无轴承无刷直流电机精确数学建模及控制系统设计

摘要

无轴承无刷直流电机是将无刷直流电机和无轴承技术结合而成的一种新型电机，它的转矩绕组和悬浮力绕组共用定子铁心，因此具有无刷直流电机的无需励磁、高效可靠、出力大和无轴承电机的高转速、无磨损等多重优势，在血液泵、手术切割电锯、高速/超高速离心机等生物医学领域和飞轮储能等新能源领域具有极高的研究价值和广泛的应用前景。近十五年来，无轴承无刷直流电机作为一个新兴方向在国内外得到了一些研究，但尚且存在结构参数优化设计、精确数学建模以及先进控制技术与算法的应用等关键性技术问题亟待解决。为解决这些问题，本文将进行如下几方面的工作:
　　 首先，从无轴承无刷直流电机基本组成和本体结构出发，详细分析转矩与悬浮力的产生原理，从绕组分布上实现转矩与悬浮力之间的解耦，为后续精确数学模型的推导奠定基础。
　　 其次，从本文提出的无轴承无刷直流电机结构的工作原理出发，将永磁体磁动势等效为悬浮力绕组上的虚拟电流，推导单自由度及任意位置处径向悬浮力数学模型，给出转矩子系统数学模型。数学模型的建立将为电机的精确控制奠定数学基础。
　　 再次，对推导出的无轴承无刷直流电机径向悬浮力数学模型进行有限元分析。为得到更准确的结果，为位移刚度系数引入了修正系数，并再次对其进行了有限元验证。简要介绍无轴承永磁电机通用型工作原理及结构，阐述气隙磁密幅值及其波形对电机的影响。从理论上分析磁场分布的特点，并利用Ansoft软件对无轴承永磁电机的面贴式和Halbach阵列永磁转子进行有限元分析与对比，得出气隙磁密在转子外圆周表面及转子磁轭中的分布情况。有限元分析结果表明，本文推导的数学模型具有精确性和可靠性，Halbach阵列能显著提高气隙磁密并增强其正弦特性。
　　 最后，设计无轴承无刷直流电机控制系统，介绍双闭环转矩子系统和双闭环悬浮力子系统的实现方法及工作原理。借助MATLAB/Simulink对控制系统进行建模与仿真并对仿真结果进行分析，设计基于TMS320F2812平台的实验系统的软件并阐述各主要功能模块的具体实现方法。仿真结果验证了控制系统的可行性与可靠性，软件设计为在后续研究中搭建实验平台进行了有益的尝试。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 无轴承无刷直流电机历史背景及应用前景

1．1．1 无轴承无刷直流电机历史背景

1．1．2 无轴承无刷直流电机应用前景

1．2 无轴承无刷直流电机研究现状及关键技术问题

1．2．1 无轴承无刷直流电机研究现状

1．2．2 无轴承无刷直流电机的关键性技术问题

1．3 本课题的研究目的、意义及主要研究内容

1．3．1 本课题的研究目的与意义

1．3．2 本课题的主要研究内容

第二章 无轴承无刷直流电机基本组成、结构及工作原理

2．1 无轴承无刷直流电机基本组成

2．2 无轴承无刷直流电机本体结构

2．3 无轴承无刷直流电机工作原理

2．3．1 转矩产生原理

2．3．2 径向悬浮力产生原理

2．4 本章小结

第三章 无轴承无刷直流电机精确数学模型

3．1 单自由度径向悬浮力数学模型

3．1．1 转子偏心时所受的合力

3．1．2 不平衡磁拉力

3．1．3 悬浮力绕组通电产生的电磁力

3．2 任意位置的径向悬浮力数学模型

3．3 转矩子系统数学模型

3．4 本章小结

第四章 径向悬浮力有限元分析及Halbach阵列应用于永磁转子的可行性研究

4．1 基于Ansoft对径向悬浮力的有限元分析

4．1．1 样机参数

4．1．2 电流刚度系数ki的验证

4．1．3 位移刚度系数kx的验证及修正系数k1的添加

4．2 Halbach阵列应用于永磁转子的可行性研究

4．2．1 无轴承永磁电机通用型工作原理

4．2．2 Halbach阵列永磁转子结构原理

4．2．3 面贴式与Halbach阵列永磁转子在无轴承永磁电机中的有限元对比分析

4．3 本章小结

第五章 控制系统建模与仿真及实验系统软件设计

5．1 基于MATLAB的控制系统建模与仿真

5．1．1 无轴承无刷直流电机控制系统结构及工作原理

5．1．2 转矩子系统仿真模型

5．1．3 悬浮力子系统仿真模型

5．1．4 控制系统仿真结果分析

5．2 基于TMS320F2812的实验系统软件设计

5．2．1 主程序和中断服务子程序

5．2．2 各功能子模块的具体实现方法

5．3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 本文完成的主要内容

6．2 需要进一步完成的工作

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文与研究成果