磁悬浮球形电动机的机理与控制

论文摘要

磁悬浮球形电动机是一种高速和超高速的驱动源,具有无摩擦、无磨损、无污染、无需润滑以及寿命长等优点,并可以实现空间定点旋转,完成三维运动的需要。适用于各种高速、超高速、真空等特殊环境。在军事、航天、核工业、交通、能源、生命科学等各领域具有广泛的应用前景和重要的科学意义。磁悬浮球形电动机是机电一体化复杂的综合系统。它集球形电动机与磁悬浮技术于一体,具有更高阶、强耦合、非线性等特点。其控制研究的基本要求就是要寻求对各个控制量的良好的解耦方法和探索有效的控制策略。本文阐述了磁悬浮球形电动机的工作机理,设计了磁悬浮球形电动机的总体结构以及定、转子的结构。在结构设计的基础上分别建立了磁悬浮球形电动机转矩部分和电磁悬浮部分的数学模型。并建立了磁悬浮球形电动机转子的动力学模型。另外还建立了磁悬浮球形电动机的状态方程,借助逆系统方法对其状态方程进行了解耦研究,建立了其伪线性化方程。并对解耦后的系统采用了PDF控制方法进行控制。分析了控制系统的稳定性,设计了PDF控制器的结构与参数。然后对磁悬浮球形电动机的动力学解耦进行了分析,并采用构造等效耦合转矩的方法实现了对磁悬浮球形电动机转子的动力学解耦控制。并提出了基于矢量控制的方法对磁悬浮球形电动机的机电耦合系统进行控制。最后建立了磁悬浮球形电动机转子动力学解耦以及控制系统的Simulink仿真模型,对解耦系统和控制系统进行了Matlab仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮球形电动机的研究意义
• 1.2 球形电动机的国内外发展现状
• 1.3 磁悬浮球形电动机的应用及研究方向
• 1.4 论文工作和内容安排
• 第二章 磁悬浮球形电动机的机理与结构设计
• 2.1 磁悬浮球形电动机的结构
• 2.1.1 磁悬浮球形电动机的总体结构
• 2.1.2 磁悬浮球形电动机转子结构
• 2.1.3 磁悬浮球形电动机定子结构
• 2.1.4 定、转子气隙
• 2.1.5 电机底座
• 2.2 磁悬浮球形电动机的工作机理
• 2.2.1 磁悬浮球形电动机机电能量转换的原理
• 2.2.2 磁悬浮球形电动机的悬浮力
• 2.2.3 磁悬浮球形电动机的电磁转矩
• 第三章 磁悬浮球形电动机的系统建模
• 3.1 三维坐标系与三维坐标变换
• 3.1.1 三维坐标系
• 3.1.2 三维坐标变换
• 3.2 磁悬浮球形电动机系统的数学模型
• 3.2.1 假定条件
• 3.2.2 磁悬浮球形电动机悬浮部分数学模型
• 3.2.3 磁悬浮球形电动机旋转部分数学模型
• 3.3 磁悬浮球形电动机转子动力学模型
• 3.3.1 转子动力学方程
• 3.3.2 简化转子动力学方程
• 3.3.3 斜坐标系中的转子动力学方程
• 第四章 磁悬浮球形电动机系统的解耦与控制
• 4.1 逆系统基本理论
• 4.1.1 系统的可逆性与逆系统
• 4.1.2 非线性解耦控制
• 4.2 磁悬浮球形电动机系统的状态方程
• 4.3 磁悬浮球形电动机系统的解耦线性化
• 4.4 磁悬浮球形电动机系统的PDF 控制
• 4.4.1 PDF 控制系统的建立
• 4.4.2 控制系统的稳定性分析
• 4.4.3 PDF 控制器参数确定
• 第五章 磁悬浮球形电动机的矢量控制
• 5.1 磁悬浮球形电动机的转子动力学解耦控制
• 5.1.1 转子动力学解耦分析
• 5.1.2 转子动力学解耦控制
• 5.2 磁悬浮球形电动机的矢量控制系统
• 5.2.1 磁悬浮球形电动机旋转部分的矢量控制
• 5.2.2 磁悬浮球形电动机悬浮部分的矢量控制
• 第六章 磁悬浮球形电动机系统仿真研究
• 6.1 Matlab 和Simulink 简介
• 6.2 磁悬浮球形电动机SIMULINK 仿真模型的建立
• 6.2.1 磁悬浮球形电动机转子动力学解耦Simulink 仿真模型
• 6.2.2 磁悬浮球形电动机矢量控制系统的Simulink 仿真模型
• 6.3 磁悬浮球形电动机控制系统仿真和结果分析
• 6.3.1 磁悬浮球形电动机控制系统仿真模型
• 6.3.2 仿真结果分析
• 第七章 工作总结与展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 今后研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文情况