永磁无轴承无刷直流电动机及控制系统的研究

摘要

永磁电机凭借转矩密度大、效率高、噪声低等优点在工业控制和日常生活中得到广泛的应用。为有效解决电机长期运行引起的机械轴承磨损、维护、更换等问题,无轴承技术已日趋成为研究热点。本文研究内容主要包括:普通永磁无轴承无刷直流电机悬浮力数学模型建立及有限元仿真验证、交替极电机悬浮控制方案改进及数字控制系统设计与实现等。
　　 首先,本文结合正弦和方波两种不同转子磁势的悬浮力产生特点,分析了转子极对数和绕组分布对悬浮力脉动产生的影响,并确定了普通永磁无刷直流电机的转子极对数和绕组分布结构,推导了该结构电机的径向悬浮力和解耦数学模型,采用ANSYS有限元仿真对推导的数学模型进行了验证。
　　 其次,提出零电流同轴定位方法,提高了定转子同轴定位精度,而且避免了同轴位置检测过程中发生的定转子机械碰撞。针对传统悬浮控制方案中各方向上允许的最大悬浮力不相等的问题,提出一种改进型悬浮控制策略,从而实现了电机在任意方向上的最大悬浮出力。设计了一套转角转速测量方案,并详细讨论了该方案转角测量误差。
　　 最后,设计了基于TMS320F2812的无轴承交替极薄片电机数字控制系统,详细分析了利用DSP内部SVPWM模块实现电流闭环控制原理,并对SVPWM软件计算结果的输出限幅措施进行了研究。采用C语言编写了一套完善的控制软件,通过系统调试实现了一台无轴承交替极薄片电机空载条件下6000r/min稳定悬浮运行。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 无轴承电机研究背景

1.2.1 磁轴承电机与无轴承电机

1.2.2 无轴承电机的研究概况

1.3 永磁无轴承无刷直流电机的研究背景

1.3.1 永磁无刷直流电机发展历程及研究趋势

I.3.2无轴承无刷直流电机的研究现状

1.4 课题的研究意义和本文的研究内容

1.4.1 课题的研究意义

1.4.2 本文的研究内容

第二章 无轴承无刷直流悬浮力模型

2.1 引言

2.2 无轴承无刷直流电机模型

2.2.1 永磁无轴承电机的绕组极对数关系

2.2.2 正弦表贴式无轴承电机悬浮力数学模型

2.2.3 交替极电机径向悬浮力数学模型

2.2.4 方波表贴式无轴承电机结构

2.3 无轴承无刷直流电机径向悬浮力与解耦模型

2.3.1 悬浮力模型

2.3.2 解耦模型

2.4 悬浮力模型有限元仿真验证

2.5 本章小结

第三章 无轴承电机控制系统优化策略

3.1 引言

3.2 零电流同轴位置检测方法

3.3 等额悬浮出力控制策略

3.4 转角及转速测量

3.5 本章小结

第四章 无轴承交替极薄片电机数字控制系统

4.1 引言

4.2 TMS320F2812芯片

4.3 开发环境简介

4.4 控制系统组成结构

4.4.1 运算控制单元

4.4.2 反馈信号检测

4.4.3 模拟调理电路

4.5 SVPWM实现三相电流闭环控制

4.5.1 DSPF28 12内部SVPWM模块

4.5.2 旋转磁场产生基理及空间电压矢量

4.5.3 合成空间电压矢量限幅措施及意义

4.6 本章小结

第五章 无轴承交替极永磁薄片电机实验

5.1 引言

5.2 交替极无轴承薄片电机软件系统

5.2.1 软件结构

5.2.1 悬浮系统

5.2.3 转矩系统

5.2.4 转速及转角计算

5.3 交替极无轴承薄片电机实验

5.3.1 转矩空载实验与分析

5.3.2 转矩负载实验与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 引言

6.2 本文工作总结

6.3 进一步工作建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及参加科研情况