无轴承电机的设计与控制研究

在高速和超高速电传动新的研究领域内,无轴承电机突破了传统电机的理论范畴,开创了“磁悬浮”电机的研究方向,形成交流电机理论上的一大突破。无轴承电机本身既可产生驱动负载的电磁转矩,又能产生支撑转子的磁悬浮力,使转子实现无机械摩擦旋转,是一种集驱动与自悬浮功能于一体的新型磁悬浮电机。本论文针对感应型无轴承电机的控制和永磁型无轴承电机设计、控制进行了较为深入的研究,建立了感应型和永磁型无轴承电机计及转子偏心的悬浮力模型,研究了基于磁场定向的感应型和永磁型无轴承电机的控制策略,并提出了悬浮力反馈控制。在永磁型无轴承电机的设计研究中,进行了详尽的理论分析、电磁计算和参数的有限元计算,针对样机进行了全数字化控制系统的设计和研制,实现了永磁型无轴承电机的稳定悬浮运行实验,最后还对无轴承电机无传感器运行进行了一些理论和实验的探索工作。论文主要工作包括: 一、从感应型和永磁型无轴承电机的基本原理出发,提出并成功地建立了计及定、转子定位偏心实际运行工况下的磁悬浮力计算的解析模型,模型的准确性和精度通过了有限元电磁场分析的验证,为以后无轴承电机悬浮控制中的实时计算奠定了基础。 二、针对感应型无轴承电机建立了气隙磁场定向的控制系统,并提出了一种优化气隙磁场定向的新型控制策略,实现了感应型无轴承电机的完全动态解耦。针对永磁型无轴承电机转矩绕组和悬浮绕组独立建模的局限性,创造性地提出了包括转矩绕组、悬浮绕组和转子运动于一体的统一数学模型,其精确度得到了基于转子磁场定向控制系统模型的对比仿真验证。同时,针对无轴承电机系统响应时延导致实际悬浮力与参考悬浮力产生误差而影响悬浮稳定性的实际因素,提出了一种悬浮反馈控制的新方法,仿真和实验结果验证了对无轴承电机稳定悬浮运行动态和稳态性能改善的有效性。 三、对永磁型无轴承电机的本体设计进行了研究,详尽地分析永磁型转子结构、转矩绕组、悬浮绕组的参数设计,同时深入研究了永磁体厚度对转矩和悬浮力的影响。并针对样机设计了基于TMS320LF2407A的数字信号处理器为核心的数字控制系统,为实现永磁型无轴承电机悬浮控制提供了可靠的实验条件。 四、针对永磁型无轴承电机无传感器运行的需要,提出了一种基于电机空间凸极跟踪的转子位置估算自检测方法,并应用这种位置自检测方法建立了永磁型无轴承电机无位置传感器的矢量控制系统。仿真研究表明此控制系统能在高、低速和大负载扰动下实现无传感器方式的稳定悬浮运行,对此还进行了初步的实验验证。