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无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制

作　者: 张婷婷
导　师: 朱熀秋
学　校: 江苏大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无轴承电机同步磁阻电机数学模型逆系统解耦数字控制
分类号: TM352
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

无轴承电机技术是高速电气传动领域里的一项重大突破,因无轴承电机具有无摩擦,无磨损,不需润滑,寿命长,高速度,高精度等特点,在航空航天、生命科学、食品化工、新能源、高速电主轴等领域具有潜在的科研与应用价值。无轴承同步磁阻电机除具备一般无轴承电机的优点外,其转子上没有永磁体,也不需要励磁绕组,因而结构简单,运行可靠,成本低廉,还因其可以实现很高的凸极比,从而同时具有高转矩密度、快速动态响应、低转矩脉动、低损耗、高功率因数等优点,更加适合高速及高精度应用领域。研究同步磁阻电机的无轴承技术具有明显的科研价值和工程意义。无轴承同步磁阻电机的控制系统设计是其核心关键技术。由于无轴承同步磁阻电机是一个非线性、强耦合的多输入多输出系统,要实现其稳定可靠工作,必须对电磁转矩和悬浮力进行解耦控制。本文在国家自然科学基金项目(60974053)等资助下,对无轴承同步磁阻电机数学模型、解耦控制、数字控制等方面开展了专题研究工作。系统地论述了无轴承同步磁阻电机的研究意义、研究现状和发展趋势。深入分析了同步磁阻电机的工作原理及无轴承电机悬浮力产生机理。采用麦克斯韦张量法推导了无轴承同步磁阻电机悬浮力公式,分析了同步磁阻电机电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程,并在此基础上建立了无轴承同步磁阻电机数学模型。详细阐述了逆系统基本概念及利用逆系统理论实现系统线性化解耦的思想。分别以二自由度无轴承同步磁阻电机和五自由度无轴承同步磁阻电机为研究对象,采用逆系统理论设计相应的解耦控制系统,并利用Matlab软件环境构建仿真系统,针对系统的阶跃响应、转子起浮、解耦性能等进行了仿真和分析。仿真试验表明逆系统解耦控制策略能够实现无轴承同步磁阻电机电磁转矩与悬浮力之间的动态解耦,并且系统具有良好的动、静态性能。根据二自由度无轴承同步磁阻电机控制系统需求,研制符合要求的DSP控制板,并设计电机功率驱动板,与电机本体一起构成二自由度无轴承同步磁阻电机数字控制硬件系统。数字控制软件系统主要完成转速和位移信号处理、PWM波生成、控制算法实现等功能。论文所研究的无轴承同步磁阻电机关键技术取得了一些阶段性成果,是相关研究未提及或未深入研究的问题,具有一定的理论及应用价值,为课题的进一步研究奠定了基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-21
  1.1 引言  13-14
  1.2 无轴承电机的发展  14-16
  1.3 无轴承同步磁阻电机研究概况  16-19
    1.3.1 研究意义  16-17
    1.3.2 研究现状  17-18
    1.3.3 关键技术  18-19
  1.4 本文研究内容  19-21
第二章无轴承同步磁阻电机基本原理  21-31
  2.1 引言  21
  2.2 同步磁阻电机工作原理  21-22
  2.3 无轴承电机悬浮力产生原理  22-24
  2.4 无轴承同步磁阻电机数学模型  24-29
    2.4.1 悬浮力子系统数学模型  24-26
    2.4.2 转矩子系统数学模型  26-29
  2.5 无轴承电机基本结构  29-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章二自由度无轴承同步磁阻电机逆解耦控制  31-43
  3.1 引言  31
  3.2 逆系统基本原理  31-33
  3.3 二自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制分析  33-37
    3.3.1 二自由度无轴承同步磁阻电机复合被控对象  33-34
    3.3.2 二自由度无轴承同步磁阻电机状态方程  34-35
    3.3.3 二自由度无轴承同步磁阻电机可逆性分析  35-36
    3.3.4 二自由度无轴承同步磁阻电机逆系统模型  36-37
  3.4 二自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制系统设计  37-42
    3.4.1 控制系统设计  37-38
    3.4.2 控制系统仿真  38-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章五自由度无轴承同步磁阻电机逆解耦控制  43-59
  4.1 引言  43
  4.2 五自由度无轴承同步磁阻电机基本原理  43-46
    4.2.1 三自由度混合磁轴承工作原理  43-44
    4.2.2 三自由度混合磁轴承径向及轴向悬浮力数学模型  44-45
    4.2.3 二自由度无轴承同步磁阻电机悬浮力及转矩数学模型  45
    4.2.4 五自由度无轴承同步磁阻电机运动方程  45-46
  4.3 五自由度无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制分析  46-52
    4.3.1 五自由度无轴承同步磁阻电机复合被控对象  46-47
    4.3.2 五自由度无轴承同步磁阻电机状态方程  47-49
    4.3.3 五自由度无轴承同步磁阻电机可逆性分析  49-50
    4.3.4 五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统模型  50-52
  4.4 五自由度无轴承同步磁阻电机非线性逆解耦控制系统设计  52-58
    4.4.1 控制系统设计  52-53
    4.4.2 控制系统仿真  53-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章无轴承同步磁阻电机数字控制系统设计与实现  59-74
  5.1 引言  59
  5.2 无轴承同步磁阻电机硬件系统设计  59-68
    5.2.1 DSP控制板设计  59-62
    5.2.2 电机驱动板设计  62-65
    5.2.3 硬件系统整体结构  65-66
    5.2.4 硬件系统测试实验  66-68
  5.3 无轴承同步磁阻电机软件系统设计  68-73
  5.4 本章小结  73-74
第六章总结与展望  74-78
  6.1 本文完成的主要工作  74-76
  6.2 需要进一步研究的工作  76-78
参考文献  78-81
致谢  81-82
攻读硕士期间主要研究成果及参加科研项目  82-83

无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制

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