无轴承永磁同步电机无位置传感器状态估计及数字控制研究

摘要

无轴承永磁同步电机（BPMSM）是将电磁轴承技术与永磁同步电机（PMSM）相结合的一种新型电机。该类型电机集旋转与自悬浮功能于一体，具有体积小、重量轻、功率密度大、无需润滑、无磨损、无机械噪声等特点，在半导体、生命科学、生物化工、航空航天等高科技领域具有广泛的应用前景。对无轴承电机稳定悬浮运行以及转子磁场定向控制而言，转子位置信号的精确检测是十分重要的。然而传统的机械式位置/速度传感器不仅增加了电机的体积和成本，而且降低了系统的可靠性，尤其是在高速、超高速条件下会严重限制无轴承电机优良高速性能的发挥。因此，本文在建立BPMSM数学模型基础上，对基于滑模观测器的BPMSM无位置传感器的状态估计方法展开研究，并完成了BPMSM数字控制系统的软、硬件设计实现。具体内容包括：
　　(1)分析了BPMSM悬浮力产生原理以及转矩绕组与悬浮力绕组同气隙磁场之间的电磁耦合关系。利用麦克斯韦张量法构建了计及转子偏心的 BPMSM悬浮力精确模型，根据机电能量转换原理推导出了考虑转子偏心与悬浮绕组电流的电磁转矩数学模型。
　　(2)在传统滑模观测器的基础上，针对其抖振较大的问题，提出一种基于改进型滑模观测器的 BPMSM转子位置估计方法。通过滑模观测器得到电机反电动势的估计值，利用 PI-I结构的锁相环类型位置观测器从估计的反电动势中提取出转子位置和速度信息。采用转子磁场定向控制策略并考虑转子偏心，利用matlab/simulink建立了BPMSM无传感器控制系统仿真模型。仿真试验研究结果表明，所提出的改进方法能够在中高速条件下减小抖振并有效提高对转子位置的估计精度。
　　(3)构建了基于DSP TMS320F28335的BPMSM数字控制实验平台，给出了完整的软、硬件实施方案。BPMSM数字控制系统的硬件设计方面主要包括：辅助电源电路、检测电路、接口电路。软件设计方面主要包括：转子位置和速度计算、径向位移闭环控制算法、速度和电流闭环控制算法、SVPWM调制算法。对BPMSM数字控制系统的软、硬件进行了调试，通过实验结果分析，证明了所提出设计方案的正确性。

目录

第一章 绪论

1.1无轴承电机研究背景与意义

1.2无轴承电机研究现状

1.3BPMSM解耦控制及无位置传感器技术研究现状

1.4本文主要研究内容安排

第二章 BPMSM数学模型与解耦控制

2.1 BPMSM悬浮机理

2.2 BPMSM悬浮力数学模型

2.3 BPMSM转矩数学模型

2.4 BPMSM转子磁场定向解耦控制和仿真研究

2.5 本章小结

第三章 基于改进型滑模观测器的BPMSM位置与速度估计

3.1 滑模控制理论

3.2 改进型滑模观测器设计

3.3 基于锁相环的转子位置与速度估计算法

3.4 对传统基于锁相环估计算法的改进

3.5 估计算法仿真结果比较

3.6 本章小结

第四章 BPMSM数字控制系统硬件设计

4.1 辅助电源电路设计

4.2 径向位移检测电路设计

4.3 电流及电压检测电路设计

4.4 驱动和隔离电路设计

4.5 接口电路设计

4.6 保护电路设计

4.7 本章小结

第五章 BPMSM数字控制系统件设计

5.1 主程序与中断程序设计

5.2 BPMSM数字控制系统实验结果分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间科研成果

致谢