无轴承永磁同步电机悬浮力建模及运行控制研究

摘要

无轴承永磁同步电机（BPMSM）集磁轴承和永磁同步电机的性能于一体，既传承了磁轴承的无机械接触、无需润滑、使用寿命长等特性，又具有永磁同步电机的结构简单、体积小、能量密度高及效率高等特征。近年来，BPMSM相关理论得到不断完善，在化工、半导体工业、生命科学、飞轮储能及电动汽车等领域具有潜在的应用价值。
　　本论文在江苏省“333工程”（2014）、江苏省高校科研成果产业化推进工程（JHB2012-39）及“青蓝工程”的支持下，围绕BPMSM的悬浮力产生机理、精确数学模型及非线性动态解耦控制等方面开展了较为深入的研究。本论文的研究内容可分为如下四个部分：
　　1.由于径向悬浮力与转矩控制之间存在着强耦合关系，为简化BPMSM的控制系统复杂性，本文提出了磁场等效电流概念，并对BPMSM转矩和悬浮力产生机理进行了详细分析，并推导出获得恒定方向悬浮力的必要条件。
　　2.建立了考虑到转子偏心位移及径向洛伦兹力影响的精确数学模型，并借助电磁分析仿真软件ANSYS/Maxwell对BPMSM气隙空间内磁通密度分布，悬浮特性进行了分析，验证了数学模型的通用性、准确性及可靠性。基于磁场等效电流分析方法，就空载及带载情况下BPMSM悬浮力的控制方法进行了分析，并构建了BPMSM系统控制框图，为转子径向可控悬浮运行提供了理论依据。
　　3.结合神经网络逆思想和模糊PID控制理论，本论文提出了一种复合型神经网络逆非线性解耦控制方法。基于该控制方法，可将BPMSM系统等效为3个积分线性子系统，分别为 x方向径向位移子系统、y方向径向位移子系统以及转子旋转速度子系统。采用Matlab/Simulink构建了BPMSM非线性动态解耦控制系统的仿真模型，仿真结果表明该控制方法具有良好的动态解耦特性及更好的鲁棒性能。
　　4.基于运行原理及设计需求，给出了BPMSM控制系统的软、硬件设计方案，并基于DSP TMS320F2812构建了数字控制实验平台。在该实验平台上进行了硬件电路调试、电机旋转测试、转子动静态悬浮实验及抗干扰性能测试，并对实验结果进行了分析研究，验证了控制方法的正确性及可行性。

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第一章 绪 论

1.1 无轴承电机的研究概述

1.2 BPMSM发展趋势

1.3 BPMSM应用前景

1.4 论文研究内容及结构安排

第二章 基于磁场等效电流的无轴承永磁同步电机悬浮力建模

2.1 基于磁场等效电流的BPMSM悬浮力分析

2.2 BPMSM数学模型

2.3 BPMSM悬浮力控制

2.4 本章小节

第三章 基于复合型神经网络逆的无轴承永磁同步电机运行控制

3.1 逆系统基本原理

3.2 神经网络逆系统

3.3 BPMSM神经网络逆系统解耦分析

3.4 BPMSM复合型神经网络逆系统仿真分析

3.5 本章小结

第四章 无轴承永磁同步电机控制系统设计与实验分析

4.1 BPMSM控制系统硬件设计

4.2 BPMSM控制系统软件设计

4.3 BPMSM控制系统实验研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要完成内容

5.2 未来需要研究的内容

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及专利情况

致谢