永磁型无轴承电机系统的无传感器运行研究

永磁型无轴承电机系统的无传感器运行,是永磁型无轴承电机研究中需要探索的新命题,这对无轴承电机实现低成本、实用化的研究具有重要实际意义。本文进行了适合于无传感器运行的永磁型无轴承电机结构设计研究,建立了永磁型无轴承电机的悬浮力模型及其控制系统。为构成五自由度悬浮系统,研究了永磁偏置径/轴向电磁轴承的设计与控制。针对永磁型无轴承电机的无位置/速度传感器的运行及无径向位移传感器运行进行了深入的理论研究及实验验证。 论文主要工作包括: 一、分析了永磁型无轴承电机的基本工作原理。对永磁型无轴承电机的本体设计进行了研究,提出了永磁体内插式转子结构的无轴承电机方案,其性能满足悬浮运行与控制要求,还为研究无位置、无位移传感器运行创造了条件。建立了计及转子凸极影响和定、转子定位偏心的磁悬浮力解析模型,深入分析了悬浮力模型中有关参数的获取机理,并通过有限元磁场分析方法实现了可控悬浮力和单边磁拉力计算中的计及饱和、电枢反应和悬浮中定、转子定位偏心等非线性因素的参数提取。 二、基于扩展磁路法建立了永磁偏置径/轴向电磁轴承的精确数学模型,依据此模型进行了电磁轴承的设计并得到了电流刚度和位移刚度等控制参数。设计了一种性能优良的双向三电平PWM开关功放,实现了永磁偏置径/轴向电磁轴承的悬浮系统运行。 三、建立了由永磁型无轴承电机与永磁偏置径/轴向电磁轴承构成的五自由度悬浮系统的转子动力学模型。为提高永磁型无轴承电机的悬浮性能,采用混合灵敏度的H∞鲁棒控制方法设计了悬浮力系统控制器。研究结果表明,所设计的控制器性能优良,对外部扰动等不确定因素有很好的鲁棒性。 四、提出了高速下采用自适应滑模观测器法和低速下采用脉动高频信号注入法的转子位置自检测复合方法,以实现永磁型无轴承电机无位置传感器运行。该方法在低速采用高频信号注入法确保了转子位置和速度的检测精度,高速采用自适应滑模观测器方法保证了系统响应的快速性及对参数变化的鲁棒性。确定了两种方法平滑切换的原则。仿真和实验研究表明,转子位置自检测复合方法能够在全速范围内有效检测出转子的空间位置和速度,实现无传感器方式的稳定悬浮运行。随后提出了利用转矩绕组和悬浮绕组的互感,仅在转矩绕组上注入高频激励信号以同时实现转子径向位移信号和位置/速度信号提取的新方法。通过理论分析和电磁场计算证明,该方法能有效地检测转子的位置/速度和位移信号,并能精确地实现位移检测出信号在水平、垂直方向的解耦。 五、设计了基于TMS320F2812数字信号处理器的全数字控制系统,该控制系统为实现永磁型无轴承电机系统无传感器运行研究提供了可靠的实验条件。