无轴承异步电机基本控制策略研究与实现

无轴承电机作为一种集驱动与自悬浮功能于一体的新型磁悬浮电机,除具有传统磁轴承电机无磨损、无润滑、无粉尘等特点以外,由于悬浮控制绕组与转矩控制绕组同时叠绕在定子槽内,并以转矩控制绕组的旋转磁场作为产生悬浮力的偏置磁场,因此,在空间利用率、电磁效率等方面均有所提高。本文以无轴承异步电机作为研究对象,建立转子偏心情况下的无轴承异步电机数学模型,研究了基于磁场定向的无轴承异步电机系统、悬浮子系统独立控制策略以及利用探测线圈分别测量两套绕组气隙磁场的方法,分析了悬浮控制耦合原因,并提出相应解决方案。最后设计了全数字化控制系统,实现了无轴承异步电机多种控制策略下的稳定悬浮。主要工作包括: 通过推导无轴承异步电机绕组电感系数矩阵,建立了转子偏心情况下电磁转矩和悬浮力较为精确的数学模型,为控制系统设计提供了理论依据。 针对无轴承异步电机电磁转矩和悬浮力强耦合特性,研究了基于转矩控制绕组气隙磁场定向控制的无轴承异步电机控制策略。为解决气隙磁场定向控制最大转矩限制和非线性机械特性等问题,本文在以往基于转矩控制绕组转子磁场定向控制的无轴承异步电机系统基础上进行了改进:通过转子磁链和定子电流来辩识出悬浮控制所需的气隙磁链值。实验和仿真结果表明实验样机具有良好的动、静态性能。 研究基于探测线圈测量或 U-I 磁链观测模型辨识气隙磁场的悬浮子系统独立控制,实现了转矩控制绕组和悬浮控制绕组在控制策略上的相互独立。分析了利用探测线圈分别测量转矩控制绕组和悬浮控制绕组气隙磁链的一般规律,在研究均匀位置法和典型位置法两种经典测量法之后,提出了新的具有普遍意义的解析方法,并实现了最小探测线圈数测量气隙磁链。实验结果证明了所述方案的有效性。 分析了悬浮控制中造成悬浮力偏差的主要因素,并提出了解决方案。通过改变位置调节器 PID 参数和增加相位补偿环节,在一定程度上可以消除悬浮控制绕组转子感应电流、控制系统延时和数字滤波器对悬浮控制性能的影响;利用磁链跟踪逆变器取代电流跟踪逆变器控制悬浮控制绕组,也可以消除悬浮控制绕组转子感应电流引起的悬浮力耦合影响。最后给出了实验结果和分析。 本文设计了基于 TMS320LF2407A 双数字信号处理器为核心的数字控制系统,为实现无轴承异步电机悬浮控制提供了可靠的实验条件。