jī)磁 密分布不均勻,那么麥克斯韋合力就不為零,其作用方向和轉(zhuǎn)子偏心的方向一致9江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文(如圖2.1c所示,這就是電機(jī)理論中的磁張應(yīng)力效應(yīng)。無軸承異步電機(jī)的可 控懸浮力就是基于麥克斯韋力產(chǎn)生的。2.1.3無軸承異步電機(jī)的徑向懸浮力產(chǎn)生原理在無軸承異步電機(jī)的定子中放入兩套具有不同極對(duì)數(shù)的繞組,轉(zhuǎn)矩控制繞組 (極對(duì)數(shù)P。,電角頻率0,懸浮控制繞組(極對(duì)數(shù)P。,電角頻率。, 當(dāng)兩套繞組極對(duì)數(shù)滿足P。=P。1,電角頻率滿足。=(-。時(shí),電機(jī)中才能 產(chǎn)生可控的懸浮力擔(dān)7哪!。懸

39、浮控制繞組的引入,打破了轉(zhuǎn)矩控制繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁 場(chǎng)的平衡,使得電機(jī)氣隙中某一區(qū)域的磁場(chǎng)增強(qiáng),而其空間對(duì)稱區(qū)域的磁場(chǎng)減弱, 從而產(chǎn)生的麥克斯韋合力將指向磁場(chǎng)增強(qiáng)的一方。圖2.2所示的無軸承異步電 機(jī)(P。=1,p。=2中,實(shí)線表示轉(zhuǎn)矩控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng),虛線表示懸浮控 制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)。圖2.2a中的兩個(gè)磁場(chǎng)相互調(diào)制使得轉(zhuǎn)子右側(cè)氣隙磁密大于 左側(cè),其結(jié)果產(chǎn)生的麥克斯韋合力(即徑向懸浮力指向X軸的正方向;圖2.2b 中的兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生了沿y軸正方向的徑向懸浮力。因此,通過轉(zhuǎn)子徑 向位移的負(fù)反饋控制,調(diào)節(jié)懸浮控制繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)的大小和方向,就可以控制作 用在轉(zhuǎn)子上徑向力的大小和方向,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子

40、的穩(wěn)定懸浮。無軸承異步電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩同普通電機(jī)一樣是基于洛侖茲力產(chǎn)生的。(a (b圖2.2無軸承異步電機(jī)懸浮力產(chǎn)生示意圖由上分析可知,徑向力產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是懸浮繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)打破了原來電 機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的平衡,只有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的不平衡,才會(huì)有徑向力作用在轉(zhuǎn)軸上。電機(jī) 的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是由電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組電流建立起來的,而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的不平衡又是懸浮繞 組電流作用的結(jié)果。為了保證無軸承電機(jī)能產(chǎn)生可控的徑向懸浮力,兩套繞組必 須滿足如下關(guān)系:10江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文(1極對(duì)數(shù):P2=Pl1;(2兩套繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向一致;(3兩套繞組中流通的電流頻率f一致2.2無軸承異步電機(jī)中幾個(gè)力的基本方程無軸承異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型建

41、立步驟如下:首先根據(jù)普通異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 得到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)基本方程式,然后在定轉(zhuǎn)子中心重合的條件下推導(dǎo)出懸浮控制繞組 通電時(shí)產(chǎn)生的可控徑向懸浮力基本方程式;接著假設(shè)懸浮控制繞組中沒有電流, 得出轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心位移時(shí)不平衡徑向磁拉力公式;最后得到轉(zhuǎn)子懸浮系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng) 方程舡3引。2.2.1洛侖茲力的基本方程洛侖茲力是電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體作用產(chǎn)生的力,作用在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生切向 的力,異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩正是基于洛侖茲力產(chǎn)生的。當(dāng)懸浮控制繞組通電以后,懸 浮控制繞組在轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)中會(huì)受到洛侖茲力。設(shè)異步電機(jī)定子鐵心長度 l,定子內(nèi)徑r,氣隙感應(yīng)分布率B(緲和定子圓周的電流分布率彳(緲,則沿圓周 單位長度的洛

42、侖茲力(作用于轉(zhuǎn)子上的為:dF,=-A(cox B(緲,.d伊 (2.1 式中妒為空間向量角。將上式沿圓周積分得到X,Y方向的洛侖茲力為瓦=一f:”么(伊B(緲,.cos仍do (2.2 毛=-192彳(緲B(妒,.sinOd簟o (2.3 設(shè)電流和磁場(chǎng)均為正弦分布,對(duì)(2.2和(2.3積分時(shí)可得當(dāng)P:=P。l時(shí)的洛侖茲力公式為:P2=P1+1時(shí):瓦=Ecos(t一/.t,%=Esin(t一 (2.4 P2=P1-1時(shí):ll江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文兄=一巧cos(2一,毛=Esin(2一其中為轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)初始相角,力為懸浮繞組磁場(chǎng)初始相角。 巧=!半,其中j臺(tái)分別為電流密度和氣隙感應(yīng)分布率幅值。

43、由公式(2.4和(2.5得到圖2.3的洛侖茲力向量圖。J 龐 N罡=鼻+1xJ 、3和t 一Fx. 廓,一 F沙Fl最=鼻一1圖2.3洛侖茲力向量圖 根據(jù)電流和磁鏈的定義及矢量的點(diǎn)乘和叉乘原理, 用d,q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量表示:兄=K刪ld+is2qIfflqX(2.5將公式(2.4和(2.5 (2.6%=Kt(i咖ldis2d沙lg (2.7 其中“1”、“2”分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組,下標(biāo)S,r分別對(duì)應(yīng)定子和 轉(zhuǎn)子分量。K,=丟警,。,:分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù); 妙。為氣隙磁鏈分量;:d,:。為懸浮繞組電流分量。2.2.2麥克斯韋力的基本方程設(shè)電機(jī)中氣隙磁密為B,則

44、作用在轉(zhuǎn)子表面幽面積上的麥克斯韋力為:以=等 (2.8 則麥克斯韋力沿x,Y軸方向上的分量為:12江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文哌(加去(咖os(州(妒 dFmy(cp=2lr。B2(妒sin(緲d(緲(2.9 (2.10由于無軸承異步電機(jī)定子上有兩套繞組,因此無軸承異步電機(jī)內(nèi)的氣隙 磁密是由轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組共同產(chǎn)生的合成氣隙磁密,則有:B(cp,=Bj cos(pl緲一lf+B2cos(p2伊一緲2t+允 (2.11 其中為轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)初始相角,允為懸浮繞組磁場(chǎng)初始相角。將式(2.11代入(2.9、(2.10中,分別進(jìn)行圓周積分運(yùn)算得到: P2=Pl+1時(shí):k=。cos(2一,=sin(2一 (

45、2.12 P2=P1-1時(shí):F.x=吒cos(;t一,0=一sin(2一 (2.13Y。 /Q 勿芥二l 九一u F;1 Y。LJ=/巾2錛r. Ni =置一1最=鼻+l圖2.4麥克斯韋力向量圖由公式(2.12和(2.13得到圖2.4所示的麥克斯韋力向量圖。其中,麥克斯韋力的幅值為:巴:_ntr_BIB22tUo每相的氣隙磁鏈為:(2.14 堋=2rElB_.竺l暇肼咄%=警%(2.15江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 三相繞組合成氣隙磁鏈的空間向量幅值為:33沙l 2jym,22互沙2m若忽略懸浮繞組在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電流,則有 沙2=乙2t2將式(2.15(2.17代入(2.14中可得 (2.16 (

46、2.17E:嬰掣黑 (2.1S 18硒護(hù)彤% 根據(jù)矢量的點(diǎn)乘和叉乘原理,將公式(2.12,(2.13用d,q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 表示為:=K。(f刪似+f,2ql口 (2.19 ,0=K。(f,29ld一2dlg (2.20 其中Km 2瓦 n 瓦 P l 麗 P 2L , . 2,由上式即可以求出懸浮繞組給定的電流值:眨is2dlj=麗1毗眇F沙。a-lfflq蹦 弦2, 從(2.19、(2.20可以看出,即為引入懸浮控制繞組后,氣隙中轉(zhuǎn)矩 繞組氣隙磁場(chǎng)和懸浮控制繞組電流所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的懸 浮力。在保持氣隙磁場(chǎng)恒定條件下,其大小與懸浮控制繞組的電流成正比。 只要控制懸浮繞組的電流,就

47、能控制作用在轉(zhuǎn)子上的懸浮力。2.2.3轉(zhuǎn)子偏心時(shí)的不平衡磁拉力假設(shè)懸浮控制繞組中不通入電流,則電機(jī)中的磁通是對(duì)稱分布的,轉(zhuǎn)子 不偏心時(shí),其麥克斯韋合力為零。如果轉(zhuǎn)子偏離了電機(jī)定子的中心,將引起 電機(jī)磁通分布的不均勻,則麥克斯韋合力就不為零,其作用方向和轉(zhuǎn)子偏心 的方向一致,指向氣隙最小處,該力即為不平衡磁拉力。設(shè)g。是定轉(zhuǎn)子中心 重合時(shí)的平均氣隙長度,(X0,Y。為偏心后轉(zhuǎn)子中心坐標(biāo),e是轉(zhuǎn)子偏心位移, 如圖2.5所示。14江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.5轉(zhuǎn)予偏心時(shí)氣隙圖則氣隙長度g(緲就可以表示為緲的函數(shù)其中s:三gog(緲=goPcos(伊一口=go【1-Ecos(g,-a(2.22 設(shè)定轉(zhuǎn)子

48、同心時(shí)氣隙磁場(chǎng)為:B1(qo,f=B1cos(pl緲一緲l,一那么當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心時(shí),氣隙磁密Be(伊也是關(guān)于緲的函數(shù) (2.23Be(緲=了二E(伊,(1+s.cos(妒一口 =雪I cos(plc,o一國l,一(1+s.cos(緲一口:b,cos州刊+爭啷(川嗍刊 Q衛(wèi) +爭cos(Pl-1爐qt-p-a根據(jù)公式(2.8則作用在轉(zhuǎn)子上的不平衡磁拉力為:恥月,dF, 。rPl色2(橢彬緲=殺廓x。 (2.25 2肛sin緲2蕓f”統(tǒng)2(糾sin彬妒=殺鲆y。 (2.26 公式(2.25,(2.26的磁拉力公式并沒考慮磁飽和、齒槽效應(yīng)及電機(jī) 結(jié)構(gòu)等因數(shù)的影響,實(shí)際的磁拉力要小得多,需要引入衰減因

49、子七。一般無 軸承異步電機(jī)取七=0.3,從而實(shí)際作用在轉(zhuǎn)子上的麥克斯韋力為江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文2.3無軸承感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型(2.27 (2.28為了簡化分析,對(duì)無軸承異步電機(jī)先做如下假設(shè):(1三相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在空間對(duì)稱分布,電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)在氣隙 中正弦分布,忽略其空間諧波;(2假定無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組相繞組軸線方向重合, 并定義為口方向;(3各相繞組的自感和互感都是恒定的,即忽略磁飽和的影響;(4不考慮頻率和溫度變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響,忽略鐵心損耗和渦流損耗。 2.3.1懸浮力數(shù)學(xué)模型1341由圖2.4和圖2.5可以看出,當(dāng)P:=P。+1時(shí),洛倫磁力和麥克斯韋力的方 向是

50、相同的,當(dāng)P:=P。-1時(shí)兩個(gè)力的方向是相反的。為了在相同條件下產(chǎn)生的 懸浮力更大,更加能有效的控制轉(zhuǎn)子的懸浮,一般采用P:=P。+1。若令F=瓦+巧為懸浮力可控分量時(shí),則在P:=P。+1條件下有E=K(i刪沙ld+f,29y1口 (2.29=K(i咖yld一2d少lq其中K=K。+K,。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心時(shí),產(chǎn)生的不平衡磁拉力表達(dá)式為L=ksx%=ksy 其中七。:后罷墮為徑向位移剛度。2ogo16(2.30 (2.31 (2.32y 郡 抄 一.o B 別一惴斫一 竺 墮惴 舡 一2=后兄 %江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文2.3.2旋轉(zhuǎn)部分的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)矩繞組電流(P。對(duì)極產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)得到極

51、對(duì)數(shù)為p。的 電流,兩者相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。采用鼠籠式轉(zhuǎn)子時(shí),懸浮控制繞組電流(P:對(duì) 極產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也會(huì)在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)得到P:對(duì)極電流,同樣能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。此 時(shí),鼠籠式無軸承異步電機(jī)可看成兩個(gè)極對(duì)數(shù)分別為P。,P:的電機(jī),整個(gè)無軸 承異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩為兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩相加而成。但懸浮控制繞組電流相對(duì)較小,簡化 起見,可忽略它產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由此得到電機(jī)磁鏈方程、轉(zhuǎn)子電壓方程及轉(zhuǎn)矩方程 為31氣隙磁鏈方程為jf,ld=Lml(tld+f刪 (2.33 =Lmj(f,lg+frlq (2.34 電壓方程為l,一d=Rslf訂d+p沙ld+三sljpi,ld一緲1(少l口+三n,fsl口 (2.35 zf5lg=

52、Rslislg+p少ld+三川pf,lg+緲l(沙ld+三剛fsld (2.36 U,ld=Rrlfrld+pyld+三廠lfpf,ld一(q一緲,(lq+三,】,f,lg=0(2.37 ”,lg=R,lf門g+pylg+三rl,pi,lg+(緲l一彩,(沙ld+r1,ld=0(2.38 轉(zhuǎn)矩方程為兀=pl(islq緲ld一ld沙lq (2.39 式中,k。為轉(zhuǎn)矩控制繞組互感,t。,和。,分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組定子和轉(zhuǎn)子 漏感,q為轉(zhuǎn)矩控制繞組定子角頻率,q轉(zhuǎn)子角速度,P為微分算子,A為轉(zhuǎn) 矩控制繞組極對(duì)數(shù),R,為轉(zhuǎn)矩繞組定子電阻,Rn為轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子電阻。2.3.3電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程模型設(shè)坍為轉(zhuǎn)子質(zhì)量,

53、J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,瓦為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,兄,巴為X,Y上 17江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文外加的干擾分量,則電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為足+一C=腑 (2.40 易+%一=my (2.41 瓦一瓦=岳等 (2.42 根據(jù)公式(2.40、(2.41可以得到圖2.6的轉(zhuǎn)子懸浮系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程示意 圖。2.4小結(jié)圖2.6轉(zhuǎn)子懸浮系統(tǒng)示意圖無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組通入電流建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 使電機(jī)旋轉(zhuǎn),并作為懸浮繞組的偏置磁場(chǎng)。懸浮繞組通電后,所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn) 矩繞組氣隙磁場(chǎng)共同作用,改變?cè)械臍庀洞艌?chǎng)分布,從而改變了轉(zhuǎn)子所受的麥 克斯韋力的大小和方向,使可控徑向懸浮力的產(chǎn)生成為可能。由以上分析可知, 電磁轉(zhuǎn)矩和徑向

54、懸浮力是通過轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁鏈耦合在一起的,因而相對(duì)于普通 電機(jī)而言,無軸承異步電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它是一個(gè)更為復(fù)雜的非線性、 強(qiáng)耦合系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的解耦控制,必須合理控制兩套繞組 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。18江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章無軸承異步電機(jī)定子磁場(chǎng)定向控制的研究由第二章分析可知,無軸承異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和懸浮力控制之間關(guān)于轉(zhuǎn)矩 繞組氣隙磁場(chǎng)存在耦合。因此,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變量之間的解耦是無軸承異步電機(jī)穩(wěn)定 運(yùn)行的前提,采用磁場(chǎng)定向控制是實(shí)現(xiàn)兩者解耦的有效方法。本章首先將各種磁 場(chǎng)定向控制進(jìn)行了比較,根據(jù)各種矢量控制的優(yōu)缺點(diǎn)給出了一種轉(zhuǎn)矩繞組是基于 d軸電流直接求解,懸浮繞組采用了懸

55、浮力反饋控制策略的定子磁場(chǎng)定向控制的 解耦算法。3.1各種磁場(chǎng)定向矢量控制的比較磁場(chǎng)定向控制也稱矢量控制,最早由西德F.Blasschke等人提出,以后經(jīng) 許多人努力逐漸完善,已經(jīng)作為一種基本的原理和方法被普遍地采用,它的基本 思想是考慮到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng),很難直 接通過外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩,但若根據(jù)直流電機(jī)和交流電機(jī)在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的 基本原理上的相似性,以磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo),經(jīng)過一定的數(shù)學(xué) 變換或坐標(biāo)變換,則可以把定子電流中的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量 進(jìn)行分別控制,從而使兩者的電路方程產(chǎn)生聯(lián)系,這樣經(jīng)過坐標(biāo)變換重建的電機(jī) 模型就可以等

56、效為一臺(tái)直流電機(jī),從而可像直流電機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通 控制嘲?；跉庀洞艌?chǎng)定向的無軸承異步電機(jī)的解耦控制,由于氣隙磁場(chǎng)定向控制算 法復(fù)雜、存在失穩(wěn)轉(zhuǎn)矩等缺點(diǎn),且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):徑向懸浮力的控制受氣隙磁場(chǎng)幅值 和相位的影響,如果能在線辨識(shí)出電機(jī)的氣隙磁場(chǎng),則可以采用較簡單的轉(zhuǎn)子磁 場(chǎng)定向控制.文獻(xiàn)39敏銳地提出了基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的無軸承異步電機(jī)的解耦 控制,其通過轉(zhuǎn)矩繞組的轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流在線辨識(shí)出氣隙磁場(chǎng),控制算法簡 單,但控制精度依賴對(duì)溫度較敏感的轉(zhuǎn)子電阻,魯棒性不盡人意。定子磁場(chǎng)定向控 制利用定子方程作磁通觀測(cè)器,易于實(shí)現(xiàn)且不包含轉(zhuǎn)子參數(shù),加解耦控制后可達(dá) 到相當(dāng)好的動(dòng)靜態(tài)性能,然而低

57、速時(shí)定子電阻壓降的影響致使反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量誤差 較大,導(dǎo)致定子磁通觀測(cè)不準(zhǔn),影響系統(tǒng)性能。為了克服這樣的缺點(diǎn),本章根據(jù) 文獻(xiàn)40和41分別講述一般異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁鏈的間接觀測(cè)方法,將U-I法19江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文(定子電壓和定子電流和I一法(定子電流和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了屯 機(jī)的定子磁通在線觀測(cè),推導(dǎo)了電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的在線辨識(shí)公式。3.2基于定子磁場(chǎng)定向控制的轉(zhuǎn)矩繞組的解耦無軸承異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),為了建立數(shù)學(xué) 模型與理論分析的簡化,現(xiàn)做如下假設(shè):1三相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在空間對(duì) 稱分布,電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)在氣隙中正弦分布,忽略其空間諧波;2假定無軸 承異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組A相繞組軸線方向重合,并定義為口方向; 3各相繞組的自感和互感都是恒定的,即忽略磁飽和的影響;4不考慮頻率和 溫度變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響,忽略鐵心損耗和渦流損耗。3.2.1基于定子磁場(chǎng)控制轉(zhuǎn)矩繞組的數(shù)學(xué)模型無軸承異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩繞組的定子磁鏈可表示為:訂d 2m?一d+,:訂d (3.1 虬l(fā)g=sltlg+