无轴承永磁同步电机功率驱动与控制技术

论文摘要

无轴承永磁同步电机是具有磁悬浮轴承功能的新型特种电机,除具有普通永磁同步电机的优点外,还具有无摩擦、无需润滑、无污染、高速度、高精度、寿命长等优点,在半导体制造业、生命科学、飞轮储能、航空航天等领域具有潜在的应用价值。无轴承永磁同步电机系统是一个多变量、强耦合、非线性系统,因此其控制系统的合理设计是电机系统稳定运行的必要保障。本文根据无轴承永磁同步电机控制要求,对控制系统功率驱动系统的硬件进行了较为深入的研究,开发了控制系统的硬件,并开发了基于SVPWM控制方法的系统软件,并进行了实验调试。主要工作内容如下:首先,综述了无轴承电机的研究背景,介绍了无轴承电机的主要特点,分析概括了国内外无轴承电机的研究现状及发展趋势。其次,在分析普通永磁同步电机的数学模型的基础上,结合无轴承永磁同步电机的工作原理,根据麦克斯韦张量法,推导出无轴承永磁同步电机的数学模型。采用转子磁场定向控制策略,实现了电机的解耦控制,并给出了无轴承永磁同步电机的矢量控制系统框图。再次,研制了无轴承永磁同步电机控制系统的硬件,重点设计了包含功率逆变电路、电压反馈电路、光耦隔离电路、故障保护电路等的功率驱动电路板,设计了各种传感器的接口电路以及用于驱动电路供电的多路独立输出开关电源。通过仿真和调试,验证了各部分电路的可行性。采用电压空间矢量控制方法,设计了基于TMS320LF2407A的软件控制系统,给出了主要功能模块的程序流程图。最后,构建了无轴承永磁同步电机数字控制系统实验平台,并对控制系统的硬件、软件进行了调试,给出了相关实验波形;实验证明所采用的控制系统能够实现了电机的稳定运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无轴承电机研究背景
• 1.2 无轴承电机研究与发展概况
• 1.3 无轴承电机研究发展趋势
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 无轴承永磁同步电机工作原理及数学模型
• 2.1 普通永磁同步电机数学模型
• 2.2 无轴承电机的工作原理及数学模型
• 2.2.1 无轴承电机中的电磁力
• 2.2.2 无轴承电机工作原理
• 2.2.3 无轴承永磁同步电机数学模型
• 2.3 无轴承永磁同步电机控制策略
• 2.4 本章小结
• 第三章 无轴承永磁同步电机控制系统硬件设计
• 3.1 功率驱动电路设计
• 3.1.1 功率放大器简介
• 3.1.2 电压反馈电路
• 3.1.3 光耦隔离电路
• 3.1.4 故障保护电路
• 3.1.5 IPM功率智能模块及其外围电路
• 3.2 功率驱动系统辅助开关电源设计
• 3.3 传感器的选择
• 3.3.1 位移传感器选择及其接口电路
• 3.3.2 速度传感器选择及其接口电路
• 3.4 数字控制器芯片选择
• 3.5 本章小结
• 第4章 无轴承永磁同步电机控制系统软件设计
• 4.1 控制方法的选择
• 4.1.1 正弦波脉宽调制（SPWM）技术
• 4.1.2 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术
• 4.2 无轴承永磁同步电机的软件实现
• 4.2.1 数字控制系统软件开发工具简介
• 4.2.2 控制系统软件设计模式选择
• 4.3 控制系统的软件结构
• 4.4 本章小结
• 第五章 无轴承永磁同步电机试验平台调试与研究
• 5.1 控制系统软、硬件调试
• 5.2 转矩绕组实验与结果
• 5.3 悬浮绕组实验与结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要完成工作
• 6.2 需进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间研究成果