5121615521博士學位論文無軸承異步電機非線性解耦控制的研究研究生姓名張宏荃學科、專業電力電子與電力傳動研究方向現代調速系統指導教師嚴仰光教授鄧智泉教授南京航空航天大學研究生院自動化學院二00四年九月NanjingUniversityTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringsearchonNonlinearDecouplingControlofBearinglessInductionMotorAThesisinElectricEngineeringbyNameZhangHongquanAdvisedbyProfessorNameYanYangguangDengZhiquanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophySeptember,2004摘要無軸承電機結合了電機和磁軸承的工作特性，是一種能夠同時實現轉矩控制與懸浮力控制的新型電機，其潛在的應用價值和復雜的運行控制已成為目前高速交流傳動領域一個新的研究方向。電機的無軸承技術具有無接觸、高可靠性、能夠減小轉子軸向長度和體積的優點，適合高速大功率運行，可以有效降低系統成本并改善高速電機的動態性能。在各種類型的無軸承電機中，無軸承異步電機以其結構簡單和高可靠性成為這一研究領域的熱點。本文以無軸承異步電機的非線性解耦控制為研究重點，包括無軸承異步電機的系統實現，無軸承異步電機的單DSP控制、懸浮系統獨立控制、無軸承異步電機鼠籠轉子的影響和轉子偏心對無軸承異步電機影響的研究。實現了一種基于轉矩繞組氣隙磁場定向控制的無軸承異步電機控制系統。針對無軸承異步電機這個強耦合的非線性復雜系統，其穩定運行的前提是實現電磁轉矩和徑向懸浮力之間的解耦控制。在研究無軸承異步電機的磁懸浮機理的基礎上，利用轉矩繞組氣隙磁場定向控制實現兩者之間的動態解耦控制。并以兩自由度無軸承鼠籠式異步電機為研究對象，研制了一套控制系統，在國內首次成功地實現無軸承電機的穩定懸浮工作。針對無軸承異步電機兩套繞組工作過程中系統結構復雜、數據傳遞延遲問題以及由此引起的兩套繞組氣隙磁鏈偏差對無軸承異步電機轉矩和懸浮力解耦控制性能的影響，提出應用一個DSP（TMS320F240）來實現對無軸承異步電機系統兩套繞組的控制。單DSP控制消除了兩套繞組控制中由于數據傳遞延遲造成的氣隙磁鏈相位偏差，優化了系統的軟件硬件設計。無軸承異步電機轉矩繞組和懸浮控制繞組的獨立控制是實現其高速工作的有效方式之一。針對無軸承異步電機這一通過轉矩繞組氣隙磁場強耦合的非線性復雜系統，根據無軸承異步電機懸浮系統獨立控制算法，提出基于逆變器開關狀態和氣隙磁鏈模型的轉矩繞組氣隙磁鏈電壓模型辯識方法，并應用這兩種方法實現了懸浮系統的獨立控制。這樣不僅高速運轉成為可能，而且可以保持轉矩繞組的控制策略的靈活性。無軸承異步電機作為一種感應電機，其懸浮控制繞組在鼠籠轉子中不可避免地感應電流，也就是存在電流損耗。針對電流損耗使得懸浮控制繞組的氣隙磁鏈發生偏差，進而造成徑向懸浮控制力之間耦合的問題，提出應用懸浮控制繞組氣隙磁鏈閉環控制來消除懸浮控制繞組在鼠籠轉子感應電流對懸浮控制的影響。無軸承異步電機工作時不可避免的存在轉子偏心，此時作用在轉子上的除了主動控制力外還有由轉子偏心引起的不平衡徑向磁拉力。針對無軸承異步電機轉子偏心工作問題，對無軸承異步電機轉子偏心時的受力情況進行了分析，提出應用徑向力反饋控制來補償轉子偏心對無軸承異步電機懸浮性能的影響。關鍵詞：無軸承異步電機非線性解耦控制轉矩繞組氣隙磁場定向控制單DSP控制懸浮系統獨立控制鼠籠轉子感應電流徑向力反饋控制AbstractBearinglessmotorhascombinedcharacteristicsofmotorandmagneticbearings.Itisanewtypemotorwhichcanimplementelectromagnettorquecontrolandlevitationforcecontrolallinthemotoratthesametime.Thebearinglesstechnologyofmotorshasthehermitsofcompactness,highreliability,shortenedshaftlengthandreducedsystemsize,highspeedorhighpoweroperations.Atthesametimeitpossiblyinherentlyreducescostandimprovesrotordynamics.Therearealotofkindsofbearinglessmotors,amongwhichthebearinglessinductionmotorisoneofthefocusesofthisresearchfieldatpresentduetoitssimplestructureandhighreliability.Thisdissertationfocusesonthenonlineardecouplingcontrolofthebearinglessinductionmotorincludingaccomplishmentofbearinglessinductionmotorsystem,singleDSPcontrolling,theindependentcontroloflevitationsystem,theinfluenceofinducecurrentinsquirrelcagecausedbylevitationcontrolwindingandtheinfluenceofrotoreccentricity.Acontrolsystemofbearinglessinductionmotorbasedontorquewindingairgapfieldorientedvectorcontrolisaccomplished.Asthebearinglessinductionmotorisastronglycoupledcomplicatednonlinearsystem,thedecouplingcontrolofelectromagnettorqueandradiallevitationforceisthebaseofthestableoperationofbearinglessmotor.Basedonthelevitationprincipleofbearinglessmotor,thetorquewindingairgapfieldorientedvectorcontrolisutilizedtorealizethedecouplingcontrolofthenonlinearsystemeveninthetransientcase.Andaimingatsquirrelcagebearinglessinductionmotor,acontrolsystemisaccomplishedandtestedonthetestmachine.Thelaboratorybearinglessinductionmotorissuccessfullylevitatedforthefirstinourcountryandcanbeoperatedstableaswellastransientconditions.Theproblemsofcomplicatedconfigurationandcommunicationdelaybetweenthedualwindingsofbearinglessinductionmotorresultintheairgapfluxerrorbetweendualwindingsanddeterioratesthedecouplingbetweentorquecontrolandlevitationforcecontrolandthelevitationcharacteristicsofbearinglessinductionmotor.TheschemeofcontrollingdualwindingsofbearinglessinductionmotorutilizingsingleDSP(TMS320f240)isproposedtoovercometheairgapfluxerrorbetweendualwindingscausedbycommunicationdelaybetweenthedualwindings.Thehardwareandsoftwareconfigurationsofthecontrolsystemareoptimized.Theindependentcontroloftorquewindingandlevitationcontrolwindingisaneffectivewayofhighspeedoperationforbearinglessinductionmotors.Aimingatthecomplicatednonlinearsystemofbearinglessinductionmotorwhichisstrongcoupledbytorquewindingflux,basedontheindependentcontrolalgorithmofthelevitationsystem,thevoltage-modelmethodidentifyingtheairgapfluxoftorquewindingbasedontheinverterswitchingstateandairgapfluxmodelareproposedtorealizetheindependentcontrolofthelevitationsystem.Insuchway,notonlythehighspeedoperationbecomepossible,butalsokeepsthecontrolprojectofthemotorflexible.Asaninductionmotor,itisinevitablyforthelevitationcontrolwindingofbearinglessinductionmotortoinducecurrentinthesquirrelcage.Itisthecurrentlossofthelevitationcontrolwinding.Thecurrentlossofthelevitationcontrolwindingresultsintheairgapfluxerrorofthelevitationcontrolwindingandinfluencesthedecouplingofradiallevitationcontrolforce.Theairgapfluxfeedbackcontrolofthelevitationcontrolwindingisproposedtoeliminatetheinfluenceofinducecurrentofsquirrelcagecausedbythelevitationcontrolwinding.Itisinevitableforbearinglessinductionmotortooperationwithrotoreccentricity.Notonlytheactivecontrolforce,buttheunbalanceradialmagneticpullforcecausedbyrotoreccentricityactontherotor.Aimingatrotoreccentricityoperationofbearinglessinductionmotor,theforceactingonrotorisanalyzedandradialforcefeedbackcontrolisproposedtoimprovetheprecisionoflevitationsystem.Keywords:BearinglessInductionMotor,NonlinearDecouplingControl,AirGapFieldOrientedControlofTorqueWinding,SingleDSPControl,IndependentControlofLevitationSystem,InduceCurrentofSquirrelCage,RadialForceFeedbackControl目錄第1章緒論....................................................11.1無軸承電機概述..............................................11.1.1無軸承電機的研究意義及概述............................11.1.2無軸承電機在國內外的發展概況..........................21.1.3無軸承異步電機在國內外的研究概況......................31.1.4無軸承電機的特點及工業應用............................51.1.5無軸承電機的發展趨勢..................................61.2論文工作及內容安排..........................................71.2.1論文工作的提出.........................................81.2.2論文的內容安排........................................8第2章無軸承異步電機的基本理論.................................102.1旋轉電機的電磁力...........................................102.1.1洛倫茲力.............................................102.1.2麥克斯韋力...........................................102.1.3轉子偏心時的麥克斯韋力...............................112.2無軸承異步電機的基本原理...................................132.3無軸承異步電機的數學模型...................................142.3.1旋轉運動基本方程式...................................142.3.2徑向懸浮控制力方程式.................................152.4總結.......................................................17第3章基于轉矩繞組氣隙磁場定向控制的無軸承異步電機控制系統....193.1無軸承異步電機轉矩繞組間接氣隙磁場定向控制.................193.1.1各種磁場定向矢量控制比較.............................203.1.2轉矩繞組間接氣隙磁場定向控制系統.....................203.2基于轉矩繞組氣隙磁場定向控制的無軸承異步電機控制系統.......233.3基于轉矩繞組氣隙磁場定向控制的無軸承異步電機系統的實現.....243.3.1兩自由度無軸承異步電機模擬數字混合控制系統的總體結構.253.3.2系統硬件電路.........................................253.3.3系統軟件設計.........................................333.4實驗系統結構...............................................363.5實驗結果...................................................373.6總結.......................................................39第4章無軸承異步電機的單DSP控制..............................404.1無軸承異步電機的單DSP控制.................................404.1.1無軸承異步電機的轉矩繞組氣隙磁場定向控制原理.........404.1.2雙DSP工作的缺點和單DSP控制.........................404.2單DSP控制系統的結構.......................................424.2.1單DSP控制系統硬件結構...............................424.2.2單DSP控制系統軟件結構...............................454.3實驗結果...................................................464.4總結.......................................................46第5章無軸承異步電機懸浮系統獨立控制..........................485.1基于逆變器開關狀態的懸浮系統的獨立控制.....................485.1.1無軸承異步電機懸浮系統獨立控制算法...................485.1.2基于逆變器開關狀態的轉矩繞組氣隙磁鏈辯識和獨立控制...495.1.3定子磁鏈的濾波補償...................................515.1.4仿真和實驗結果.......................................535.2基于氣隙磁鏈模型的懸浮系統的獨立控制.......................555.2.1基于氣隙磁鏈模型的轉矩繞組氣隙磁鏈辯識和獨立控制.....555.2.2懸浮系統獨立控制中氣隙磁鏈相位角的預測...............585.2.3實驗結果.............................................605.3總結.......................................................64第6章無軸承異步電機鼠籠轉子影響及磁鏈閉環控制................656.1鼠籠轉子對懸浮控制工作的影響...............................656.2懸浮控制繞組氣隙磁鏈辯識...................................686.3懸浮控制繞組氣隙磁鏈閉環控制...............................696.4仿真結果...................................................696.5總結.......................................................71第7章無軸承異步電機轉子偏心影響及徑向力反饋控制..............727.1無軸承異步電機轉子偏心時的數學模型.........................727.2無軸承異步電機徑向力反饋控制...............................777.3仿真及實驗結果.............................................777.4總結.......................................................79第8章全文總結與展望..........................................808.1本文的主要結論和創新點.....................................808.2后續研究工作展望...........................................81參考文獻......................................................83致謝........................................................89攻讀博士學位期間發表的論文目錄.................................90圖表目錄圖1-1磁軸承電機和無軸承電機........................................1圖1-2無軸承電機系統的典型結構類型..................................2圖2-1洛倫茲力和麥克斯韋力.........................................10圖2-2電機轉子偏心時氣隙圖.........................................11圖2-3無軸承電機懸浮力產生示意圖...................................14圖2-4磁密向量圖...................................................16圖3-1轉矩繞組間接氣隙磁場定向控制算法.............................22圖3-2轉矩繞組間接氣隙磁場定向控制系統原理圖.......................23圖3-3無軸承異步電機的控制系統原理圖...............................24圖3-4無軸承異步電機的樣機結構圖...................................24圖3-5模擬數字控制系統總體結構.....................................25圖3-6轉速轉角測量圖...............................................27圖3-7雙機通訊電路簡圖.............................................29圖3-8比例電路.....................................................31圖3-9積分電路.....................................................31圖3-10微分電路....................................................32圖3-11前級輸入電路................................................32圖3-12位移檢測電路................................................33圖3-13前級輸入與PID電路..........................................33圖3.14主DSP程序流程圖............................................34圖3-15從DSP程序流程圖............................................35圖3-16實驗樣機圖..................................................36圖3-17實驗用控制系統圖............................................37圖3-18電機兩套繞組實物圖..........................................37圖3-19無軸承異步電機單邊受力時位置和力的波形圖....................37圖3-203000rpm時無軸承電機工作波形.................................38圖3-213000rpm兩套繞組的電壓、電流波形.............................38圖3-2260——3000rpm轉軸徑向位移圖.................................38圖4-13000rpm時雙DSP控制兩套繞組氣隙磁鏈角度波形圖...............41圖4-2單DSP控制系統結構圖.........................................42圖4-3IR2101和IR21094的典型連接圖................................43圖4-4驅動電路結構圖...............................................44圖4-5DSP程序流程圖...............................................45圖4-6IR2101和IR21094的輸入輸出波形圖............................46圖4-7單DSP控制時60——3000rpm轉軸徑向位移圖.....................46圖5-1氣隙磁鏈辯識原理圖...........................................51圖5-2基于逆變器開關狀態的無軸承異步電機獨立控制原理圖.............51圖5-3逆變器開關狀態得到的轉矩繞組電壓和氣隙磁鏈波形...............53圖5-4轉子在x、y方向的徑向位移仿真波形...........................54圖5-53000rpm時α坐標下由開關信號得到的等效定子電壓和磁鏈波形.....54圖5-63000rpm時β坐標下由開關信號得到的等效定子電壓和磁鏈波形....55圖5-73000rpm轉子在x、y方向的徑向位移波形........................55圖5-8轉矩繞組氣隙磁鏈的算法.......................................57圖5-9轉矩繞組氣隙磁鏈模型原理圖...................................58圖5-10無軸承異步電機懸浮系統獨立控制系統原理圖....................58圖5-11獨立控制程序流程圖..........................................59圖5-123000rpm時應用氣隙磁場定向控制與獨立控制時ψ1與ψ1波形.......60`圖5-133000rpm時應用氣隙磁場定向控制與獨立控制得到的氣隙磁鏈相位波形60圖5-143000rpm應用氣隙磁場定向控制轉子在x、y方向的徑向位移波形..61圖5-153000rpm獨立控制下轉子在x、y方向的徑向位移波形............61圖5-161000—3000rpm時氣隙磁場定向控制與獨立控制的氣隙磁鏈相位波形61圖5-173000—1000rpm氣隙磁場定向控制與獨立控制得到的氣隙磁鏈相位波形62圖5-18變速時氣隙磁場定向控制下轉子在x、y方向的徑向位移波形......62圖5-19變速時獨立控制下轉子在x、y方向的徑向位移波形..............63圖5-20無預測控制時氣隙磁鏈角度和轉子在x、y方向的徑向位移波形....63圖5-21預測控制時氣隙磁鏈角度和轉子在x、y方向的徑向位移波形......63圖6-1懸浮控制繞組一相等效電路圖...................................66圖6-2懸浮控制力損耗示意圖.........................................66圖6-310rpm——3000rpm時電機的工作波形............................67圖6-4無軸承異步電機懸浮控制繞組氣隙磁鏈閉環控制的原理圖...........69圖6-5無磁鏈反饋控制和有磁鏈反饋控制時氣隙磁鏈波形.................70圖6-6無磁鏈反饋控制和有磁鏈反饋控制時X軸向位移波形...............71圖7-1電機轉子偏心時氣隙圖.........................................72圖7-2轉子懸浮系統運動方程示意圖...................................76圖7-3帶有徑向力反饋控制的無軸承異步電機控制系統原理圖.............77圖7-4徑向力反饋控制和有徑向力反饋控制時的X軸向位移波形...........78圖7-53000rpm無徑向力反饋轉子在x、y方向的徑向位移波形...........78圖7-63000rpm有徑向力反饋轉子在x、y方向的徑向位移波形...........79第1章緒論1.1無軸承電機概述1.1.1無軸承電機的研究意義及概述隨著科學技術的進步，高速和超高速電機在機床主軸、渦輪分子泵、離心機、壓縮機、機電貯能、航空航天等領域獲得廣泛的應用。支撐軸承技術一直是高速電機發展的“瓶頸”。高速電機一般采用氣浮、液浮和磁浮軸承，氣浮和液浮軸承需要專門相配的氣壓、液壓系統，造成電機系統結構復雜、能耗大、效率低。磁浮軸承具有無潤滑、無磨損、無機械噪聲和結構簡單的特點，經過近三十年的發展和完善，在高速電機中使用比例越來越大。但由于磁軸承本身占有一定的軸向空間，軸向利用率低，限制了其臨界轉速和輸出功率，也影響到高速電機的微型化，另外磁軸承的成本過高也影響到它的廣泛使用。提高電機系統軸向利用率，相應也就提高了電機的臨界轉速和輸出功率。一種途徑是研究集軸向懸浮和徑向懸浮功能于一體的軸向徑向混合磁軸承，如錐形磁軸承等；另一途徑就是研究集徑向懸浮功能和驅動力矩功能于一體的新型電機，這種途徑對提高電機系統軸向利用率尤其顯著。無軸承電機（bearinglessmotor），是利用電機定子上兩套繞組共同作用產生徑向磁場力（麥克斯韋力）將旋轉的轉子懸浮于空間，使轉子和定子之間沒有接觸的一種新型高性能電機。無軸承電機是一種科技含量較高的機電能量轉換裝置，它的種類很多，但其組成和工作原理是相似的。簡單的說就是根據磁軸承結構和交流電機定子結構的相似性（如圖1-1所示），把磁軸承中產生懸浮控制力的繞組和原電機轉矩繞組共同繞制在電機定子上，使電機的懸浮控制力磁路和旋轉磁路合成一個整體，并通過兩套繞組分別獨立地控制電機的旋轉和轉軸的懸浮。由于無軸承電機具有無摩擦、無磨損、無需潤滑和密封、高速度、高精度、壽命長以及無需外加五個自由度的輔助磁懸浮軸承等一系列優良品質，因此從根本上改變了傳統的軸承或磁軸承支承型式。1.1.2無軸承電機在國內外的發展概況無軸承電機有兩種定義方式，分別從電氣工程和機械工程的角度進行定義為“無軸承電機是帶有磁集成軸功能的電機”和“無軸承電機是磁集成電機功能的磁軸承”。絕大多數的研究者將它的術語定義為“無軸承電機”。其他的還有“電機磁軸承”、“組合電機軸承”、“自軸承電機”、“徑向力電機”或“懸浮旋轉電機”等。無軸承交流電機的思想最初是由R.Bosch[1]于八十年代末提出來的，在J.Bichsel[2]實現了同步電機的無軸承技術之后，無軸承交流電機的研究開始引起重視，之后美國、日本開始大力資助這項高新技術的研究。九十年代至今，交流異步電機、同步磁阻電機、永磁同步電機、開關磁阻電機的無軸承技術相繼研究成功，并有部分成果商品化。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究領域的熱點之一。目前，國際上對無軸承電機的研究工作和學術氣氛非常活躍，在國際電工學科通常將無軸承電機技術歸類為磁軸承技術一類，1988年在瑞士蘇黎世召開了第一屆國際“磁懸浮軸承會議”（InternationalSymposiumonMagneticBearings），此后每兩年召開一次。美國航空航天局1991年3月召開了一次“磁懸浮技術在航天中的應用”（AerospaceApplicationofMagneticSuspensionTechnology）的學術討論會。美國從1991年起，在上下兩屆國際“磁懸浮軸承會議”的中間一年，召開國際“磁懸浮技術會議”（InternationalSymposiumonMagneticTechnology），也是每兩年召開一次。此外，瑞士、日本、美國、法國和我國等國家都在大力支持開展無軸承電機的研究和應用工作，國際上的這些努力，大大推動了無軸承電機的理論研究和在工業中的廣泛應用。就目前研究水平而言，瑞士聯邦工業學院（ETH）和東京理工大學（ScienceUniversityofTokyo）在無軸承電機研究領域處于領先地位。國內對無軸承電機的研究工作起步較晚，尚處于實驗室階段，未見有報道工業實驗運行的例子。研究首先在90年代末，清華大學、沈陽工業大學[3~5]、西安交通大學[6]、浙江大學[7]、南京航空航天大學[8~17]等單位都在開展這方面的研究工作。由于無軸承電機涉及到電機理論、機械設計、轉子動力學、控制理論、電力電子技術、電磁理論、測試技術、計算機技術及數字信號處理技術等眾多學科的知識，研究難度相當大，加上科研經費不夠充足，到目前為止尚未能取得大批量成果，僅僅處于單機實驗階段。1.1.3無軸承異步電機在國內外的研究概況從第一次無軸承電機概念的提出、實現[1,2]到今天，在短短的二十年時間里，無軸承電機得到了廣泛的研究[18~23]。目前國際上研究的磁懸浮電機主要有3種，磁阻型磁懸浮電機、感應型磁懸浮電機和永磁型磁懸浮電機。除了分析無軸承的基本原理及推導電機電流、電壓及懸浮力的關系外，針對不同的類型，研究側重有所不同。對于無軸承電機的電磁結構，從理論上分析了相關極對數繞組構成的無軸承電機懸浮機理[24~26]，并深入研究了無軸承電機的基本極對數關系[27,28]，提出了系統的結構并進行了實驗研究，從而引導了電機無軸承技術的發展。目前就定子繞組結構看，4/2極繞組結構形式采用的比較多，即轉矩繞組4極、懸浮控制繞組2極。這種定子結構對圓桶式和凸極式的轉子均有效，在圓桶式轉子結構中很容易互換兩組繞組的功能，在鼠籠式感應電機利用2極繞組做轉矩繞組有便于解耦磁場的優點。P極和P+2極繞組結構的優點是三相繞組的中點可以連接在一起作為中性點，可以實現對另外六個終端的獨立電流控制。無軸承電機中轉矩和懸浮力控制通過電機磁場發生耦合，針對磁阻型和感應型無軸承電機的電流的轉矩分量和懸浮控制分量的相互干擾，提出了幾種不同的解耦控制方法并用于實驗，實現了轉矩和懸浮控制力間的解耦控制[29,30]。同時針對磁場定向偏差對懸浮控制力產生的偏差影響，應用氣隙磁場定向控制解決了無軸承電機動態時的穩定懸浮問題并分析出磁通矢量相位差產生原因是由于轉子電阻變化和電機漏感分布[31,32]。針對鼠籠式異步電機懸浮控制繞組中部分電流感應在轉子鼠籠繞組中造成實際懸浮控制力小于給定值而引起的懸浮控制力和懸浮控制繞組電流之間存在明顯的相位滯后問題，在徑向位移控制器中采用了相位滯后補償器實現鼠籠式無軸承異步電機的穩定懸浮，但這種方法只提供了靜態力補償而沒有對其他頻率成分進行補償[33]，進一步的研究根據轉子轉速在所有頻率成分上對補償器進行重建[34]。并從理論上分析了轉子電流對鼠籠式無軸承異步電機懸浮控制力的影響，說明徑向懸浮控制力由對應氣隙磁鏈的電流產生，轉子中感應電流使得懸浮控制力出現延遲和損耗[35]。針對懸浮控制繞組的這種損耗問題，也有的學者提出應用磁鏈檢測的方法實現磁場閉環控制[36]。同時轉子結構設計上的改變，也可以使得轉子中只感應轉矩繞組的電流，而懸浮控制繞組在轉子中無感應電流，這種方案在磁鏈變化的時候具有明顯的優勢，而且控制器簡單，但是轉子的結構相當復雜[37]。鼠籠式無軸承異步電機有空載和負載下的不同工況，為此針對轉子電路對無軸承電機工作的影響、負載對徑向懸浮力耦合的影響及如何實現負載情況下徑向懸浮力解耦工作進行了研究[38,39]。針對無軸承電機需要實現五個自由度的懸浮控制問題，提出了兩個徑向兩自由度的無軸承電機和一個軸向單自由度的磁軸承的組合的結構形式[40,41]，類似的五自由度無軸承電機成為一段時間研究的典型結構。在對電機結構的分析上，對永磁同步電機的研究最為廣泛，針對轉子磁鐵厚度，也就是電感函數的優化選擇問題，對最優磁鋼厚度值進行了實驗研究，并得出懸浮控制力和懸浮控制繞組電壓電流的關系[42~44]。并針對不同磁鋼安裝形式的永磁同步無軸承電機，在產生相同轉矩的情況下，對它們的徑向穩定性進行分析和比較。另[45]外對于開關磁阻電機也分析了其基本設計思路，提出了無軸承開關磁阻電機磁路主要尺寸的決定方法[46]。無軸承電機通過磁場實現懸浮控制，因此磁飽和的影響不可忽視，針對電機的磁飽和問題，分析了磁飽和對無軸承電機磁鏈和懸浮控制力的影響以及磁飽和對懸浮控制力和懸浮控制繞組電流關系的影響，提出根據磁飽和程度來調節實現對解耦控制方法的補償[47~51]。無軸承電機支持主軸的電力幾乎為無效電力，根據無軸承電機兩套繞組極對數的特點，使懸浮控制繞組工作在發電狀態，有效電力由自激發電獲得，而無需外加電源供電，這樣通過對懸浮控制繞組的工作狀態的控制就可以實現徑向位置控制側變換器的無電源運行，也就是無軸承電機的自供電技術，從而實現無軸承電機的單電源供電[52~54]。但由于自激發電和轉速有關，所以無電源運轉就有一個速度范圍，目前特殊工作條件下所能達到自供電的最低轉速為5500r/min。無軸承電機需要昂貴的位移傳感器去檢測轉子偏移量來實現轉子懸浮控制的問題，因此基于自感變化或互感變化的無位置傳感器控制方法[55,56]，即位置自傳感方法得到發展。由機械誤差引起的轉子偏心會產生很大的磁引力，這種內在的大的磁引力也是困擾電機轉子振動和噪聲的一個原因，為了減少振動有必要補償磁引力，提出在轉子徑向位移反饋控制器增加前饋補償環節去無延遲地主動補償磁引力[57]，或者利用徑向力反饋的概念[58]去補償轉子偏心影響[5,6]。1.1.4無軸承電機的特點及工業應用1．無軸承電機的特點與傳統機械軸承、氣浮軸承，液浮軸承及同為電磁懸浮的磁軸承電機相比，無軸承電機具有如下的優點：（1）懸浮控制繞組纏繞在電機的定子上，不占用額外的軸向空間，無軸承交流電機的軸向長度可以設計得較短，從而提高了其臨界轉速。從某種意義上講，電機轉速能夠從根本上擺脫軸承因素的制約，只受材料強度的限制。因此無軸承電機將很大程度上拓寬了高速電機的應用領域，特別是小體積、高轉速、長壽命的應用領域，如要求無粉塵、無潤滑、小體積的計算機高速硬盤驅動裝置、超薄節能空調、微型高速機床等。（2）無軸承電機由于充分利用了其軸向空間，在轉軸長度保持一定的條件下，其輸出功率將大幅度提高。（3）結構緊湊，可微型化。體積可以更小、重量可以更輕、結構更趨簡單，維修更為方便。（4）電能消耗減少。對無軸承電機而言，傳統磁軸承中的直流勵磁電流不再需要，使轉子懸浮的電機懸浮控制力的產生是基于電機本身的勵磁磁場作偏置磁場。（5）系統成本降低。一套磁軸承系統需要4個功率放大器，而采用無軸承電機其懸浮控制只需一個三相逆變器。無軸承電機主要缺點是：與普通電機比較，電機本體需要有兩套繞組，需改變了電機定子繞組構成；剛度較滾動軸承小；必須使用控制器實現懸浮；電機懸浮是以電機旋轉工作為基礎，而且危機情況下應變能力弱，因此需配備輔助軸承；另外無軸承電機尚處于發展階段，不能形成大批量生產，而且結構復雜，從而導致無軸承電機價格很高，難于大面積推廣應用。2．無軸承電機的工業應用（1）飛輪貯能：飛輪貯能是以高速旋轉的飛輪質體作為能量貯存的介質，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。采用無軸承電機可以增加了軸向空間利用率，減低了重量、體積，較大幅度提高了貯能系統的“比能量”。（2）人工血泵：血泵是在大型手術中，給病人提供壓力、流速可調的血液；或作為心臟移植手術前的臨時心臟使用。要求其結構簡單、密封性能好、起動容積小、壓力可調節、容易安裝泵頭、且便于一次性處理。血泵發展過程中經歷了滾子血泵、磁耦合離心泵、磁軸承離心泵階段。這些類型的泵或因易造成血液損壞、微粒污染，或因摩擦和發熱引起溶血、凝血和血栓，或因造價高不便于一次性處理均不能完全滿足血泵的要求。采用無軸承圓盤式電機的血泵則能完全滿足性能要求。電機的應用特點：①不需要主軸，設計更為靈活；②泵頭組裝容易，泵體清洗和替換容易；③采用葉輪傳動，血細胞損壞率極低；④泵室結構簡單、不存在密封問題。（3）無軸承電機在機械領域中的應用a．振動阻尼：在機械軸承支撐的轉子系統中，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。而達到同樣的效果，采用磁軸承系統（作用在轉軸兩端）則需較大的徑向力。由于轉子的彎曲模式可以得到有效控制，在機床主軸設計中獨具優越性，機床的加工精度將隨主軸的剛度提高而提高。b．機械軸承卸載：在大功率、重載使用場合，可采用無軸承電機和機械軸承的組合系統。無軸承電機可承擔大部分負載，相應降低了機械軸承的承載，大幅度延長機械軸承的使用壽命。c．用做旋轉機械轉子振動主動控制裝置：無軸承電機的懸浮控制功能使得其具有主動控制轉子振動的功能，對電機機組的振動控制、監測等問題有很多優越性。1.1.5無軸承電機的發展趨勢今后無軸承電機的發展大致集中在以下幾個方面：（1）數字控制器硬件和軟件的研究為滿足無軸承電機更高的性能要求，控制器的數字化、智能化、集成化是必然的發展趨勢，而要求設計的控制軟件功能越來越完善，可靠性更高。隨著數字信號處理技術、電子技術等的進一步發展，為研究多功能、高性能的數字控制器提供了硬件條件和技術保障，使得無軸承電機向多功能、數字化、智能化、集成化和模塊化方向發展逐漸成為現實。（2）自傳感（檢測）（Self-sensing）技術和自供電技術的深入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通過電機工作本身參數的變化來識別轉子軸的位置的方法。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工作狀態，實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）獨立控制技術的研究由于無軸承電機的懸浮是定子上轉矩繞組和懸浮控制繞組相互作用的結果，實現電磁轉矩和懸浮力之間的解耦控制是無軸承電機運行的基本要求，也是該領域研究的難點。典型的基于轉矩繞組氣隙磁場定向控制算法缺乏實用性并且存在最大轉矩限制，影響到它在重載和大功率條件下的應用，同時其復雜的解耦算法還缺乏應用上的靈活性。通過在線辯識轉矩繞組的氣隙磁場的幅值和相位方法可以實現無軸承異步電機轉矩繞組和懸浮控制繞組的獨立控制。但目前的辯識方法還無法保證辨識精度，因此對獨立控制還需深入的研究。（4）電機結構、參數研究根據無軸承電機的特殊結構和工作要求，要對無軸承電機進行優化設計。主要研究對象是電機定轉子結構形式、繞組的繞制方式、導線的厚度問題等因素對無軸承電機參數、懸浮控制繞組電流控制、懸浮特性等工作效能的影響。另外磁飽和、不同負載工作等因素的存在都會影響到電機的磁場分布和強度等級，而這些對電機的懸浮工作都會產生很大的影響。電機參數在不同工作環境下是在發生變化的，即使不是無軸承電機，關于消除電機參數變化對電機工作的影響也一直是電機研究領域的一個熱點，但對參數影響的分析和控制尤其是轉子參數的影響多數是圍繞著轉子磁場定向控制來進行的，對于氣隙磁場定向的研究成果很少，而且對無軸承電機來說，參數變化的影響已不局限于轉子時間常數等幾個參數。應用直接磁場定向或獨立控制等方法雖然可以很大程度上消除參數變化的影響，但同時帶來電機結構的復雜和相應的參量檢測等問題，對這些問題的引入帶來的影響也要進行相應的分析和研究。如何設計有效實用的考慮參數變化的控制系統，是面臨的難點之一。（5）無軸承電機對電機機組的振動控制、監測等問題的解決有很多優越性，因此對無軸承電機的機電動力學與控制系統相耦聯的非線性動力學的研究有廣闊的發展前景，但目前對無軸承電機動力學方面的研究基本尚未展開。無軸承電機的轉子系統的機電耦聯振動是比較復雜的，涉及到多個學科的理論基礎，包括力學、電學及其交叉的學科，需要正確建立其機電耦聯的數學模型。因此對無軸承電機的機電動力學與控制系統相耦聯的非線性動力學的研究有很大的應用價值[59,61]。（6）無軸承電機的磁懸浮力數學模型是無軸承電機本體設計和控制系統設計的基礎，目前對其數學模型的研究尚不深入，影響了控制系統的設計和各種現代控制理論方法的應用，因此對無軸承電機數學模型的研究急待深入。1.2論文工作及內容安排本論文中所要研究的是兩自由度無軸承異步電機。從圖1-1（b）看，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。1.2.1論文工作的提出無軸承電機是未來一段時間里電機領域的研究方向之一，獨特的優點使得無軸承電機具有廣闊的應用前景，在各種類型的無軸承電機中，無軸承異步電機以其結構簡單和高可靠性成為這一研究領域的熱點。無軸承電機的研究在國內剛剛起步，在實驗研究方面尚屬空白，所以作為博士論文的研究方向提出很有意義。但由于開始課題研究時無軸承電機在國內的研究尚處于一種摸索的階段，除了以無軸承電機系統實現這一基礎為重點，在其他具體研究的問題方面常常處于嘗試的狀態，因此在論文內容結構上難于做到理想，只堪作為在無軸承電機研究領域論文工作的一種嘗試。1.2.2論文的內容安排第一章緒論：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，分析了異步電機轉子偏心情況受到的麥克斯韋力，并針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。第三章基于轉矩繞組氣隙磁場定向控制的無軸承異步電機控制系統：通過轉矩繞組氣隙磁場定向控制算法實現了無軸承異步電機的懸浮控制，并應用模數混合系統實現了原理樣機的懸浮控制，為無軸承電機的研究打下了基礎。第四章無軸承異步電機單DSP控制：針對無軸承異步電機兩個DSP工作的結構復雜的缺點和由雙機通訊引起的兩套繞組氣隙磁鏈角度延遲問題，在由TMS320F240組成的控制系統的基礎上，提出應用一個DSP來實現對無軸承異步電機系統兩套繞組的控制的思想，提高了懸浮系統工作的可靠性。第五章無軸承異步電機懸浮系統獨立控制：提出基于逆變器開關狀態和氣隙磁鏈模型辨識無軸承異步電機轉矩繞組的氣隙磁鏈信息的方法，并應用兩種方法分別實現了無軸承異步電機的獨立控制。第六章無軸承異步電機鼠籠轉子影響及磁鏈閉環控制：針對無軸承異步電機懸浮控制繞組在鼠籠轉子感應電流對懸浮控制的影響，提出應用懸浮控制繞組氣隙磁鏈閉環控制來消除懸浮控制繞組氣隙磁鏈的偏差和懸浮控制力的耦合。第七章無軸承異步電機轉子偏心影響及徑向力反饋控制：針對無軸承異步電機轉子偏心工作問題，對無軸承異步電機轉子偏心時的受力情況進行了分析，并以此為基礎，提出了應用徑向力反饋控制的方法來提高無軸承異步電機懸浮控制系統的控制精度。第八章總結論文所做的工作，并對以后的進一步研究方向提出了設想。第2章無軸承異步電機的基本理論2.1.旋轉電機的電磁力在異步交流電機中有兩種不同的磁力：洛倫茲力和麥克斯韋力[62]。2.1.1洛侖茲力作用在載流導體上，異步電機的旋轉力矩就是基于它產生的。洛侖茲力沿切向作用在轉子上產生轉矩。圖2-1（a）以電流和磁鏈均為正弦分布的兩極電機為例來說明洛倫茲力和旋轉力矩的產生。2.1.2麥克斯韋力磁路中在不同的磁導率（如空氣和鐵心）的磁性物質邊界上形成的磁張應力稱之為麥克斯韋力（Maxwell力），也稱為磁阻力。對于電機來說，作用在電機轉子上的力主要有轉子重量、外施負載力以及電機本身產生的作用在轉子上的電磁力（麥克斯韋力）。電機中垂直作用于電機轉子表面的麥克斯韋力很大，但當轉子與定子同心的時候電機中磁通是對稱分布的，其麥克斯韋力合力為零，如圖2-1（b）所示。但考慮到交流電機定轉子、軸承和軸的尺寸的變化以及轉子重量等因素，很難假設轉子和定子有良好的同心度。當轉子偏離了電機定子中心，引起電機磁通分布的不均勻，則作用在轉子上的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，使轉子進一步偏離同心位置，如圖2-1（c）。轉子的偏移量越大，麥克斯韋力也越大，該力的作用相當于一個負剛度的彈簧力。2.1.3轉子偏心時的麥克斯韋力當電機定轉子不同心的時候，會產生作用在轉子上的麥克斯韋力[63]。電機偏心時的氣隙圖如圖2-2所示，轉子偏心時氣隙可以近似表達為如下形式[60]其中FS是定子繞組基波磁勢幅值，Fr是轉子繞組基波磁勢幅值，p是電機的磁極對數，ω是電角頻率，φ是轉子電流滯后定子電流的相位角。在忽略了諧波分量以后，合成氣隙磁勢也可以表示為一般說，氣隙磁密的切向分量比法向分量小的多，可以忽略不計，假設鐵心的磁導無限大，則垂直于鐵心和空氣邊界的麥克思韋應力為上式中r是轉子外徑，l是電機鐵心長度，對（2-9）和（2-10）分析可知，轉子偏心產生的不平衡磁拉力包括兩部分，一是與時間無關的部分，其幅值等于f1，方向指向間隙最小的方向；二是與時間有關的部分，其波動頻率為電頻率的兩倍，力幅值為f2、f3、f4的函數，如果電機的磁極對數大于3，則只有第一部分存在。因此從（2-9）和（2-10）可以看出轉子偏心時產生的不平衡磁拉力是相對偏心量的非線性函數。從公式（2-13）可以看出與時間無關的磁拉力中的穩態成分是轉子偏心量的函數[64]。從上面的分析可以知道，對于帶有偏心轉子的電機來說，其氣隙磁導諧波產生與電機基波磁場極對數差1的諧波磁場，也就是說轉子偏心在氣隙磁場中產生偏心諧波磁場，偏心諧波磁場和電機基波磁場相互作用產生不平衡磁拉力。其中與時間無關的磁拉力的穩態成分由相差一對極、旋轉方向與轉子旋轉方向相同的磁場形成，與時間有關的磁拉力的振蕩成分則由相差一對極但旋轉方向與轉子旋轉方向相反的磁場形成。轉子出現偏心時，產生的不平衡磁拉力使系統的振幅增加。當偏心較小時，轉子振動響應的非線性特性不明顯，軸心軌跡是中心對稱的；當偏心較大時，由于不平衡磁拉力的非線性特性，軸心軌跡也將為非中心對稱的不規則圖形。2.2無軸承異步電機的基本原理從前面的分析可以知道，轉子偏心工作時引起的電機徑向麥克斯韋力是負剛度的彈簧力，在這種力的作用下，轉子偏心加劇。為了使作用在轉子上的麥克斯韋力是正剛度的彈簧力，在無軸承異步電機的定子中放入了兩套具有不同極對數的繞組，分別為轉矩繞組（極對數p1，電角頻率ω1）和懸浮控制繞組（極對數p2，電角頻率ω2），當兩套繞組極對數滿足p2=p1±1，電角頻率滿足ω1=ω2時，電機中產生可控的懸浮力[1]。也就是說無軸承異步電機懸浮控制繞組的引入，打破了電機單一轉矩繞組產生的旋轉磁場的平衡，使得電機氣隙中某個區域中磁場增強，而其對稱區域磁場減弱，其由磁場變化產生的作用在轉子上麥克思韋力指向磁場增強的一方。無軸承電機徑向懸浮力產生示意圖如圖2-3所示，圖2-3（a）所示的無軸承異步電機（p1=1，p2=2）兩個磁場的相互調制使得轉子左右側氣隙磁感應強度的不均勻，其結果產生的麥克思韋合力（即徑向懸浮力）指向X軸的正方向；同理，圖2-3（b）中所示兩個磁場的相互調制產生了沿Y軸正方向的徑向懸浮力。這樣就可以通過對轉子徑向位移的負反饋控制，間接控制作用在轉子軸上的麥克斯韋力的大小和方向，從而實現轉子軸的懸浮。無軸承異步電機輸出的電磁轉矩是基于洛侖茲力產生的，與普通異步電機無異[8]。2.3無軸承異步電機的數學模型2.3.1旋轉運動基本方程式采用CRPWM（電流控制PWM）逆變器供電的電機用轉矩繞組氣隙磁鏈和定、轉子電流表示的基本方程式為氣隙磁鏈方程2.3.2徑向懸浮控制力方程式電機中氣隙磁密為B，則作用在轉子表面dA面積上的麥克斯韋力為由于無軸承電機定子上有兩套繞組，因此無軸承電機的氣隙磁場是由轉矩繞組和懸浮控制繞組共同產生的合成氣隙磁場。假設定轉子中心重合、忽略磁飽和和定子磁動勢諧波，徑向懸浮控制力X軸分量正向與A相繞組軸線重合，則由兩套繞組電流產生的氣隙磁場磁感應強度時間空間向量表達式為參照磁密向量圖2-4，將式（2-23）、（2-24）在同步旋轉坐標系下分解為d、q坐標軸上的分量形式[9]定轉子同心情況下產生的徑向懸浮控制力與兩套繞組氣隙磁鏈在d、q軸上的分量有關，要實現對作用在轉子上的徑向懸浮力的控制，必須準確控制兩套繞組氣隙磁鏈的幅值和相位。在上面的公式中，ψ—dq坐標下氣隙磁鏈，i—繞組電流，U—外加電壓，W—繞組匝數，F—麥克斯韋力，ω—角頻率，p—繞組極對數，B?—磁感應強度，Lm—互感，R—電阻。s—定子繞組，r—轉子繞組，1—轉矩繞組，2—懸浮控制繞組，d—d軸分量，q—q軸分量，x—力在x分量，y—力在y分量。r—轉子外徑，l—電機鐵心長度，Te—電磁轉矩，μ0—磁導率，Ls1—轉矩繞組定子漏感，Lr1—轉ll矩繞組轉子漏感，?—dq坐標下旋轉角度，μ—dq坐標下轉矩繞組氣隙磁鏈的初始相位角，λ—dq坐標下懸浮控制繞組氣隙磁鏈的初始相位角，ωr—轉子角頻率，ωs—轉差角頻率。2.4總結本章對普通單繞組異步電機所受磁力以及無軸承異步電機的工作原理和數學模型進行了分析，得出如下結論：（1）通過對普通電機的受力分析，知道定轉子同心時，轉子受麥克斯韋力合力為零，當存在轉子偏心時氣隙磁場中產生偏心諧波磁場，進而產生不平衡磁拉力，為負剛度的麥克斯韋力。（2）為了實現轉子與軸承的無接觸工作，必須外加可控的徑向懸浮力。通過對無軸承異步電機數學模型的分析，說明無軸承異步電機在定轉子同心的情況下產生的徑向懸浮控制力與兩套繞組氣隙磁鏈在d、q軸上的分量有關，因此控制兩套繞組氣隙磁鏈的幅值和相位是實現徑向懸浮力控制的核心問題。（3）從公式（2-16）、（2-29）、（2-30）可以看出由于無軸承異步電機徑向懸浮控制力和電磁轉矩均可以看作是轉矩繞組氣隙磁鏈的函數，也就是說它們之間是通過轉矩繞組氣隙磁鏈而耦合的，為了能準確控制徑向懸浮力的大小和方向，并同時使電機電磁轉矩輸出不受影響，必須準確控制轉矩繞組氣隙磁鏈的幅值和相位。第3章基于轉矩繞組氣隙磁場定向控制的無軸承異步電機控制系統通過第二章對無軸承異步電機基本理論的分析可以知道，無軸承異步電機具有復雜的電磁關系，其氣隙磁鏈不僅與轉矩子系統之間存在耦合，而且與懸浮控制子系統存在耦合。并且電磁轉矩和懸浮控制力通過轉矩繞組氣隙磁鏈耦合在一起，如果能準確控制轉矩繞組氣隙磁鏈的幅值和相位，則能實現電磁轉矩和懸浮控制力之間的解耦。1．懸浮控制繞組的加入影響電機轉矩繞組氣隙磁場的均勻分布，氣隙磁場的變化必然影響電機電磁轉矩的輸出，如果能有效控制轉矩繞組的氣隙磁場的大小，輸出轉矩才不會受懸浮控制繞組的影響，同時才能準確計算懸浮力的大小。2．相對而言轉矩繞組氣隙磁鏈幅值偏差對懸浮控制力的影響相對較小，它只影響閉環增益，可以通過控制器的設計來包容，相對而言更重要的是轉矩繞組氣隙磁鏈相位的準確性，相位的偏差將引起軸系間的耦合，只有準確控制轉矩繞組氣隙磁鏈的相位，才能有效地施加懸浮力，系統穩定運行才有保證。因此實現轉矩繞組氣隙磁場定向是無軸承異步電機系統的關鍵問題。普通異步電機一般采用轉子磁場定向控制實現高精度轉矩控制，但它還不能有效地控制電機的氣隙磁場，只有采用氣隙磁場定向控制才能有效的控制氣隙磁場的幅值和相位。3.1無軸承異步電機轉矩繞組間接氣隙磁場定向控制對于無軸承電機來說，位置檢測系統通過PID調節得到徑向懸浮控制力，而徑向懸浮控制力的產生是通過電機氣隙磁場分布的主動不平衡實現的，要實現對無軸承電機轉子的懸浮控制就要求控制旋轉磁場的瞬時幅值和相位信息，因此實際實現過程采用磁場定向控制。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，從而可象直流電機那樣進行快速的轉矩和磁通控制[65]。3.1.1各種磁場定向矢量控制比較轉子磁場定向簡單且能做到完全解耦，但轉子磁通的檢測精度和轉差頻率的計算受轉子參數的影響較大，一定程度上影響了系統性能；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。此時可采用轉子方程做磁通觀測器，但觀測模型較為復雜。氣隙磁場定向控制方式復雜，但卻有某些狀態能直接測量的優點，同時電機磁通的飽和程度與氣隙磁通一致，故氣隙磁場定向更適合于處理要求知道氣隙磁場信息和飽和效應的場合[66,67]。普通異步電機一般采用轉子磁場定向控制，但對于無軸承異步電機，應用轉子磁場定向控制，空載情況下可以近似用轉子磁鏈等效氣隙磁鏈，可以實現懸浮力的解耦控制，但在負載情況下，尤其是暫態過載情況下，兩者之間存在相位和幅值偏差，則兩套繞組氣隙磁鏈產生相差，此時產生的徑向力與給定的徑向力存在相差，無法實現懸浮力的解耦控制。3.1.2轉矩繞組間接氣隙磁場定向控制系統一般來說異步電機矢量控制系統的控制方式比較復雜，必須對系統動靜態特性進行充分的研究，作為系統中的一個主要環節，異步電機的特性顯得尤為重要，建立一個適當的數學模型是研究其動靜態特性及其控制技術的理論基礎。為了分析方便，一般對三相異步電機做如下理想化假定（1）電機定轉子三相繞組完全對稱（2）定轉子表面光滑，無齒槽效應，定轉子每相氣隙磁動勢在空間呈正弦分布。（3）磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計無軸承異步電機轉矩繞組在d、q坐標下的數學模型為磁鏈方程上面公式中ψ—氣隙磁鏈，ψs—定子磁鏈，ψr—轉子磁鏈，i—繞組電流，u—繞組外加電壓，R—繞組電阻，ωr—轉子機械角速度，p1—轉矩繞組極對數，ω1—同步角速度，Lm1—轉矩繞組主電感，Ls1—轉矩繞組定子電感，Ls1—轉矩繞組定子l漏感，Lr1—轉矩繞組轉子電感，Lr1—轉矩繞組轉子漏感，Tem—電磁轉矩。下標：ls—定子繞組，r—轉子繞組，d—d軸參數，q—q軸參數，1—轉矩繞組，2—懸浮控制繞組。3.2基于轉矩繞組氣隙磁場定向控制的無軸承異步電機控制系統當采用轉矩繞組氣隙磁場定向控制后，保證了旋轉坐標系上的d軸與轉矩繞組的氣隙磁