无轴承永磁同步电机控制及实验研究

论文摘要

无轴承永磁同步电机是采用了无轴承技术的高性能永磁同步电机,不仅具有永磁同步电机功率因数高、效率高、功率密度大的优点,还具有磁轴承无机械摩擦、无需润滑和免维护等一系列优良特性,可实现高速或超高速运行,在化学化工、生命科学、能源交通、航空航天及机器人等高科技领域具有潜在应用前景。论文在国家自然科学基金(50275067)和国家863高技术研究发展计划(2007AA042213)的支持下,围绕无轴承永磁同步电机的控制开展了理论与实验研究,主要工作如下:1.无轴承永磁同步电机具有两套定子绕组,即转矩绕组与悬浮力绕组。通过分析这两套绕组之间的磁链交链情况,采用机械/电气坐标系变换方法,基于该方法推导出这两套绕组的磁链方程与电压方程。在分析各部分洛仑兹力作用的基础上,给出无轴承永磁同步电机电磁转矩方程。在分析各部分径向力数学表达式形式的基础上,给出无轴承永磁同步电机径向悬浮力方程的完整形式。该数学模型为无轴承永磁同步电机的仿真研究、实验波形分析及结构设计提供了理论依据。2.无轴承永磁同步电机采用转子永磁体励磁,具有起动电流小的优点,但是起动比较困难。基于永磁同步电机转矩产生原理,研究了无轴承永磁同步电机未加悬浮子系统时的起动过程,给出了实现转子准确初始定位的充要条件及优化的定位相序。基于旋转编码器,给出转子位置角可靠检测方法,进而采用转子磁场定向控制实现电机的起动。实验结果表明,采用该起动策略,无轴承永磁同步电机实现了快速、可靠起动,并进入稳定的运行状态,而且起动电流很小,具有安全、可靠的优点。3.无轴承永磁同步电机存在由多因素引起的转矩脉动,并且空载或轻载运行时电流跟踪性能差。在给出转速优化计算公式的基础上,通过分析永磁同步电机数学模型,同时考虑无轴承电机负载效应,给出增磁控制与电压调节相结合对无轴承永磁同步电机转速进行控制的策略,并给出其优化实现方法。实验结果表明,采用该控制策略,无轴承永磁同步电机转矩绕组电流脉动得到减弱,转速稳定性好、控制精度高,同时可改善悬浮性能。该控制策略是一种简捷、有效的无轴承永磁同步电机转速控制策略。4.转矩与径向悬浮力的解耦控制是保证无轴承电机悬浮运行的难点和关键。基于磁场等效虚拟绕组电流概念,给出一种简捷、可靠、准确的无轴承电机径向悬浮力分析方法。采用该分析方法,证明了无轴承电机悬浮运行条件:转矩绕组极对数与悬浮力绕组极对数差1,推导出悬浮力绕组气隙磁场与径向力的相对运动关系及产生单一方向的稳定的径向悬浮力的必要条件。在此基础上,给出无轴承电机径向悬浮力控制策略。实验结果表明,基于该控制策略,对无轴承永磁同步电机径向悬浮力的理论分析与实验结果相吻合,并能得到稳定的、可靠的径向悬浮力,从而证明了该控制策略的正确性与可行性。5.无轴承永磁同步电机控制系统控制量多而数据量少,在其人机交互中需要采用优化的编码方案。在分析串口通讯数据格式与控制量数据类型基础上,给出优化的数据拆分组合与编码方案。为保证通讯数据完整性,提出相应软件同步策略。为加速解码过程,引入线性指针数组结构解码向量表;为实现发送内容动态调整,引入单向链表结构发送描述符表。该人机交互策略能够方便地实现编码扩展,而不影响程序运行效率。实验结果表明,采用该人机交互策略,电机运行稳定,通讯顺畅,数据完整,操作简单,便于编码扩展与维护,为无轴承永磁同步电机实验调试与控制奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无轴承永磁同步电机概述
• 1.1.1 磁悬浮技术与磁悬浮轴承
• 1.1.2 无轴承电机
• 1.1.3 稀土永磁电机
• 1.1.4 无轴承永磁同步电机
• 1.2 无轴承永磁同步电机的研究现状与发展趋势
• 1.2.1 国际上无轴承电机研究现状
• 1.2.2 国内无轴承电机研究现状
• 1.2.3 无轴承永磁同步电机结构研究
• 1.2.4 无轴承永磁同步电机控制策略研究
• 1.2.5 无轴承永磁同步电机研究的发展趋势
• 1.3 无轴承永磁同步电机基本结构设计原则及控制方法
• 1.3.1 无轴承永磁同步电机结构设计
• 1.3.2 无轴承永磁同步电机径向悬浮力控制
• 1.4 本课题研究目的、范围与意义
• 1.5 本课题研究设想、研究方法、实验设计与预期效果
• 1.6 本论文的内容安排
• 第二章 无轴承永磁同步电机数学模型
• 2.1 无轴承电机悬浮原理
• 2.1.1 麦克斯韦力与洛仑兹力
• 2.1.2 电机中的平衡磁场
• 2.1.3 电机中不平衡磁场的产生
• 2.1.4 无轴承电机转子受力情况
• 2.2 无轴承永磁同步电机的气隙磁场
• 2.2.1 无轴承电机气隙磁场的组成
• 2.2.2 无轴承永磁同步电机气隙磁场的形成
• 2.3 无轴承永磁同步电机磁链方程、电压方程与电磁转矩方程
• 2.3.1 永磁同步电机数学模型
• 2.3.2 无轴承永磁同步电机磁链方程与电压方程
• 2.3.3 无轴承永磁同步电机电磁转矩方程
• 2.4 无轴承永磁同步电机径向悬浮力方程
• 2.4.1 无轴承永磁同步电机径向悬浮力的构成
• 2.4.2 无轴承永磁同步电机磁能方程
• 2.4.3 无轴承永磁同步电机径向悬浮力方程
• 2.5 小结
• 第三章 无轴承永磁同步电机起动控制
• 3.1 无轴承表贴式永磁同步电机转子结构
• 3.2 基于指令电流控制的转子定位
• 3.3 无轴承永磁同步电机转子初始定位
• 3.3.1 实现准确转子初始定位的充要条件
• 3.3.2 转子初始定位中定位步距角的确定
• 3.3.3 转子初始定位的定位相序优化
• 3.4 采用优化定位相序时转矩绕组受力及电流分析
• 3.4.1 采用120°→240°→0°定位相序时转子受力与运动分析
• 3.4.2 转子定位过程中转矩绕组电流分析
• 3.5 无轴承永磁同步电机起动控制
• 3.5.1 转子位置角精确检测条件
• 3.5.2 基于转子磁场定向控制的无轴承永磁同步电机起动控制
• 3.6 小结
• 第四章 无轴承永磁同步电机转速控制
• 4.1 转速优化计算公式
• 4.2 无轴承永磁同步电机增磁调压转速控制
• 4.2.1 无轴承永磁同步电机转矩绕组电压、电流与电机转速的关系
• 4.2.2 无轴承永磁同步电机增磁调压转速控制
• 4.3 增磁调压方式的优化实现方法
• 4.3.1 转矩绕组电压变化区间的确定
• 4.3.2 增磁调压转速控制中转矩绕组直交轴电流范围的选取
• 4.3.3 增磁调压控制的具体实现
• 4.4 转速控制实验
• 4.4.1 采用增磁控制时转矩绕组电流的变化
• 4.4.2 采用增磁控制时电机转速控制性能及悬浮性能分析
• 4.5 小结
• 第五章 无轴承永磁同步电机悬浮控制
• 5.1 磁场等效虚拟绕组电流分析方法
• 5.1.1 磁场等效虚拟绕组电流概念
• B=P_M±1的证明'>5.1.2 无轴承电机悬浮条件:P_B=P_M±1的证明
• 5.1.3 洛仑兹力对径向悬浮力的影响
• 5.2 无轴承电机径向悬浮力控制
• 5.2.1 悬浮力绕组气隙磁场与径向力之间的相对运动关系
• 5.2.2 产生单一方向的稳定的径向悬浮力的必要条件
• 5.2.3 空载运行时无轴承电机径向悬浮力的控制
• 5.2.4 负载运行时无轴承电机径向悬浮力的控制
• 5.3 无轴承永磁同步电机径向悬浮力控制实验
• 5.3.1 空载或轻载运行时无轴承永磁同步电机径向悬浮力控制
• 5.3.2 悬浮力绕组气隙磁场与转矩绕组气隙磁场旋转方向相反时的径向力分析
• 5.3.3 悬浮力绕组气隙磁场反向旋转实验
• 5.3.4 无轴承永磁同步电机悬浮运行实验
• 5.4 小结
• 第六章 无轴承永磁同步电机控制系统人机交互设计
• 6.1 数据拆分组合与编码方案
• 6.1.1 串口通讯数据格式及相关概念
• 6.1.2 数据拆分组合与编码方案
• 6.2 软件同步控制
• 6.2.1 串口通讯同步及状态标志寄存器设置
• 6.2.2 同步过程中的状态转换
• 6.2.3 软件同步过程
• 6.3 无轴承永磁同步电机控制系统人机交互设计
• 6.3.1 解码向量表的引入及其结构
• 6.3.2 发送描述符表的引入及其结构
• 6.3.3 下位机接收解码程序与发送程序
• 6.3.4 上位机接收事件处理程序
• 6.4 虚拟示波器设计及控制系统调试
• 6.5 小结
• 第七章 结论
• 7.1 论文的理论研究工作总结
• 7.2 论文的实验研究工作总结
• 7.2.1 控制系统硬件功能框图
• 7.2.2 控制系统软件程序
• 7.2.3 TMS320LF2407A临界资源管理机制
• 7.2.4 控制系统软件调试方案
• 7.3 今后的研究工作
• 7.3.1 理论研究
• 7.3.2 实验研究
• 参考文献
• 附录A 基于Delphi编程实现的正弦表自动生成软件
• 附录B 无轴承永磁同步电机控制系统软件程序结构
• 附录C 无轴承永磁同步电机控制系统软件程序调试结果
• 附录D 无轴承永磁同步电机控制系统人机交互界面
• 致谢
• 攻读硕士期间主要研究成果及参加的科研项目