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无轴承异步电机非线性解耦控制的研究

作　者: 张宏荃
导　师: 严仰光；邓智泉
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 无轴承异步电机非线性解耦控制转矩绕组气隙磁场定向控制单 DSP 控制悬浮系统独立控制鼠笼转子感应电流径向力反馈控制
分类号: TM343
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

无轴承电机结合了电机和磁轴承的工作特性,是一种能够同时实现转矩控制与悬浮力控制的新型电机,其潜在的应用价值和复杂的运行控制已成为目前高速交流传动领域一个新的研究方向。电机的无轴承技术具有无接触、高可靠性、能够减小转子轴向长度和体积的优点,适合高速大功率运行,可以有效降低系统成本并改善高速电机的动态性能。在各种类型的无轴承电机中,无轴承异步电机以其结构简单和高可靠性成为这一研究领域的热点。本文以无轴承异步电机的非线性解耦控制为研究重点,包括无轴承异步电机的系统实现,无轴承异步电机的单 DSP 控制、悬浮系统独立控制、无轴承异步电机鼠笼转子的影响和转子偏心对无轴承异步电机影响的研究。实现了一种基于转矩绕组气隙磁场定向控制的无轴承异步电机控制系统。针对无轴承异步电机这个强耦合的非线性复杂系统,其稳定运行的前提是实现电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制。在研究无轴承异步电机的磁悬浮机理的基础上,利用转矩绕组气隙磁场定向控制实现两者之间的动态解耦控制。并以两自由度无轴承鼠笼式异步电机为研究对象,研制了一套控制系统,在国内首次成功地实现无轴承电机的稳定悬浮工作。针对无轴承异步电机两套绕组工作过程中系统结构复杂、数据传递延迟问题以及由此引起的两套绕组气隙磁链偏差对无轴承异步电机转矩和悬浮力解耦控制性能的影响,提出应用一个 DSP(TMS320F240)来实现对无轴承异步电机系统两套绕组的控制。单 DSP 控制消除了两套绕组控制中由于数据传递延迟造成的气隙磁链相位偏差,优化了系统的软件硬件设计。无轴承异步电机转矩绕组和悬浮控制绕组的独立控制是实现其高速工作的有效方式之一。针对无轴承异步电机这一通过转矩绕组气隙磁场强耦合的非线性复杂系统,根据无轴承异步电机悬浮系统独立控制算法,提出基于逆变器开关状态和气隙磁链模型的转矩绕组气隙磁链电压模型辩识方法,并应用这两种方法实现了悬浮系统的独立控制。这样不仅高速运转成为可能,而且可以保持转矩绕组的控制策略的灵活性。无轴承异步电机作为一种感应电机,其悬浮控制绕组在鼠笼转子中不可避免地感应电流,也就是存在电流损耗。针对电流损耗使得悬浮控制绕组的气隙磁链发生偏差,进而造成径向悬浮控制力之间耦合的问题,提出应用悬浮控制绕组气隙磁链闭环控制来消除悬浮控制绕组在鼠笼转子感应电流对悬浮控制的影响。无轴承异步电机工作时不可避免的存在转子偏心,此时作用在转子上的除了主动控制力外还有由转子偏心引起的不平衡径向磁拉力。针对无轴承异步电机转子偏心工作问题,对无轴承异步电机转子偏心时的受力情况进行了分析,提出应用径向力反馈控制来补偿转子偏心对无轴承异步电机悬浮性能的影响。

全文目录

第1章绪论  14-23
  1.1 无轴承电机概述  14-21
    1.1.1 无轴承电机的研究意义及概述  14-15
    1.1.2 无轴承电机在国内外的发展概况  15-16
    1.1.3 无轴承异步电机在国内外的研究概况  16-18
    1.1.4 无轴承电机的特点及工业应用  18-19
    1.1.5 无轴承电机的发展趋势  19-21
  1.2 论文工作及内容安排  21-23
    1.2.1 论文工作的提出  21
    1.2.2 论文的内容安排  21-23
第2章无轴承异步电机的基本理论  23-32
  2.1 旋转电机的电磁力  23-26
    2.1.1 洛伦兹力  23
    2.1.2 麦克斯韦力  23-24
    2.1.3 转子偏心时的麦克斯韦力  24-26
  2.2 无轴承异步电机的基本原理  26-27
  2.3 无轴承异步电机的数学模型  27-30
    2.3.1 旋转运动基本方程式  27-28
    2.3.2 径向悬浮控制力方程式  28-30
  2.4 总结  30-32
第3章基于转矩绕组气隙磁场定向控制的无轴承异步电机控制系统  32-53
  3.1 无轴承异步电机转矩绕组间接气隙磁场定向控制  32-36
    3.1.1 各种磁场定向矢量控制比较  33
    3.1.2 转矩绕组间接气隙磁场定向控制系统  33-36
  3.2 基于转矩绕组气隙磁场定向控制的无轴承异步电机控制系统  36-37
  3.3 基于转矩绕组气隙磁场定向控制的无轴承异步电机系统的实现  37-49
    3.3.1 两自由度无轴承异步电机模拟数字混合控制系统的总体结构.  38
    3.3.2 系统硬件电路  38-46
    3.3.3 系统软件设计  46-49
  3.4 实验系统结构  49-50
  3.5 实验结果  50-52
  3.6 总结  52-53
第4章无轴承异步电机的单 DSP 控制  53-61
  4.1 无轴承异步电机的单DSP 控制  53-55
    4.1.1 无轴承异步电机的转矩绕组气隙磁场定向控制原理  53
    4.1.2 双 DSP 工作的缺点和单 DSP 控制  53-55
  4.2 单 DSP 控制系统的结构  55-59
    4.2.1 单 DSP 控制系统硬件结构  55-57
    4.2.2 单 DSP 控制系统软件结构  57-59
  4.3 实验结果  59
  4.4 总结  59-61
第5章无轴承异步电机悬浮系统独立控制  61-78
  5.1 基于逆变器开关状态的悬浮系统的独立控制  61-68
    5.1.1 无轴承异步电机悬浮系统独立控制算法  61-62
    5.1.2 基于逆变器开关状态的转矩绕组气隙磁链辩识和独立控制  62-64
    5.1.3 定子磁链的滤波补偿  64-66
    5.1.4 仿真和实验结果  66-68
  5.2 基于气隙磁链模型的悬浮系统的独立控制  68-77
    5.2.1 基于气隙磁链模型的转矩绕组气隙磁链辩识和独立控制  68-71
    5.2.2 悬浮系统独立控制中气隙磁链相位角的预测  71-73
    5.2.3 实验结果  73-77
  5.3 总结  77-78
第6章无轴承异步电机鼠笼转子影响及磁链闭环控制  78-85
  6.1 鼠笼转子对悬浮控制工作的影响  78-81
  6.2 悬浮控制绕组气隙磁链辩识  81-82
  6.3 悬浮控制绕组气隙磁链闭环控制  82
  6.4 仿真结果  82-84
  6.5 总结  84-85
第7章无轴承异步电机转子偏心影响及径向力反馈控制  85-93
  7.1 无轴承异步电机转子偏心时的数学模型  85-90
  7.2 无轴承异步电机径向力反馈控制  90
  7.3 仿真及实验结果  90-92
  7.4 总结  92-93
第8章全文总结与展望  93-96
  8.1 本文的主要结论和创新点  93-94
  8.2 后续研究工作展望  94-96
参考文献  96-102
致谢  102-103
攻读博士学位期间发表的论文目录  103

无轴承异步电机非线性解耦控制的研究

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