無(wú)軸承永磁同步電機(jī)及其非線性控制研究.pdf

1、無(wú)軸承電機(jī)是一種集傳統(tǒng)電機(jī)與磁軸承功能于一體的新型電機(jī)。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，無(wú)軸承電機(jī)理論和相關(guān)技術(shù)得到了不斷發(fā)展與完善，在密封泵、高速精密機(jī)械加工、航空航天、飛輪儲(chǔ)能、生命科學(xué)、真空技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相對(duì)于其他類型的無(wú)軸承電機(jī)，無(wú)軸承永磁同步電機(jī)(Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor，BPMSM)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、

2、重量輕、運(yùn)行可靠、效率高、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，成為目前無(wú)軸承電機(jī)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。本文在國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA042213)和江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃基金項(xiàng)目(CX10B_270Z)的支持下，以BPMSM為研究對(duì)象，對(duì)其數(shù)學(xué)模型、電磁分析、磁鏈非線性建模、非線性解耦控制、數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了重點(diǎn)的研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1.闡述了無(wú)軸承電機(jī)中存在的麥克斯韋力和洛侖茲力，介紹了BPMSM徑向

3、懸浮力產(chǎn)生的機(jī)理，根據(jù)電機(jī)磁路原理，用解析法詳細(xì)推導(dǎo)得出了BPMSM電感系數(shù)和電感矩陣解析計(jì)算模型，基于該電感矩陣模型和電磁場(chǎng)虛位移原理，建立了BPMSM徑向懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式。
　　 2.提出了BPMSM參數(shù)化有限元模型的思想，在介紹ANSYS有限元參數(shù)化建模方法的基礎(chǔ)上，建立了BPMSM參數(shù)化有限元分析模型。利用BPMSM參數(shù)化模型，可以方便地修改電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、以及兩套繞組加載電流的幅值和相位，從而可以十分靈活地滿足

4、BPMSM的分析和設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，研究了BPMSM基本的靜態(tài)電磁性能，包括電機(jī)磁場(chǎng)分布、永磁磁鏈特性、反電動(dòng)勢(shì)特性、繞組電感特性、徑向懸浮力特性、定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩特性等，重點(diǎn)探討了繞組電感特性，包括靜態(tài)電感和增量電感特性。
　　 3.提出了基于最小二乘支持向量機(jī)回歸的BPMSM磁鏈非線性建模的方法，針對(duì)BPMSM磁鏈、轉(zhuǎn)子位置角、轉(zhuǎn)子徑向偏心位移、轉(zhuǎn)矩繞組電流和懸浮力繞組電流之間的強(qiáng)烈非線性特性關(guān)系，利用最小二乘支持向量

5、機(jī)建立了磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角、轉(zhuǎn)子徑向偏心位移、轉(zhuǎn)矩繞組電流和懸浮力繞組電流之間的非線性模型，該方法建立的非線性模型具有精度高，預(yù)測(cè)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，該磁鏈模型為今后進(jìn)行BPMSM實(shí)時(shí)在線控制的研究莫定了基礎(chǔ)。
　　 4.針對(duì)BPMSM多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，將逆系統(tǒng)方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)理論的BPMSM動(dòng)態(tài)解耦控制方法。分析了BPMSM系統(tǒng)的可逆性，證明其可逆，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近原系統(tǒng)的逆模型，并將其串聯(lián)于

6、原系統(tǒng)之前，將BPMSM系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦成兩個(gè)徑向位移子系統(tǒng)和一個(gè)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化了外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明采用該控制策略系統(tǒng)具有良好的解耦效果和動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)。
　　 5.針對(duì)采用電流調(diào)節(jié)型脈寬調(diào)制(CRPWM)逆變器控制的BPMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方法的不足，提出了采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)BPMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略，并且對(duì)于BPMSM轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組的控制

7、均增加了電流內(nèi)環(huán)，從而提高了BPMSM系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。構(gòu)建了基于TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器為核心的BPMSM數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，研制了系統(tǒng)的軟硬件驅(qū)動(dòng)電路，開(kāi)發(fā)了控制系統(tǒng)的軟件程序，為研發(fā)出高效率、高可靠性的BPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并且在該數(shù)字控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，重點(diǎn)對(duì)SVPWM控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了BPMSM的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。最后提出了在構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)非線性解耦控制的實(shí)驗(yàn)方案，為