磁悬浮开关磁阻电机参数设计与非线性解耦控制

摘要

磁悬浮开关磁阻电机利用磁悬浮技术实现电机转子的稳定悬浮。它不需要设计专门的机械轴承,而是在定子上增加了一套悬浮力绕组,具有速度高、无磨损、效率高的优点,因此在数控机床、航空航天、工业机器人等领域有着广泛的应用前景,对提高我国的经济实力具有重要的研究意义。
　　 本文首先介绍了磁悬浮开关磁阻电机的基本工作原理,推导了磁悬浮开关磁阻电机的数学模型。根据实验样机的要求对样机参数进行了设计。参考开关磁阻电机的设计方法,结合悬浮力的要求,对电机本体的主要参数进行计算,确定样机的主要结构参数。利用有限元分析软件建立样机的有限元模型,将仿真得到的悬浮力和转矩特性与数学模型的计算值进行比较,分析了悬浮力和转矩特性。、其次,为实现磁悬浮开关磁阻电机悬浮力和旋转力之间的解耦控制,提出了一种基于改进LM(Levenberg—Marquardt)神经网络逆模型的磁悬浮开关磁阻电机解耦控制方法。该方法将LM算法引入网络,同时采用最近邻聚类法和归一化法对样本数据进行修剪,并采用择优原则对LM模型的选取进行优化。利用MATLAB仿真实验验证了该方法的有效性。表明该方法克服了传统神经网络的缺点,实现了磁悬浮开关磁阻电机径向两自由度悬浮力和旋转力三者之间的解耦。、最后,对磁悬浮开关磁阻电机高速数字控制系统的硬件电路进行了初步设计,包括功率变换器和控制系统设计。对转子位置检测、径向位移检测电路等外围电路进行了结构设计。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 磁悬浮开关磁阻电机的研究现状与特点

1.1.1 BSRM的概述

1.1.2 BSRM的特点

1.2 磁悬浮开关磁阻电机的发展和研究意义

1.2.1 BSRM的发展

1.2.2 BSRM的研究意义

1.3 磁悬浮开关磁阻电动机的研究热点及难点

1.4 本课题的研究内容

第二章 五自由度BSRM的基本原理与数学模型

2.1 BSRM的机械结构

2.1.1 磁悬浮电机的机械结构

2.1.2 五自由度BSRM的机械结构

2.2 BSRM的基本工作原理

2.2.1 BSRM中的洛伦兹力和麦克斯韦力

2.2.2 BSRM径向悬浮力产生原理

2.3 BSRM的数学模型

2.3.1 电感的数学模型

2.3.2 悬浮力数学模型

2.3.3 转矩数学模型

2.4 本章小结

第三章 BSRM的参数设计与有限元分析

3.1 主要性能指标

3.2 BSRM电磁参数设计原则

3.2.1 BSRM绕组设计原则

3.2.2 BSRM定子设计原则

3.2.3 BSRM转子设计原则

3.3 BSRM样机设计

3.4 BSRM有限元仿真研究

3.4.1 BSRM有限元仿真模型

3.4.2 BSRM有限元磁场分析

3.4.3 BSRM电感有限元分析

3.4.4 BSRM径向悬浮力和转矩特性

3.5 本章小结

第四章 基于改进LM神经网络逆模型的BSRM解耦控制算法

4.1 神经网络逆系统原理

4.1.1 逆系统的定义

4.1.2 非线性系统的相对阶及可逆性

4.1.3 逆系统线性化解耦原理

4.1.4 逆系统控制方法

4.2 BSRM系统的可逆性分析

4.3 BSRM的LM神经网络逆模型设计

4.3.1 BSRM的神经网络逆系统模型结构

4.3.2 模型的LM算法及其训练步骤

4.3.3 LM模型的改进

4.4 基于改进LM神经网络逆模型检验与解耦仿真

4.4.1 改进LM模型的检验

4.4.2 基于改进LM模型的BSRM解耦

4.5 本章小结

第五章 基于DSP和CPLD的数字系统与信号检测

5.1 BSRM功率拓扑结构

5.1.1 BSRM主绕组功率拓扑结构

5.1.2 BSRM悬浮力绕组拓扑结构

5.2 DSP和CPLD功能简述

5.3 径向位移检测

5.4 转子位置检测与CPLD倍频技术

5.5 电流采样与处理

5.6 电流电压检测与保护

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 后续研究工作

参考文献

致谢

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