无轴承异步电机悬浮力模型与数控系统研究

论文摘要

无轴承电机是一种能够同时实现转矩控制与悬浮力控制的新型电机。作为高速或超高速电机发展的重要方向之一,受到了国内外众多专家学者的广泛关注。其中无轴承异步电机因其结构简单、坚固可靠、气隙均匀、易于弱磁调速等特点,较其它无轴承电机更具有研究和应用价值。无轴承异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统。论文在国家自然科学基金的支持下,以无轴承异步电机的悬浮力模型和数控系统为研究重点,对无轴承异步电机悬浮力数学模型、解耦控制策略、悬浮转子位移检测技术和数字控制系统进行了深入研究。具体研究工作如下:1.概述了无轴承电机的研究背景及在国内外的发展概况,重点阐述了无轴承异步电机的研究现状及发展方向,并指出了其研究意义和潜在的应用价值。2.介绍了无轴承异步电机工作原理,分析推导了无轴承异步电机基于电机内部磁力和基于电感矩阵的悬浮力模型,并利用电磁场有限元分析软件ANSYS对无轴承异步电机的悬浮机理和悬浮力模型的正确性进行了验证。3.针对电机电磁转矩和径向悬浮力之间的耦合特性,研究了基于转矩绕组转子磁场定向控制的无轴承异步电机控制策略,建立了无轴承异步电机结构框图和仿真模型,并利用Matlab/Simulink仿真软件对控制系统进行仿真研究。4.研究了无轴承异步电机悬浮转子位移检测技术,从无轴承异步电机对位移传感器性能的要求出发,对比分析了几种非接触式位移传感器,重点对拟采用的电涡流式位移传感器进行性能研究,并对电涡流传感器的安装方案、转子位移检测系统的构建及其测量误差进行分析研究。5.设计了以数字信号处理器TMS320LF2407A DSP为核心部件的无轴承异步电机数字控制系统,详细描述了硬件系统的设计和软件系统的开发,并以二自由度无轴承异步电机为实验样机,对控制系统进行调试和优化,通过实验来验证控制系统和控制方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无轴承电机概述
• 1.1.1 无轴承电机的研究背景
• 1.1.2 无轴承电机的发展概况
• 1.2 无轴承异步电机概述
• 1.2.1 无轴承异步电机的研究现状
• 1.2.2 无轴承异步电机的发展方向
• 1.3 课题研究意义和主要内容
• 第二章 无轴承异步电机悬浮力数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 无轴承异步电机的工作原理
• 2.3 基于电机内部磁力的无轴承异步电机悬浮力数学模型
• 2.3.1 洛仑兹力
• 2.3.2 麦克斯韦力
• 2.3.3 无轴承异步电机悬浮力数学模型
• 2.4 基于电感矩阵的无轴承异步电机悬浮力数学模型
• 2.4.1 静止坐标系下的无轴承电机电感矩阵模型
• 2.4.2 旋转坐标系下的无轴承电机电感矩阵模型
• 2.4.3 无轴承电机悬浮力数学模型
• 2.4.4 无轴承异步电机悬浮力数学模型
• 2.5 无轴承异步电机有限元分析验证
• 2.6 小结
• 第三章 无轴承异步电机转子磁场定向控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 磁场定向控制策略
• 3.3 无轴承异步电机转子磁场定向控制系统
• 3.4 无轴承异步电机转子磁场定向控制系统的仿真研究
• 3.4.1 主要模块仿真模型的构建
• 3.4.2 控制系统的仿真与分析
• 3.5 小结
• 第四章 无轴承异步电机转子位移检测技术
• 4.1 引言
• 4.2 电涡流式位移传感器
• 4.2.1 电涡流式位移传感器工作原理
• 4.2.2 电涡流位移传感器性能研究
• 4.2.3 电涡流位移传感器安装技术
• 4.3 无轴承异步电机转子位移检测系统
• 4.3.1 电涡流传感器的安装方案
• 4.3.2 转子位移检测系统
• 4.3.3 实验调试
• 4.3.4 转子位移检测系统测量误差分析
• 4.4 小结
• 第五章 无轴承异步电机数字控制系统
• 5.1 引言
• 5.2 无轴承异步电机数字控制系统硬件设计
• 5.2.1 数字信号处理器
• 5.2.2 逆变器驱动电路
• 5.2.3 电流信号接口电路
• 5.2.4 速度信号检测电路
• 5.3 无轴承异步电机数字控制系统软件设计
• 5.3.1 集成开发环境CCS
• 5.3.2 软件设计中资源分配及数据格式
• 5.3.3 软件系统总体流程图
• 5.3.4 电机转矩子系统功能模块及程序流程图
• 5.3.5 悬浮控制子系统功能模块及程序流程图
• 5.3.6 串行通信模块及程序流程图
• 5.4 实验研究与结果分析
• 5.4.1 实验平台的构成
• 5.4.2 转矩绕组实验研究
• 5.4.3 悬浮力绕组实验研究
• 5.5 小结
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 主要工作及取得成绩
• 6.2 需进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文