无轴承异步电机非线性解耦与试验研究

论文摘要

针对无轴承异步电机是一个强耦合、非线性多变量复杂系统,本文在国家自然科学基金(60674095,50575099)的资助下,将神经网络与逆系统方法结合,提出了无轴承异步电机的神经网络逆解耦控制方法。该方法可有效地克服无轴承异步电机的未建模动态、参数变化及负载扰动对控制性能的影响,真正实现无轴承异步电机的线性化动态解耦控制。本文的具体内容如下:首先,介绍了无轴承异步电机径向悬浮力的产生原理,推导了无轴承异步电机的数学模型。针对电机电磁转矩和径向悬浮力之间的耦合特性,分析了无轴承异步电机的转子磁场定向和气隙磁场定向矢量控制系统,利用Matlab/Simulink工具箱对两种控制系统进行了仿真,仿真试验表明两个控制系统基本实现了径向悬浮力和旋转力矩之间的稳态解耦,并根据仿真结果对两种磁场定向控制进行了比较分析。其次,针对无轴承异步电机矢量控制只能进行稳态解耦的局限,提出了应用神经网络逆系统控制理论策略对其进行动态解耦控制研究,不仅成功的实现了径向位移子系统和转矩(转速)子系统之间无耦合,而且使各个被控量变换成具有线性传递关系,系统设计得以简化,并采用线性系统理论进行了综合和仿真试验。最后,基于对无轴承异步电机的神经网络逆解耦控制策略的分析,应用TMS320LF2407A DSP构建了数字控制系统的硬件,开发了数字控制系统的软件,给出了各个功能模块的流程图。并以二自由度无轴承异步电机为实验样机,对数字控制系统进行调试和优化,给出了相关实验结果,并进行了分析,通过实验来验证控制系统和控制方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无轴承电机概述
• 1.1.1 无轴承电机的研究背景
• 1.1.2 无轴承电机的发展概况
• 1.1.3 无轴承异步电机的研究概况及发展趋势
• 1.2 无轴承电机的相关技术
• 1.2.1 电力电子技术的发展
• 1.2.2 数字控制技术的发展
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 无轴承异步电机基本原理及磁场定向控制研究
• 2.1 无轴承异步电机的工作原理
• 2.1.1 传统电机中的洛伦兹力和麦克斯韦力
• 2.1.2 无轴承电机径向悬浮力产生原理
• 2.2 无轴承异步电机的数学模型
• 2.2.1 无轴承异步电机径向力数学模型
• 2.2.2 电机旋转部分的数学模型
• 2.2.3 无轴承异步电机运动方程模型
• 2.3 基于气隙磁场定向无轴承异步电机控制设计
• 2.4 基于转子磁场定向无轴承异步电机控制设计
• 2.5 两种磁场定向控制的比较
• 2.6 小结
• 第三章 无轴承异步电机的神经网络逆线性化解耦控制研究
• 3.1 逆系统方法
• 3.1.1 系统的逆
• 3.1.2 伪线性复合系统
• 3.1.3 逆系统方法原理
• 3.1.4 系统可逆性判别
• 3.2 神经网络α阶逆系统方法
• 3.2.1 人工神经网络
• 3.2.2 神经网络α阶逆系统方法的提出
• 3.2.3 神经网络α阶逆系统结构和工程实现步骤
• 3.2.4 基于神经网络α阶逆系统的复合控制系统
• 3.3 无轴承异步电机基于神经网络α阶逆系统方法解耦控制
• 3.3.1 无轴承异步电机可逆性分析
• 3.3.2 无轴承异步电机基于神经网络α阶逆系统实现
• 3.3.3 无轴承异步电机基于神经网络α阶逆系统仿真
• 3.4 小结
• 第四章 无轴承异步电机控制系统的硬件研究
• 4.1 主控制器介绍
• 4.2 CRPWM逆变器的设计
• 4.2.1 CRPWM主电路结构
• 4.2.2 滞环比较电路
• 4.2.3 脉冲分配、互锁与逻辑保护
• 4.2.4 IPM外围电路
• 4.2.5 电流检测电路
• 4.2.6 PWM信号调理电路
• 4.2.7 故障信号输出接口
• 4.3 传感器及其调节电路
• 4.3.1 速度传感器及其脉冲信号调节电路
• 4.3.2 位移传感器及其接口调理电路
• 4.3.3 电流传感器及电流检测电路
• 4.4 CRPWM逆变器测试波形
• 4.4.1 滞环比较电路测试波形
• 4.4.2 脉冲互锁电路测试波形
• 4.4.3 IPM输出波形测试
• 4.4.4 电流跟踪波形测试
• 4.5 小结
• 第五章 无轴承异步电机控制系统的软件设计
• 5.1 实验系统的软件
• 5.1.1 数字控制系统软件开发工具简介
• 5.1.2 控制系统软件设计模式选择
• 5.1.3 DSP中的数值表示格式
• 5.2 控制系统的软件结构
• 5.2.1 系统的主程序构成
• 5.2.2 系统的中断服务程序
• 5.2.3 A/D转换子程序
• 5.2.6 速度计算子程序
• 5.2.6 转子磁链估计子程序
• 5.2.4 位置调节子程序
• 5.2.5 转速调节子程序
• 5.2.6 磁链调节子程序
• 5.2.7 神经网络逆系统子程序
• 5.3 无轴承异步电机神经网络逆解耦控制的实验研究
• 5.4 小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 本文完成的主要工作
• 6.2 需进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间论文与成果