無(wú)軸承異步電機(jī)及其解耦控制研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)制造領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速、控制精度的要求越來(lái)越高，研發(fā)高質(zhì)量的高速、超高速傳動(dòng)系統(tǒng)成為迫切需要解決的問(wèn)題。無(wú)軸承電機(jī)集傳統(tǒng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)與磁軸承懸浮功能于一體，以同時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電磁轉(zhuǎn)矩和支承轉(zhuǎn)子的懸浮力為目標(biāo)，打破了傳統(tǒng)電機(jī)僅為了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而必須保持氣隙磁場(chǎng)平衡的思路，開辟了高速電機(jī)研究領(lǐng)域的新方向，在高速數(shù)控機(jī)床、高壓密封泵、特種機(jī)器人、高速飛輪儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)軸承異步電機(jī)將磁懸浮技術(shù)與傳統(tǒng)異步電

2、機(jī)相結(jié)合，不僅具有無(wú)軸承電機(jī)無(wú)摩擦、無(wú)磨損、軸向空間利用率高、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有傳統(tǒng)異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠、氣隙均勻、成本低、齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩低、弱磁范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，成為目前無(wú)軸承電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　本文在主持完成國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸自適應(yīng)逆解耦控制及數(shù)字化技術(shù)(61174055)”等多項(xiàng)課題的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理、電磁分析、運(yùn)行控制、數(shù)字系統(tǒng)等方面開展研究，設(shè)

3、計(jì)了五自由度無(wú)軸承異步電機(jī)系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了主要的結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)；基于機(jī)械/電氣坐標(biāo)變換，建立了無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)建模；提出了無(wú)軸承異步電機(jī)的自適應(yīng)逆控制方法，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子的高精度穩(wěn)定懸浮；基于數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320F2812，設(shè)計(jì)了無(wú)軸承異步電機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)，并開展了相關(guān)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究。主要內(nèi)容如下：
　　(1)分析了五自由度無(wú)軸承異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與機(jī)理，構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)模型。分析了二自由度無(wú)軸承異步電機(jī)和三自由度混合磁

4、軸承的結(jié)構(gòu)與機(jī)理，研究設(shè)計(jì)三自由度混合磁軸承和二自由度無(wú)軸承異步電機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)的五自由度無(wú)軸承異步電機(jī)；提出無(wú)軸承異步電機(jī)的“磁場(chǎng)等效虛擬繞組電流”和“機(jī)械/電氣坐標(biāo)系變換”方法，分別建立電機(jī)繞組電流與混合磁軸承繞組電流產(chǎn)生電磁力的模型，構(gòu)建無(wú)軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮與旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型；
　　(2)設(shè)計(jì)了五自由度無(wú)軸承異步電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)，研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。在保證無(wú)軸承異步電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和懸浮力脈動(dòng)的前提下，以最大懸浮力和最

5、大輸出轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，提出將傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法和有限元設(shè)計(jì)相結(jié)合的無(wú)軸承異步電機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法；針對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)懸浮繞組的特殊性，分析了電機(jī)各參數(shù)
　　對(duì)電機(jī)懸浮力及轉(zhuǎn)矩的影響，研究了轉(zhuǎn)矩繞組電流和懸浮繞組電流產(chǎn)生懸浮力的耦合關(guān)系；設(shè)計(jì)了五自由度無(wú)軸承異步電機(jī)樣機(jī)，開展了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性。
　　(3)提出了五自由度無(wú)軸承異步電機(jī)的自適應(yīng)逆控制方法，開展了相關(guān)的仿真研究。針對(duì)傳統(tǒng)矢量控制、解析逆控制等方

6、法魯棒性能弱、自適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)，采用非線性自適應(yīng)濾波器分別對(duì)混合磁軸承和電機(jī)進(jìn)行建模與逆建模，將由逆模型構(gòu)造的自適應(yīng)逆控制器串接于系統(tǒng)之前實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)逆控制系統(tǒng)，并采用變步長(zhǎng)最小均方算法在線調(diào)節(jié)其權(quán)值系數(shù)；仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)逆控制可以解決五自由度無(wú)軸承異步電機(jī)建模精度差、參數(shù)耦合強(qiáng)等問(wèn)題，具有控制精度高、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；
　　(4)設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的數(shù)字控制系統(tǒng)，開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究?；跀?shù)字信號(hào)處理器TMS32