无轴承异步电机控制策略的研究

论文摘要

无轴承电机是集旋转与自悬浮于一体的新型电机,其潜在的应用价值和复杂的运行控制已成为近年来高速及超高速交流传动领域研究的热点。它利用磁轴承结构和交流电机定子结构的相似性,将转矩绕组和悬浮控制绕组共同绕制在电机的定子上,有目的地改变和控制磁场分布,使转子同时具有旋转和自悬浮支撑能力。无轴承异步电机以其结构简单、可靠性高成为研究最早、最多的无轴承电机类型。论文在深入分析无轴承异步电机基本工作原理的基础上,详尽推导了其数学模型,为电机的稳定悬浮运行控制奠定了理论基础。引入磁场定向控制技术,提出了无轴承异步电机转矩绕组气隙磁场定向和转矩绕组转子磁场定向两种高性能矢量控制策略,进行了理论对比分析,明确了各自优缺点,应用MATLAB/Simulink软件建立了上述两种高性能矢量控制策略的控制系统模型,进行了多种运行条件下的对比仿真研究。论文首次提出了无轴承异步电机转矩绕组定子磁场定向控制策略,设计了一自适应磁链观测器观测定子磁链,径向悬浮控制所需的气隙磁链由观测的定子磁链和定子电流适时辨识,应用计算机仿真软件对其进行了多种运行条件下的仿真研究,仿真结果证明了其正确性和有效性。除此之外,论文还分析悬浮控制耦合的原因,并提出了相应的解决方案。最后,针对无轴承异步电机无速度传感器运行的需要,提出了无轴承异步电机交互式模型参考自适应系统(MRAS)控制策略,在计算机仿真软件上成功实现了无轴承异步电机在大负载扰动下的稳定悬浮运行,系统具有良好的动、静态性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 无轴承电机研究概况
• 1.3 课题意义和论文的主要内容
• 第2章 无轴承异步电机的基本理论
• 2.1 旋转电机的电磁力
• 2.2 无轴承异步电机的工作原理
• 2.3 无轴承异步电机的数学模型
• 2.3.1 旋转模型基本方程
• 2.3.2 悬浮力模型基本方程
• 2.4 小结
• 第3章 无轴承异步电机的磁场定向控制
• 3.1 磁场定向控制策略
• 3.2 转矩绕组气隙磁场定向控制
• 3.3 转矩绕组转子磁场定向控制
• 3.3.1 气隙磁场辨识
• 3.3.2 转子磁场定向控制策略
• 3.4 两种磁场定向控制策略的分析比较
• 3.5 仿真研究
• 3.5.1 稳态运行研究
• 3.5.2 动态运行研究
• 3.6 小结
• 第4章 无轴承异步电机的运行控制
• 4.1 自适应磁通观测器
• 4.2 转矩绕组定子磁场定向控制
• 4.2.1 基于定子磁场定向的旋转模型控制
• 4.2.2 径向悬浮力控制策略
• 4.2.3 控制系统
• 4.3 仿真研究
• 4.3.1 稳态运行特性
• 4.3.2 动态运行特性
• 4.4 悬浮控制耦合分析
• 4.4.1 悬浮控制绕组转子电流的影响
• 4.4.2 无轴承异步电机转子偏心的影响
• 4.5 悬浮控制耦合校正方案
• 4.5.1 悬浮控制绕组气隙磁链闭环控制策略
• 4.5.2 无轴承异步电机悬浮力反馈控制策略
• 4.6 小结
• 第5章 无轴承异步电机无速度传感器运行研究
• 5.1 无速度传感器运行研究意义及方法
• 5.1.1 无速度传感器运行研究意义
• 5.1.2 无速度传感器运行方法
• 5.2 基于交互式 MRAS 的参数辨识
• 5.2.1 交互式 MRAS 理论
• 5.2.2 转子速度及转矩绕组定子电阻辨识
• 5.3 无速度传感器矢量控制系统
• 5.4 无速度传感器运行样机仿真研究
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录 B 攻读学位期间所参与的研究项目