無軸承永磁同步電機及其非線性控制研究.pdf

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

2、重量輕、運行可靠、效率高、功率密度高等優(yōu)勢，成為目前無軸承電機技術(shù)研究的熱點之一。本文在國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2007AA042213)和江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃基金項目(CX10B_270Z)的支持下，以BPMSM為研究對象，對其數(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)實現(xiàn)等方面進行了重點的研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　 1.闡述了無軸承電機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)生的機理，根據(jù)電機磁路原理，用解析法詳細推導(dǎo)得出了BPMSM電感系數(shù)和電感矩陣解析計算模型，基于該電感矩陣模型和電磁場虛位移原理，建立了BPMSM徑向懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式。
　　 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，包括電機磁場分布、永磁磁鏈特性、反電動勢特性、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回歸的BPMSM磁鏈非線性建模的方法，針對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烈非線性特性關(guān)系，利用最小二乘支持向量

5、機建立了磁鏈與轉(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)測能力強的特點，該磁鏈模型為今后進行BPMSM實時在線控制的研究莫定了基礎(chǔ)。
　　 4.針對BPMSM多變量、非線性、強耦合的特點，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)動態(tài)解耦成兩個徑向位移子系統(tǒng)和一個轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，從而簡化了外環(huán)控制器的設(shè)計，進一步提高了整個系統(tǒng)的控制性能。仿真試驗結(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態(tài)控制品質(zhì)。
　　 5.針對采用電流調(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)實現(xiàn)BPMSM轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略，并且對于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)字信號處理器為核心的BPMSM數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng)，研制了系統(tǒng)的軟硬件驅(qū)動電路，開發(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)動系統(tǒng)提供了實驗基礎(chǔ)，并且在該數(shù)字控制實驗平臺上，重點對SVPWM控制策略進行了詳細的實驗研究，實現(xiàn)了BPMSM的穩(wěn)定懸浮運行。最后提出了在構(gòu)建的實驗平臺上實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)非線性解耦控制的實驗方案，為