1、江蘇大學碩士學位論文無速度傳感器的無軸承異步電機定子磁場定向控制的研究 姓名:于焰均申請學位級別:碩士專業:電力電子與電力傳動指導教師:劉賢興20090606江蘇大學碩士學位論文摘 要無軸承電機是一種集驅動和自懸浮功能于一體的新型磁懸浮電 機。與傳統磁:懸浮電機懸浮機理不同,它利用磁軸承結構和交流電機 定子結構的相似性,把電樞繞組和懸浮控制繞組共同繞制在電機的定 子上,利用懸浮繞組產生的磁場來改變電機內氣隙磁場的分布,從而 實現轉軸的懸浮工作。該電機自20世紀90年代提出以來,目前已 逐步成為交流電機領域一個新的研究熱點。無軸承異步電機是一個強耦合、非線性多變量復雜系統,本文重 點研究了無軸承

2、異步電機的基礎理論,建立了數學模型,研究了基于 磁場定向的無軸承異步電機控制系統,對無軸承異步電機的無速度傳 感器技術進行了研究,設計了數字控制系統,具體內容為:首先,介紹了無軸承異步電機徑向懸浮力的產生原理,推導了徑向 懸浮力和電機旋轉部分的數學模型。針對電機電磁轉矩和徑向懸浮力 之間的耦合特性,提出了無軸承異步電機的定子磁場定向控制的解耦 方法,設計了自適應磁鏈觀測器,低速時工作于,一緲法轉子磁鏈觀測 模型,高速時工作于U一模型,實現了全速范圍內的磁鏈觀測。對于 懸浮繞組采用了懸浮力反饋控制系統,將從位置PID控制器得到的徑 向懸浮力和由偏心引起的單邊磁拉力反饋結合起來,得到實際作用的 徑

3、向控制力。對于徑向力繞組采用了d軸電流直接求解的控制策略。 利用Matlab/si舢link工具對這種控制系統進行了仿真。仿真實驗表 明這種控制系統不僅可以實現轉子穩定懸浮,而且基本實現了徑向懸江蘇大學碩士學位論文浮力和旋轉力矩之間的解耦。其次,提出了一種基于擴展卡爾曼濾波器的無軸承異步電機矢量 控制系統,構成了無速度傳感器無軸承異步電機定子磁場定向控制系 統。利用Matlab建立了仿真模型,并做了各種轉速下的仿真,通過仿 真驗證了該控制系統具有較好的性能。最后,基于對定子磁場定向控制策略的分析,應用TMS320F2812DSP 構建了數字控制系統的硬件,開發了數字控制系統的軟件,給出了各 個

4、功能模塊的流程圖。關鍵詞:無軸承異步電機,定子磁場定向控制,無速度傳感器,數字 控制Il江蘇大學碩士學位論文ABSTRACTThe bearingless motor which integrates motor and magnetic bearing, has the function of rotation and self-levitation.Different from the traditional suspension principle of magnetic suspension motor,the bearingless motor winds the levitatio

5、n windings together with conventional motor windings to produce radial forces by taking advantages of the similarity between the structure of magnetic bearing and that of the AC motoc The rotor shaR can be successfully suspended by the electromagnetic forces.It has been the focus of research work on

6、 high speed motor since 1990S.The self-bealing induction motor is a strongcoupled,nonlinear, multivariable complicated system.This dissertation focuses on the fundamental theory and experiments of self-bearing induction motor including mathematic models,flux oriented controller,speed sensorless tech

7、nology and the digital control system design.The detail contents al e as follows:Firstly,the principle of radial suspension force is expounded.The mathematic models of radial suspension forces and rotation part of the self-bearing induction motor ale deduced.In order to realize thedecoupl ing contro

8、l of torque and radialsuspension forces for self-bearingcontrol are designed,this dissertation brings forward the decouping method of stator flux oriented control,designs the obercation of self-accommodation flux.If the motor works on the low speed,this observation will use the I一緲model,or else the

9、observation will use the U.I model.The this method realizations the observation of flux in full career.The suspendrotator uses the feedback of suspend force system,combines the suspend-force to the unilateral magnetic force,inIII江蘇大學碩士學位論文order to receive the factly control force.The radial-rotator

10、adopts the control method with direct solution of daxis current.This control system iS simulated with Matlab/Simulink toolbox.Simulation results have shown that rotor can suspension steadily,toque and radial suspension subsystems can operate independently.Secondly,this dissertation adwances the sens

11、ofless vector control on induction motor with extended kalman filter(EKF,the speed sensorless flux oriented systems of self-bearing induction motor are established. UsingMatlab/Simulink toolbox,the simulation model is established.It can be seen that the control system has good performance by simulat

12、ion in different speed.At last,based on the principle of stator flux oriented control,the digaital control system is designed usingTMS320F2812DSP,and the flowcharts of each functional block are presented.KEY WORDS:Self-bearing Induction Motor,The stator flux orientation vector control,Speed Sensorle

13、ss,Digital ControlIV學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定, 同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版, 允許論文被查閱和借閱。本人授權江蘇大學可以將本學位論文的全部 內容或部分內容編入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃 描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密口, 在 年解密后適用本授權書。 本學位論文屬于不保密F-I。學位論文作者簽名:j姻句 導師簽名:答字日期:1年6月J7日 答字日期獨創性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進 行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容以外

14、,本論文 不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的 研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人 完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名:j渤伯 日期:加7年6月郵江蘇大學碩士學位論文第一章緒論1.1無軸承電機研究的背景和概況1.1.1無軸承電機的歷史背景隨著現代化工業技術的發展,高速和超高速電機被廣泛運用于高速機床、渦 輪分子泵、離心機、壓縮機、飛輪儲能以及航空航天等領域。然而轉子高速運行 時帶來的摩擦阻力增加,機械軸承磨損加劇,造成電機發熱,不僅降低電機工作 效率,縮短電機和軸承使用壽命,也增加了對電機和軸承維護的負擔。為了克服 機械軸承

15、性能的不足,高速電機一般采用氣浮、液浮軸承。但是氣浮和液浮軸承 均需要配備專門的氣壓、液壓系統,這不僅使電機的結構復雜、體積龐大、耗能 多、效率低,同時氣壓、液壓系統的故障會使氣浮、液浮軸承失效,從而導致電 機無法正常運行,這同樣降低了電機和系統的可靠性。到70年代末,發展了磁 軸承技術。磁軸承是利用電磁力將轉子懸浮于空間,使轉子和定子之間沒有任何 機械接觸的一種新型高性能軸承。磁軸承按照磁場產生性質的不同,有主動磁軸 承(Active和被動磁軸承(Passive之分n231。主動磁軸承的磁場是主動可 控的,被動磁軸承的磁場是不可控的。磁軸承的磁力可由電磁鐵提供,稱電磁軸 承;也可由永久磁鐵和

16、電磁鐵共同提供,稱為混合磁軸承;或由永久磁鐵單獨提 供。由于主動磁軸承明顯地優于被動磁軸承,在磁懸浮領域,應用最廣泛的是主 動磁軸承。磁軸承具有無磨損、無潤滑、無機械噪聲、壽命長等優點,從根本上 改變了傳統的支承形式,因而在近三十年來得到了迅速的發展和完善,傳統的磁 軸承電機的結構如圖1.1(a所示。電機幫符! 軸向 電機嗣衽向磁軸承 戳軸承 向醺軸承圖1.1磁軸承電機和無軸承電機對比示意圖但是由于磁軸承本身占有一定的軸向空間,因而存在著轉子剛度小、臨界轉江蘇大學碩士學位論文速低等問題,限制了其臨界轉速和輸出功率,同時也影響到高速電機的微型化; 此外,由于每個自由度的磁軸承需要一套功放,從而使

17、系統成本增加。由于以上 原因,使磁軸承高速電機在大功率和微型應用場合受限制。無軸承電機是上世紀90年代發展起來的一種新型磁懸浮電機。無軸承電機 的結構如圖1.1(b所示。它不僅繼承了傳統磁軸承無潤滑、無磨損、無機械 噪聲等特點。還具有以下優點:軸向尺寸縮小,功率密度高,造價低,提高了臨 界轉速及功率,從根本上改變了傳統電機的結構和控制。無軸承異步電機能實現 大功率高轉速運行,在高速精密機械加工、航空航天、能源、交通、化工、生命 科學等電氣傳動領域己經初步顯出了極其重要的科研與應用價值。1.1.2無軸承電機的發展概況1985年Higuchi在“Magnetically floating actu

18、ator having angular positionfunction”中提出了一種結合磁軸承的步進電機,提出可以利用電機勵 磁電流來解耦轉矩和徑向力。n.Bosch于1988年首次開始使用無軸承電機 (Bearingless Motor這個概念的b3。無軸承電機是一種具有磁軸承支承功能 的電機,也稱作磁懸浮電機,近十年來在國外得到較快的發展,將徑向懸浮支承 技術與電機相結合的思想最早可以追溯到三十年前。早在1974年,德國學者 P.K.Herman就提出了一種具有定子雙繞組結構,且具有自懸浮能力的電磁裝置, 同時申請了專利H1。同年,美國學者G.Meinke提出了另外一種分離繞組的磁懸 浮

19、裝置,也申請了專利。十多年后,日本人T.Higuchi提出了步進型磁懸浮電機 瞄1;美國學者S.wi兒ianmson提出了定子雙繞組,兩種繞組極對數相差為1的磁 懸浮電機哺1;另一位美國學者P.A.Studer在1987年提出了無刷直流電機磁懸浮 電機,他們先后申請了美國專利H1。但是由于當時存在著一些無法解決的技術難 題,特別是沒有提出有效的控制方法。因此,這些早期的磁懸浮電機均屬于概念 性磁懸浮驅動裝置,但是為以后的無軸承電機的發展提供了很好的參考。進入二十世紀九十年代,無軸承電機的研究取得了飛速的發展,以運動控制 技術的進步為基礎,各種結構的無軸承電機及其控制技術相繼出現,逐步形成了 無

20、軸承電機的基本結構和控制方法。這其中包括無軸承異步電機、無軸承永磁同 步電機、無軸承開關磁阻型電機和無軸承同步磁阻型電機等。這個時期,各種類 型的無軸承電機相繼進入實驗室研究階段。一些學者研究了無軸承電機的控制方2江蘇大學碩士學位論文法,初步形成了無軸承電機的基本理論,也得到了一些初步的試驗結果。對無軸 承電機系統地進行研究最初是從瑞士聯邦工學院(ETH開始的。接著,日本和 美國也開展了廣泛的研究。日本學者A.Chiba、Rahman等較早的研究了無軸承電 機的基本特性,并通過實驗測量得到了無軸承異步電機定子轉矩控制繞組和懸浮 控制繞組之間的互感矩陣,從而得到了徑向懸浮力的解析公式,并且采用P

21、ID 控制策略實現了無軸承感應電機空載時的懸浮控制似M釘。M.Ooshima等學者研究 了無軸承永磁電動機的控制及其磁飽和時的去磁問題n們¨1引,并應用磁場計算的 方法分析了無軸承永磁同步電機的穩態磁場分布n 3l。Okad教授是較早研究無軸 承永磁電機的學者之一,他領導的課題組在無軸承永磁型電機方面取得了一系列 顯著的成果n鉑n司n61。目前無軸承電機的應用已不僅僅局限于高速驅動領域,在一 些生、化、醫、機電等特殊領域也逐漸展示其獨特的優越性。正因為如此,無軸 承電機一直受到工業界的高度重視,瑞士、德國、日本、美國均在大力資助這項 高新技術的研究,在今后相當一段時間內將是高速電機研

22、究領域的熱點。1.1.3國內外發展現狀根據目前發表文獻來看,各種傳統的電機都可以實現無軸承技術,但由于傳 統電機固有優缺點,導致其無軸承電機同樣不可避免存在相應優缺點。目一前國 際上研究的無軸承電機的種類有無軸承異步電機、無軸承永磁同步電機、無軸承 單相電機、無軸承同步磁阻電機和無軸承開關磁阻電機。從已發表的論文來看, 重點致力于無軸承異步電機、無軸承永磁同步電機和無軸承薄片電機的研究。 目前瑞士、日本和美國等國家都大力支持開展這項研究工作。如瑞士 R.Schoel、N.Barletta的和Pascal N.Boesch等人對無軸承感應電機和無軸承 片狀電機進行了研究n 7181,日本的A.C

23、hiba、C.Michioka和S.Mori等人對無 軸承同步磁阻電機進行了研究,實現無負載轉矩條件下運行轉速達12000r/min, 轉速在8000r/min情況下,輸出功率為2.12kWn 9馴,日本的M.Ooshima、A.Chiba、 T.Ohishid等人對無軸承永磁同步電機進行了研究,到目前的最新研究成果是 完成了對功率4kW,轉速11000r/min的表面表面凸裝式無軸承永磁同步電機實驗 樣機的研制,該樣機為四自由度,僅能連接軸向共線負載,并沒有真正意義上的 應用價值.美國的Lyndon S.Stephen等人研究了無槽洛侖茲力無軸承電機旺“翻 由于這種電機徑向懸浮力較小,僅適用

24、于航天航空領域特殊的電氣傳動。3江蘇大學碩士學位論文國內無軸承電機的研究起步較晚,尚處于實驗室階段。自20世紀90年代后 期,江蘇大學、沈陽工業大學、浙江大學和南京航空航天大學等先后得到了國家 自然科學基金資助,開展了無軸承電機的研究工作,并在理論和實驗方面取得了 一些成績。沈陽工業大學研制了小容量永磁同步型無軸承電機用于人工心臟血 泵,他們在不同類型轉子結構的無軸承電機中進行轉矩力與懸浮力的比較以及考 慮氣隙偏心下懸浮力的建模、分析上做出了貢獻,并研究了混合轉子無軸承電機 及其控制。南京航空航天大學在永磁偏置三自由度電磁軸承心31、無軸承電機的磁 場定向控制等諸多方面進行了廣泛研究。浙江大學

25、開展了無軸承異步電機懸浮力 解析建模和優化氣隙磁場定向控制研究,進行了永磁型無軸承電機電磁設計及運 行控制研究,并已開始探索永磁型無軸承電機的無傳感器運行口41。西安交通大學 等則在無軸承電機控制上進行了理論分析和仿真研究他5。1.1.4無軸承電機的應用領域無軸承電機獨特的懸浮機理和結構又使得它在飛輪貯能,機械振動阻尼,機 械軸承卸載,高精密壓制等領域得到高效應用。需要免維修、長壽命運行、無菌、 無污染以及有毒、有害氣體或液體的傳輸是無軸承電機的典型應用場合,其體積 小、重量輕、受命長、免維修的優點將在航空航天領域發揮無可替代的作用。 1、無軸承電機在機械領域中的應用在機械軸承支撐的轉子系統中

26、,當轉子端部受到外力作用時,轉子中部彎曲 程度很大。采用無軸承電機后,徑向力作用在轉子中部,轉子彎曲程度得到明顯 改善(如圖1。2所示。由于轉子的彎曲模式可以得到有效控制,因此無軸承電 機在機床主軸設計中具有獨特的優越性。2、飛輪貯能飛輪貯能是以高速旋轉的飛輪質體作為能量儲存的介質,利用電動發電機和 電子控制設備來控制能量的輸入和輸出。近年來,隨著磁軸承、復合材料、電力 電子技術等一系列關鍵技術的突破,傳統飛輪貯能上升到了貯能電池的層次。它 在公共電網動力調節、電動汽車、不停電電源(UPS、備用電源、太陽能和風能 的儲存、電氣化鐵道再生制動能量儲能、核聚變等領域有著廣泛的應用?！氨饶?量”是衡

27、量飛輪貯能性能的關鍵指標。圖1.3為采用無軸承電機的典型飛輪貯能 系統結構示意圖。4江蘇大學碩士學位論文囂lUlllll刪刪唯J11111111111鯉謬甥 b 墨盈蕾mlllllllllllll旺llllllllilllll睦髓嘲口k呵墾型!型嬰lllllllllllllW隅 產 冒ffl雕m瑟鰉們腫哪l螽區螽盈矗。圖1.2無軸承電機在機械領域的運用 圖1.3無軸承電機飛輪儲能系統結構 3、人工心臟心臟是生命的永動機,一旦發生故障就難以修復并且會引起嚴重后果,甚至 危及生命。因此,當心臟發生故障時,可采用人工心臟部分或全部代替心臟功能。 利用機械軸承的心臟泵會產生磨擦和發熱,使血細胞破損,引

28、起溶血、凝血和血 栓。使用無軸承電機驅動的心臟泵可以無摩擦、無發熱地運行,很好的解決了機 械軸承的缺陷。1.2無軸承電機的研究現狀和發展趨勢1.2.1無軸承異步電機的研究現狀目前,無軸承磁懸浮技術研究主要集中在鼠籠式異步、永磁同步以及開關磁 阻等類型的無軸承交流電機上。其中無軸承異步電機具有結構簡單、可靠性高、 易于弱磁等特點,是研究最早、最多的類型之一。由于最初的原理樣機都是非常 簡單的集中式繞組,因此轉矩控制繞組采用的控制策略也多為簡單的正弦電流直 接驅動為實現轉矩與懸浮力之間的解耦控制,然而矢量控制技術很快就被引入到 無軸承異步電機控制中,即轉矩控制繞組采用轉子磁場定向實現轉矩控制。然而

29、 這種方法在懸浮控制中是以轉矩控制繞組轉子磁鏈近似替代氣隙磁鏈,懸浮性能 受到影響。在此基礎上又提出基于氣隙磁場定向的無軸承電機控制技術,不僅實 現了轉矩和懸浮力間的解耦控制,而且實現了無軸承電機動態時的穩定懸浮,但 控制精度依賴對溫度較敏感的轉子電阻,魯棒性差。還有一種是定子磁場定向控 制利用定子方程作磁通觀測器,易于實現且不包含轉子參數,加解耦控制后可達 到相當好的動靜態性能,然而低速時定子電阻壓降的影響致使反電動勢測量誤差江蘇大學碩士學位論文較大,導致定子磁通觀測不準,影響系統性能。另一方面,無軸承異步電機為達到電磁轉矩和懸浮力的解耦控制一般采用磁 場定向控制。這種控制方法需檢測轉子的速

30、度,獲得磁場定向所需磁通的精確空 間位置,實現電磁轉矩和懸浮力之間的解耦控制,確保轉子的穩定懸浮運行。傳 統轉子的速度都是采用機械式傳感器來檢測,但在使用機械式速度傳感器時有著 很大的局限性,因為傳感器本身在機械上難以或無法實現高速、超高速化,從而 會嚴重限制無軸承電機固有的優良高速性能的發揮。所以對于無速度傳感器的研 究是非常有必要的,采用無速度傳感器時,系統的體積減小,重量減輕,減少了 電機和控制器之間的連線,使得無軸承異步電機的應用范圍更加廣泛?，F在對于 無速度傳感器系統,由于電機終端可測量的只有電壓和電流,因此轉速和轉子磁 鏈只能通過電壓和電流計算得到。根據電機數學模型,通過電壓和電流

31、計算轉速 和轉子磁鏈的方法很多。目前普通電機轉速辨識方法大體上可分為動態速度估計 器、模型參考自適應法、全階狀態觀測器和擴展卡爾曼濾波器、神經網絡估計法、 轉子齒諧波法、高頻注入法等。1.2.2無軸承異步電機發展趨勢隨著無軸承異步電機研究繼續深入,今后無軸承異步電機的發展方向大致集 中在以下幾個方面:l、無軸承異步電機數學模型無軸承異步電機數學模型是無軸承異步電機及其控制系統設計的基礎。目前 使用的數學模型在推導過程中進行了一些理想化的假沒,比如忽略了兩套繞組之 間的互感、定轉子齒槽效應等,從而在數學模型中引入了誤差。為了獲得高品質 的控制性能,則必須建立更準確的數學模型。2、無傳感器技術和自

32、供電技術的研究為了實現轉子的懸浮,就要實時檢測轉子軸的位置,而目前無軸承電機需要 的位置傳感器不僅數量多,而且價格昂貴,同時還增加了無軸承電機的體積和長 度,目前所知的自傳感方法難于保證高精度和強魯棒性,因此需要進一步研究無 傳感器檢測技術。另外懸浮控制繞組的功率消耗和增加的一套外接供電線路,使 無軸承電機系統外部結構復雜、效率降低,因此利用無軸承電機本身兩套繞組存 在極對數差及主要工作在高速狀態的特點,使懸浮控制繞組工作在發電狀態,實6江蘇大學碩士學位論文現無軸承電機懸浮控制繞組的可靠自供電對高速電機集成化尤為重要。3、懸浮子系統單獨控制的研究在目前研究的無軸承異步電機控制策略中,轉矩控制子

33、系統和懸浮控制子系 統之間大多存在轉矩繞組氣隙磁場信息傳遞,導致解耦算法復雜,缺乏實用性。 因此,有必要實現轉矩控制子系統和懸浮控制子系統之間相互獨立控制,使懸浮 性能和調速性能不受相互影響,增加了系統的可靠性,促進無軸承懸浮技術向高 速化、實用化方向發展。4、電機參數、結構研究根據無軸承電機的特殊結構和工作要求,要對無軸承電機本體進行優化設 計。主要研究電機定轉子結構形式、繞組的繞制方式、兩套導線匝數的比例問題 等因素對無軸承電機參數、懸浮特性等工作效能的影響。另外,無軸承異步電機 控制系統的設計必須考慮因磁飽和及溫度變化等因素對控制系統性能的影響。磁 飽和對無軸承異步電機控制性能的影響主要

34、表現在電機產生的徑向力和懸浮控 制繞組電流之間的線性關系受飽和因素的影響較大電機的磁飽和還會引起轉子 電阻、定轉子電感和互感等參數的變化,參數變化必然會導致控制器性能的降低。1.3本文的主要研究內容的安排本論文中所要研究的是兩自由度無軸承異步電機。即忽略徑向和軸向磁軸承, 單獨研究兩自由度的無軸承電機部分。本文的具體的研究包括以下內容:第一章緒論:介紹無軸承電機在國內外的發展狀況、無軸承電機的組成、 特點、工業應用領域及其發展趨勢,介紹了本文選題的主要目的,論文的內容安 排。第二章無軸承異步電機的基本理論:介紹了無軸承電機的工作原理和數學 模型。分析了異步電機轉子偏心情況受到的麥克斯韋力,并針

35、對定轉子同心的無 軸承異步電機,系統地分析了其懸浮控制機理,闡明了實現無軸承異步電機懸浮 控制的核心問題。第三章基于d軸電流直接求解的定子磁場定向控制的無軸承異步電機的控 制策略:引進了新的一種控制方法一d軸電流直接求解。運用了定子磁場定向控 制和懸浮力反饋的控制策略,并設計了這種解耦的控制系統。最后用MATLAB給 出仿真結果。7江蘇大學碩士學位論文 第四章無軸承異步電機的無速度傳感器的研究:采用擴展卡爾曼濾波器算 法,將旋轉繞組轉子轉速看成系統中的一個狀態變量,利用擴展卡爾曼濾波法估 算出轉子轉速。通過計算機仿真,在無軸承異步電機矢量控制的基礎上對這種估 算策略進行了研究。最后運用Matl

36、ab對系統進行仿真。第五章無軸承異步電機數字控制系統的硬件電路:介紹了包括傳感器,接 口電路,逆變器等硬件構成。設計了基于定子磁場定向控制的無軸承異步電機的 數字控制系統軟件,詳細介紹了各功能模塊和整體軟件的構成,給出了控制軟件 流程圖。第六章總結論文所做的工作及取得的研究成果,并且提出需要進一步研究 的工作。8江蘇大學碩士學位論文第二章無軸承異步電機基本理論無軸承異步電機是在普通異步電機的定子槽中加入一套懸浮控制繞組,利用 懸浮控制繞組產生的磁場來改變氣隙中合成磁場的分布,從而產生徑向懸浮力來 實現轉軸的穩定懸浮。為了實現對無軸承異步電機轉子的穩定懸浮控制,必須建 立較為精確的無軸承異步電機

37、數學模型。本章闡述了無軸承電機的工作原理,分 析了無軸承異步電機懸浮力產生機理,建立了無軸承異步電機的數學模型。 2.1無軸承異步電機的基本原理要想了解無軸承異步電機的基本原理首先要認識到:在電機中存在著兩種不 同類型的磁力:洛侖茲力和麥克斯韋力啪1。2.1.1洛侖茲力洛侖茲力是電機旋轉磁場對載流導體作用產生的力,作用在轉子上產生切向 的力,異步電機的轉矩正是基于洛侖茲力產生的.圖2.1a以電流和磁鏈均為正 弦分布的一對極電機為例來說明洛侖茲力和旋轉力矩的產生。2.1.2麥克斯韋力(b (c 圖2.1洛侖茲力和麥克斯韋力磁路中在不同磁導率(如空氣和鐵心的磁性物質邊界上形成的磁張應力稱 為麥克斯

38、韋力。該力的作用方向垂直于電機轉子的表面。如果電機中的磁密是對 稱分布的,其麥克斯韋合力為零(如圖2.1b所示;如果轉子偏心引起電機磁 密分布不均勻,那么麥克斯韋合力就不為零,其作用方向和轉子偏心的方向一致9江蘇大學碩士學位論文(如圖2.1c所示,這就是電機理論中的磁張應力效應。無軸承異步電機的可 控懸浮力就是基于麥克斯韋力產生的。2.1.3無軸承異步電機的徑向懸浮力產生原理在無軸承異步電機的定子中放入兩套具有不同極對數的繞組,轉矩控制繞組 (極對數P。,電角頻率0,懸浮控制繞組(極對數P。,電角頻率。, 當兩套繞組極對數滿足P。=P。±1,電角頻率滿足。=(-。時,電機中才能 產生

39、可控的懸浮力擔7哪!。懸浮控制繞組的引入,打破了轉矩控制繞組產生旋轉磁 場的平衡,使得電機氣隙中某一區域的磁場增強,而其空間對稱區域的磁場減弱, 從而產生的麥克斯韋合力將指向磁場增強的一方。圖2.2所示的無軸承異步電 機(P。=1,p。=2中,實線表示轉矩控制繞組產生的磁場,虛線表示懸浮控 制繞組產生的磁場。圖2.2a中的兩個磁場相互調制使得轉子右側氣隙磁密大于 左側,其結果產生的麥克斯韋合力(即徑向懸浮力指向X軸的正方向;圖2.2b 中的兩個磁場相互作用產生了沿y軸正方向的徑向懸浮力。因此,通過轉子徑 向位移的負反饋控制,調節懸浮控制繞組產生磁場的大小和方向,就可以控制作 用在轉子上徑向力的

40、大小和方向,從而實現轉子的穩定懸浮。無軸承異步電機的 轉矩同普通電機一樣是基于洛侖茲力產生的。(a (b圖2.2無軸承異步電機懸浮力產生示意圖由上分析可知,徑向力產生的實質是懸浮繞組電流產生的磁場打破了原來電 機旋轉磁場的平衡,只有旋轉磁場的不平衡,才會有徑向力作用在轉軸上。電機 的旋轉磁場是由電機轉矩繞組電流建立起來的,而旋轉磁場的不平衡又是懸浮繞 組電流作用的結果。為了保證無軸承電機能產生可控的徑向懸浮力,兩套繞組必 須滿足如下關系:10江蘇大學碩士學位論文(1極對數:P2=Pl±1;(2兩套繞組產生的磁場旋轉方向一致;(3兩套繞組中流通的電流頻率f一致2.2無軸承異步電機中幾個

41、力的基本方程無軸承異步電機數學模型建立步驟如下:首先根據普通異步電機的數學模型 得到旋轉運動基本方程式,然后在定轉子中心重合的條件下推導出懸浮控制繞組 通電時產生的可控徑向懸浮力基本方程式;接著假設懸浮控制繞組中沒有電流, 得出轉子發生偏心位移時不平衡徑向磁拉力公式;最后得到轉子懸浮系統的運動 方程舡3引。2.2.1洛侖茲力的基本方程洛侖茲力是電機旋轉磁場對載流導體作用產生的力,作用在轉子上產生切向 的力,異步電機的轉矩正是基于洛侖茲力產生的。當懸浮控制繞組通電以后,懸 浮控制繞組在轉矩繞組產生的磁場中會受到洛侖茲力。設異步電機定子鐵心長度 l,定子內徑r,氣隙感應分布率B(緲和定子圓周的電流

42、分布率彳(緲,則沿圓周 單位長度的洛侖茲力(作用于轉子上的為:dF,=-A(cox B(緲,.d伊 (2.1 式中妒為空間向量角。將上式沿圓周積分得到X,Y方向的洛侖茲力為瓦=一f:”么(伊×B(緲,.cos仍do (2.2 毛=-192彳(緲×B(妒,.sinOd簟o (2.3 設電流和磁場均為正弦分布,對(2.2和(2.3積分時可得當P:=P。±l時的洛侖茲力公式為:P2=P1+1時:瓦=Ecos(>t一/.t,%=Esin(>t一 (2.4 P2=P1-1時:ll江蘇大學碩士學位論文兄=一巧cos(2一,毛=Esin(2一其中為轉矩繞組磁場初始相

43、角,力為懸浮繞組磁場初始相角。 巧=!半,其中j臺分別為電流密度和氣隙感應分布率幅值。 由公式(2.4和(2.5得到圖2.3的洛侖茲力向量圖。J 龐 N罡=鼻+1xJ 、3和t 一Fx. 廓,一 F沙Fl最=鼻一1圖2.3洛侖茲力向量圖 根據電流和磁鏈的定義及矢量的點乘和叉乘原理, 用d,q旋轉坐標系下的分量表示:兄=±K刪ld+is2qIfflqX(2.5將公式(2.4和(2.5 (2.6%=Kt(i咖ldis2d沙lg (2.7 其中“1”、“2”分別對應轉矩繞組和懸浮控制繞組,下標S,r分別對應定子和 轉子分量。K,=丟警,。,:分別為轉矩繞組和懸浮繞組每相串聯有效匝數; 妙。

44、為氣隙磁鏈分量;:d,:。為懸浮繞組電流分量。2.2.2麥克斯韋力的基本方程設電機中氣隙磁密為B,則作用在轉子表面幽面積上的麥克斯韋力為:以=等 (2.8 則麥克斯韋力沿x,Y軸方向上的分量為:12江蘇大學碩士學位論文哌(加去(咖os(州(妒 dFmy(cp=2lr。B2(妒sin(緲d(緲(2.9 (2.10由于無軸承異步電機定子上有兩套繞組,因此無軸承異步電機內的氣隙 磁密是由轉矩繞組和懸浮控制繞組共同產生的合成氣隙磁密,則有:B(cp,=Bj cos(pl緲一lf+B2cos(p2伊一緲2t+允 (2.11 其中為轉矩繞組磁場初始相角,允為懸浮繞組磁場初始相角。將式(2.11代入(2.9

45、、(2.10中,分別進行圓周積分運算得到: P2=Pl+1時:k=。cos(2一,=sin(2一 (2.12 P2=P1-1時:F.x=吒cos(;t一,0=一sin(2一 (2.13Y。 /Q 勿芥二l 九一u F;1 Y。LJ=/巾2錛r. Ni =置一1最=鼻+l圖2.4麥克斯韋力向量圖由公式(2.12和(2.13得到圖2.4所示的麥克斯韋力向量圖。其中,麥克斯韋力的幅值為:巴:_ntr_BIB22tUo每相的氣隙磁鏈為:(2.14 堋=2rElB_.竺l暇肼咄%=警%(2.15江蘇大學碩士學位論文 三相繞組合成氣隙磁鏈的空間向量幅值為:33沙l 2jym,22互沙2m若忽略懸浮繞組在轉

46、子中產生的感應電流,則有 沙2=乙2t2將式(2.15(2.17代入(2.14中可得 (2.16 (2.17E:嬰掣黑 (2.1S 18硒護彤% 根據矢量的點乘和叉乘原理,將公式(2.12,(2.13用d,q旋轉坐標系 表示為:=K。(f刪似+f,2ql口 (2.19 ,0=±K。(f,29ld一2dlg (2.20 其中Km 2瓦 n 瓦 P l 麗 P 2L , . 2,由上式即可以求出懸浮繞組給定的電流值:眨is2dlj=麗1毗眇F沙。a-lfflq蹦 弦2, 從(2.19、(2.20可以看出,即為引入懸浮控制繞組后,氣隙中轉矩 繞組氣隙磁場和懸浮控制繞組電流所產生的氣隙磁場相

47、互作用所產生的懸 浮力。在保持氣隙磁場恒定條件下,其大小與懸浮控制繞組的電流成正比。 只要控制懸浮繞組的電流,就能控制作用在轉子上的懸浮力。2.2.3轉子偏心時的不平衡磁拉力假設懸浮控制繞組中不通入電流,則電機中的磁通是對稱分布的,轉子 不偏心時,其麥克斯韋合力為零。如果轉子偏離了電機定子的中心,將引起 電機磁通分布的不均勻,則麥克斯韋合力就不為零,其作用方向和轉子偏心 的方向一致,指向氣隙最小處,該力即為不平衡磁拉力。設g。是定轉子中心 重合時的平均氣隙長度,(X0,Y。為偏心后轉子中心坐標,e是轉子偏心位移, 如圖2.5所示。14江蘇大學碩士學位論文圖2.5轉予偏心時氣隙圖則氣隙長度g(緲

48、就可以表示為緲的函數其中s:三gog(緲=goPcos(伊一口=go【1-E'cos(g,-a(2.22 設定轉子同心時氣隙磁場為:B1(qo,f=B1cos(pl緲一緲l,一那么當轉子發生偏心時,氣隙磁密Be(伊也是關于緲的函數 (2.23Be(緲=了二E(伊,(1+s.cos(妒一口 =雪I cos(plc,o一國l,一(1+s.cos(緲一口:b,cos州刊+爭啷(川嗍刊 Q衛 +爭cos(Pl-1爐qt-p-a根據公式(2.8則作用在轉子上的不平衡磁拉力為:恥月,dF, 。rPl色2(橢彬緲=殺廓x。 (2.25 2肛sin緲2蕓f”統2(糾sin彬妒=殺鲆y。 (2.26 公

49、式(2.25,(2.26的磁拉力公式并沒考慮磁飽和、齒槽效應及電機 結構等因數的影響,實際的磁拉力要小得多,需要引入衰減因子七。一般無 軸承異步電機取七=0.3,從而實際作用在轉子上的麥克斯韋力為江蘇大學碩士學位論文2.3無軸承感應電機數學模型(2.27 (2.28為了簡化分析,對無軸承異步電機先做如下假設:(1三相定子繞組和轉子繞組在空間對稱分布,電流產生的磁動勢在氣隙 中正弦分布,忽略其空間諧波;(2假定無軸承異步電機轉矩繞組和懸浮控制繞組相繞組軸線方向重合, 并定義為口方向;(3各相繞組的自感和互感都是恒定的,即忽略磁飽和的影響;(4不考慮頻率和溫度變化對電機參數的影響,忽略鐵心損耗和渦

50、流損耗。 2.3.1懸浮力數學模型1341由圖2.4和圖2.5可以看出,當P:=P。+1時,洛倫磁力和麥克斯韋力的方 向是相同的,當P:=P。-1時兩個力的方向是相反的。為了在相同條件下產生的 懸浮力更大,更加能有效的控制轉子的懸浮,一般采用P:=P。+1。若令F=瓦+巧為懸浮力可控分量時,則在P:=P。+1條件下有E=K(i刪沙ld+f,29y1口 (2.29=K(i咖yld一2d少lq其中K=K。+K,。當轉子發生偏心時,產生的不平衡磁拉力表達式為L=ksx%=ksy 其中七。:后罷墮為徑向位移剛度。2ogo16(2.30 (2.31 (2.32y 郡 抄 一.o B 別一惴斫一 竺 墮惴

51、 舡 一2=后兄 %江蘇大學碩士學位論文2.3.2旋轉部分的數學模型轉矩繞組電流(P。對極產生的旋轉磁場在轉子上感應得到極對數為p。的 電流,兩者相互作用產生轉矩。采用鼠籠式轉子時,懸浮控制繞組電流(P:對 極產生的旋轉磁場也會在轉子上感應得到P:對極電流,同樣能產生轉矩。此 時,鼠籠式無軸承異步電機可看成兩個極對數分別為P。,P:的電機,整個無軸 承異步電機轉矩為兩個電機轉矩相加而成。但懸浮控制繞組電流相對較小,簡化 起見,可忽略它產生的轉矩。由此得到電機磁鏈方程、轉子電壓方程及轉矩方程 為31氣隙磁鏈方程為jf,ld=Lml(tld+f刪 (2.33 =Lmj(f,lg+frlq (2.3

52、4 電壓方程為l,一d=Rslf訂d+p沙ld+三sljpi,ld一緲1(少l口+三n,fsl口 (2.35 zf5lg=Rslislg+p少ld+三川pf,lg+緲l(沙ld+三剛fsld (2.36 U,ld=Rrlfrld+pyld+三廠lfpf,ld一(q一緲,(lq+三,】,f,lg=0(2.37 ”,lg=R,lf門g+pylg+三rl,pi,lg+(緲l一彩,(沙ld+r1,ld=0(2.38 轉矩方程為兀=pl(islq緲ld一ld沙lq (2.39 式中,k。為轉矩控制繞組互感,t。,和。,分別為轉矩控制繞組定子和轉子 漏感,q為轉矩控制繞組定子角頻率,q轉子角速度,P為微分

53、算子,A為轉 矩控制繞組極對數,R,為轉矩繞組定子電阻,Rn為轉矩繞組轉子電阻。2.3.3電機運動方程模型設坍為轉子質量,J為轉子轉動慣量,瓦為負載轉矩,兄,巴為X,Y上 17江蘇大學碩士學位論文外加的干擾分量,則電機運動方程為足+一C=腑 (2.40 易+%一=my (2.41 瓦一瓦=岳等 (2.42 根據公式(2.40、(2.41可以得到圖2.6的轉子懸浮系統的運動方程示意 圖。2.4小結圖2.6轉子懸浮系統示意圖無軸承異步電機轉矩繞組通入電流建立旋轉磁場,主要作用是產生電磁轉矩 使電機旋轉,并作為懸浮繞組的偏置磁場。懸浮繞組通電后,所產生的磁場與轉 矩繞組氣隙磁場共同作用,改變原有的氣

54、隙磁場分布,從而改變了轉子所受的麥 克斯韋力的大小和方向,使可控徑向懸浮力的產生成為可能。由以上分析可知, 電磁轉矩和徑向懸浮力是通過轉矩繞組氣隙磁鏈耦合在一起的,因而相對于普通 電機而言,無軸承異步電機自身的結構特點決定了它是一個更為復雜的非線性、 強耦合系統。要實現電磁轉矩和徑向懸浮力的解耦控制,必須合理控制兩套繞組 所產生的磁場。18江蘇大學碩士學位論文第三章無軸承異步電機定子磁場定向控制的研究由第二章分析可知,無軸承異步電機的電磁轉矩和懸浮力控制之間關于轉矩 繞組氣隙磁場存在耦合。因此,實現兩個變量之間的解耦是無軸承異步電機穩定 運行的前提,采用磁場定向控制是實現兩者解耦的有效方法。本

55、章首先將各種磁 場定向控制進行了比較,根據各種矢量控制的優缺點給出了一種轉矩繞組是基于 d軸電流直接求解,懸浮繞組采用了懸浮力反饋控制策略的定子磁場定向控制的 解耦算法。3.1各種磁場定向矢量控制的比較磁場定向控制也稱矢量控制,最早由西德F.Blasschke等人提出,以后經 許多人努力逐漸完善,已經作為一種基本的原理和方法被普遍地采用,它的基本 思想是考慮到異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數系統,很難直 接通過外加信號準確控制電磁轉矩,但若根據直流電機和交流電機在產生轉矩的 基本原理上的相似性,以磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標,經過一定的數學 變換或坐標變換,則可以把定子電流中

56、的勵磁電流分量和轉矩電流分量變成標量 進行分別控制,從而使兩者的電路方程產生聯系,這樣經過坐標變換重建的電機 模型就可以等效為一臺直流電機,從而可像直流電機那樣進行快速的轉矩和磁通 控制嘲?；跉庀洞艌龆ㄏ虻臒o軸承異步電機的解耦控制,由于氣隙磁場定向控制算 法復雜、存在失穩轉矩等缺點,且經研究發現:徑向懸浮力的控制受氣隙磁場幅值 和相位的影響,如果能在線辨識出電機的氣隙磁場,則可以采用較簡單的轉子磁 場定向控制.文獻39敏銳地提出了基于轉子磁場定向的無軸承異步電機的解耦 控制,其通過轉矩繞組的轉子磁鏈和定子電流在線辨識出氣隙磁場,控制算法簡 單,但控制精度依賴對溫度較敏感的轉子電阻,魯棒性不盡

57、人意。定子磁場定向控 制利用定子方程作磁通觀測器,易于實現且不包含轉子參數,加解耦控制后可達 到相當好的動靜態性能,然而低速時定子電阻壓降的影響致使反電動勢測量誤差 較大,導致定子磁通觀測不準,影響系統性能。為了克服這樣的缺點,本章根據 文獻40和41分別講述一般異步電機定、轉子磁鏈的間接觀測方法,將U-I法19江蘇大學碩士學位論文(定子電壓和定子電流和I一法(定子電流和電機旋轉角速度相結合實現了屯 機的定子磁通在線觀測,推導了電機氣隙磁場的在線辨識公式。3.2基于定子磁場定向控制的轉矩繞組的解耦無軸承異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統,為了建立數學 模型與理論分析的簡化,現做如下假設:1三相定子繞組和轉子繞組在空間對 稱分布,電流產生的磁動勢在氣隙中正弦分布,忽略其空間諧波;2假定無軸 承異步電機轉矩繞組和懸浮控制繞組A相繞組軸線方向重合,并定義為口方向; 3各相繞組的自感和互感都是恒定的,即忽略磁飽和的影響;4不考慮頻率和 溫度變化對電機參數的影響,忽略鐵心損耗和渦流損耗。3.2.1基于定子磁場控制轉矩繞組的數學模型無軸承異步電機的轉矩繞組的定子磁鏈可表示為:訂d 2÷m?一d+,¨:訂d (3.1 虬lg=sltlg+三ml