永磁型无轴承电机系统的无传感器运行研究

论文摘要

永磁型无轴承电机系统的无传感器运行,是永磁型无轴承电机研究中需要探索的新命题,这对无轴承电机实现低成本、实用化的研究具有重要实际意义。本文进行了适合于无传感器运行的永磁型无轴承电机结构设计研究,建立了永磁型无轴承电机的悬浮力模型及其控制系统。为构成五自由度悬浮系统,研究了永磁偏置径/轴向电磁轴承的设计与控制。针对永磁型无轴承电机的无位置/速度传感器的运行及无径向位移传感器运行进行了深入的理论研究及实验验证。论文主要工作包括:一、分析了永磁型无轴承电机的基本工作原理。对永磁型无轴承电机的本体设计进行了研究,提出了永磁体内插式转子结构的无轴承电机方案,其性能满足悬浮运行与控制要求,还为研究无位置、无位移传感器运行创造了条件。建立了计及转子凸极影响和定、转子定位偏心的磁悬浮力解析模型,深入分析了悬浮力模型中有关参数的获取机理,并通过有限元磁场分析方法实现了可控悬浮力和单边磁拉力计算中的计及饱和、电枢反应和悬浮中定、转子定位偏心等非线性因素的参数提取。二、基于扩展磁路法建立了永磁偏置径/轴向电磁轴承的精确数学模型,依据此模型进行了电磁轴承的设计并得到了电流刚度和位移刚度等控制参数。设计了一种性能优良的双向三电平PWM开关功放,实现了永磁偏置径/轴向电磁轴承的悬浮系统运行。三、建立了由永磁型无轴承电机与永磁偏置径/轴向电磁轴承构成的五自由度悬浮系统的转子动力学模型。为提高永磁型无轴承电机的悬浮性能,采用混合灵敏度的H∞鲁棒控制方法设计了悬浮力系统控制器。研究结果表明,所设计的控制器性能优良,对外部扰动等不确定因素有很好的鲁棒性。四、提出了高速下采用自适应滑模观测器法和低速下采用脉动高频信号注入法的转子位置自检测复合方法,以实现永磁型无轴承电机无位置传感器运行。该方法在低速采用高频信号注入法确保了转子位置和速度的检测精度,高速采用自适应滑模观测器方法保证了系统响应的快速性及对参数变化的鲁棒性。确定了两种方法平滑切换的原则。仿真和实验研究表明,转子位置自检测复合方法能够在全速范围内有效检测出转子的空间位置和速度,实现无传感器方式的稳定悬浮运行。随后提出了利用转矩绕组和悬浮绕组的互感,仅在转矩绕组上注入高频激励信号以同时实现转子径向位移信号和位置/速度信号提取的新方法。通过理论分析和电磁场计算证明,该方法能有效地检测转子的位置/速度和位移信号,并能精确地实现位移检测出信号在水平、垂直方向的解耦。五、设计了基于TMS320F2812数字信号处理器的全数字控制系统,该控制系统为实现永磁型无轴承电机系统无传感器运行研究提供了可靠的实验条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 永磁型无轴承电机研究与发展
• 1.1.1 永磁型无轴承电机的研究概况
• 1.1.2 永磁型无轴承电机研究与发展趋势
• 1.1.3 永磁型无轴承电机应用前景
• 1.2 永磁型无轴承电机系统无传感器研究概况
• 1.2.1 永磁型无轴承电机无位置传感器技术概述
• 1.2.2 永磁型无轴承电机无径向位移传感器技术概述
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 永磁型无轴承电机的电磁设计与建模
• 2.1 永磁型无轴承电机基本原理
• 2.1.1 无轴承电机悬浮力的产生
• 2.1.2 永磁型无轴承电机基本原理
• 2.2 永磁型无轴承电机电磁设计
• 2.2.1 适合于无传感器运行的转子结构优化设计
• 2.2.2 悬浮绕组设计
• 2.2.3 永磁型无轴承电机样机
• 2.3 永磁型无轴承电机建模及关键参数提取
• 2.3.1 永磁型无轴承电机转子磁场定向控制模型
• 2.3.2 永磁型无轴承电机悬浮力模型
• 2.3.3 永磁型无轴承电机关键参数获取原理
• 2.3.4 永磁型无轴承电机关键参数计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 永磁偏置径/轴向电磁轴承设计
• 3.1 永磁偏置径/轴向电磁轴承磁路模型
• 3.2 永磁偏置径/轴向电磁轴承设计
• 3.3 永磁偏置径/轴向电磁轴承的电磁场分析
• 3.4 永磁偏置径/轴向电磁轴承功率放大器的设计
• 3.4.1 开关功放的研究
• 3.4.2 仿真研究
• 3.4.3 实验研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 永磁型无轴承电机系统的控制
• 4.1 永磁型无轴承电机五自由度悬浮系统
• 4.2 基于PID控制算法的永磁型无轴承电机悬浮控制
• 4.3 基于H∞算法的永磁型无轴承电机悬浮控制
• 4.3.1 悬浮系统的H∞鲁棒控制器设计
• 4.3.2 仿真研究
• 4.3.3 实验研究
• 4.4 永磁偏置径/轴向电磁轴承的控制
• 4.4.1 永磁偏置径/轴向电磁轴承转子运动方程
• 4.4.2 开关功放和位移传感器的数学模型
• 4.4.3 永磁偏置径/轴向电磁轴承的悬浮控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 永磁型无轴承电机无传感器运行
• 5.1 基于扩展反电势估算的永磁型无轴承电机转子位置自检测
• 5.1.1 基于滑模观测器的转子位置自检测原理
• 5.1.2 实验研究
• 5.2 高频注入法转子位置自检测
• 5.2.1 永磁型无轴承电机转子位置/速度自检测原理与仿真
• 5.2.2 实验研究
• 5.3 永磁型无轴承电机全速度范围内位置/速度自检测实现
• 5.4 永磁型无轴承电机的转子位置、位移综合自检测
• 5.5 本章小结
• 第六章 永磁型无轴承电机控制系统的实现
• 6.1 永磁型无轴承电机控制系统的硬件设计
• 6.1.1 TMS320F2812 DSP数字控制器
• 6.1.2 PIM及隔离驱动
• 6.1.3 信号检测
• 6.1.4 故障保护
• 6.1.5 位移检测
• 6.2 永磁型无轴承电机控制系统的软件编程
• 6.2.1 转速环模块
• 6.2.2 坐标变换模块
• 6.2.3 电流环和SVPWM调制模块
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表（录用）的论文
• 致谢