无轴承永磁薄片电机控制系统的设计与实现

无轴承薄片电机可实现五自由度悬浮,在超纯净等领域具有应用优势。介绍了转矩绕组1对极、悬浮绕组2对极、集中式绕组的无轴承表贴式永磁薄片电机的数学模型,针对悬浮力和电磁转矩的控制特点,设计了以TMS320F2812为核心的数字控制实验平台,并对其工作原理进行了分析。在此基础上设计了控制系统的软件,并给出了主要子程序的流程图。通过联合调试整个实验平台硬软件系统,实现了转速达到15 000 r/min高速稳定悬浮。     

无轴承永磁薄片电机综述

无轴承永磁薄片电机由于永磁转子的特殊性,不仅具有无轴承电机的优点而且可以实现3个自由度(1个轴向自由度和2个扭转自由度)的被动悬浮,使得控制系统更加简单。在论述无轴承永磁薄片电机被动悬浮和径向主动悬浮机理的基础上,对无轴承永磁薄片电机的电机结构、控制策略、传感器检测技术等方面的国内外研究现状以及未来的发展趋势进行了归纳与总结。     

无轴承永磁薄片电机磁悬浮机理研究

无轴承薄片电机采用无轴承技术实现径向两自由度的悬浮，同时利用磁阻力实现除径向和转子转动自由度外的另外三个自由度悬浮。文章介绍了无轴承永磁薄片电机的基本悬浮原理，利用等效磁路模型推导出径向悬浮力解析表达式并以有限元仿真对其作了验证，并介绍了在此基础上的控制方法。     

无轴承永磁薄片电机的无位置传感运行

为了克服有传感器成本高、精度低、不易安装等不足,提出了采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)实现电机无位置传感运行的控制策略。在介绍无轴承永磁薄片电机(BPMSM)悬浮原理的基础上,得到电机状态方程,并建立了EKF位置估计离散算法。设计了BPMSM无位置传感控制系统,在MATLAB/Simulink环境下构建系统仿真模型,并对转子位置辨识精度、电机的动态特性进行了仿真研究。仿真结果表明:EKF的转子位置辨识精度较高,能够实现电机无位置传感器的稳定悬浮运行。     

单绕组无轴承永磁薄片电机的原理和实现

研究了一种单绕组无轴承永磁薄片电机的工作原理和结构设计。摒弃了传统无轴承电机的双绕组结构,采用一套绕组实现电机转子悬浮和旋转。推导了单绕组无轴承永磁薄片电机径向悬浮力的数学模型,给出相应的控制策略和功率系统设计方案。制作了实验样机,并做了空载和负载实验。实验样机调试结果表明,单绕组无轴承永磁薄片电机成功实现了包括径向、轴向和扭转等方向的5自由度全悬浮。     

基于BP神经网络左逆的无轴承永磁薄片电机无速度传感器控制研究

在无轴承永磁薄片电机的稳定运行中,实时精确地检测转子速度起着关键性的作用,一般的是使用相关的传感器检测转子速度,但是传统的速度传感器增大了电机的体积、提高了系统的成本,降低了电机在高速运行情况下的可靠性。因此本文提出一种基于神经网络左逆的速度检测方法。基于神经网络原理和左逆原理,设计出速度观测器实现对转速的观测。构建出无轴承永磁薄片电机无速度传感器控制系统,对所提出的速度检测方法进行了仿真和实验研究。结果表明,该方法可以快速准确地识别转速大小,实现无速度传感器下电机的稳定悬浮运行。     

无轴承永磁薄片电机径向扰动前馈补偿控制

以一台无轴承永磁薄片电机为例,分析了电机悬浮机理并推导了悬浮力数学模型。通过对扩张状态观测器基本理论的分析,构造了电机悬浮系统扩张状态观测器,将作用于电机悬浮系统的外部扰动作为系统状态变量之一,将其观测出来并通过前馈补偿的控制方式施加于悬浮控制的输入端,与径向位移PID构成复合控制算法以提高悬浮性能。仿真和实验结果表明了所提控制策略的有效性。     

多相无轴承永磁薄片电机故障运行特性分析

为解决多相无轴承永磁薄片电机因某相发生故障无法正常工作的问题,提出了更具通用性的故障容错控制方法.该方法以相应的断路容错控制方法为基础.考虑到故障相对悬浮力与转矩的影响,重构了其它非故障相定子电流.满足了电机在故障状态下稳定运行所需的悬浮力与转矩,实现了该电机短路和断路故障状态的容错控制.同时,介绍了一种基于相电流反馈量的故障检测方法.最后以该电机同时发生断路、短路故障以及两相短路故障为例,通过仿真和实验验证了所提的容错控制策略的正确性.     

无轴承薄片电机磁体形状优化设计及系统实现

无轴承永磁薄片电机引起了工业界的关注。这种电机集电机与磁轴承于一体，并利用被动磁悬浮与主动磁悬浮相结合的方法简化了结构、降低了成本。因其独特的结构，无轴承永磁薄片电机的径向悬浮性能对其各自由度悬浮性能有较大的影响，同时其集成度高，对损耗有较严格的要求。该文从这2个方面出发提出了一种基于有限元分析的表贴式永磁无轴承薄片电机永磁体形状的优化设计方法。仿真与实验证明，永磁体经优化设计后，其转子磁场谐波含量非常小，损耗小，悬浮力脉动小，易于获得良好的悬浮性能。     

单绕组无轴承永磁薄片电机短路容错运行

针对无轴承永磁薄片电机因相绕组出现短路故障,导致电机无法正常工作的问题,以六相单绕组无轴承永磁薄片电机为例,具体分析了相绕组出现短路故障时的短路电流,并提出基于定子电流重构原则的短路故障容错控制方法。该方法通过对非故障相定子电流加入悬浮力与转矩补偿,满足了电机稳定运行所需的悬浮力与转矩,并给出了各相绕组出现短路故障时的非故障相定子电流数学模型。在此基础上,通过对理论短路电流与仿真短路电流的对比分析以及短路故障状态下的悬浮力、转矩脉动的分析,验证了理论分析以及定子电流数学模型的正确性。最后,以齿1相绕组端部短路为例,通过实验验证了所提容错控制策略的正确性。     

无轴承永磁同步电动机永磁体参数优化设计

介绍了无轴承永磁同步电动机径向悬浮力产生原理。通过对比各种永磁体材料的性能和不同转子磁路结构特点,确定采用钕铁硼稀土永磁体,选择转子表面凸装式结构;从理论上分析了径向悬浮力与永磁体厚度、径向悬浮力绕组电流之间的关系;采用有限元方法,在考虑磁路饱和及非线性情况下,对实验样机径向悬浮力进行了计算和分析。研究结果对无轴承永磁同步电动机如何获得最大径向悬浮力以及电动机的优化设计具有参考价值。     

基于ANSYS的无轴承永磁薄片电动机特性分析

介绍了无轴承薄片电动机的基本结构和工作原理,用转子气隙磁场积分的方法推导出电机悬浮力和电磁转矩数学模型。利用ANSYS有限元分析软件,分析了电机转子圆周面上径向悬浮力的分布,验证了径向悬浮力产生机理和数学模型准确性,分析了径向悬浮力和转矩的特性,为电机控制系统的构建提供了理论依据。     

无轴承永磁薄片电机径向悬浮力精确数学建模

无轴承永磁薄片电机具有薄片转子的特殊结构,为了采取有效方法控制转子偏心位移、使转子稳定悬浮,研究的关键在于获得无轴承永磁薄片电机精确的径向悬浮力数学模型。在介绍无轴承永磁薄片电机的结构和工作原理基础上,对无轴承永磁薄片电机气隙磁场进行了详细分析,基于麦克斯韦应力张量法推导了其径向悬浮力数学模型,最后对比验证了利用有限元方法的计算结果和样机实验对数学模型的理论计算结果。验证结果表明,该方法建立的径向悬浮力数学模型误差小、精确度髙。     

无轴承永磁同步电机控制系统设计与仿真

无轴承永磁同步电机稳定运行的前提条件是要实现电磁转矩和径向悬浮力之间的动态解耦控制。本文介绍了无轴承永磁同步电机径向悬浮力和数学模型，采用基于转子磁场定向控制策略设计了无轴承永磁同步电机矢量控制系统。利用Matlab／Simulink工具箱对控制系统作了仿真研究。结果表明控制系统不仅可以实现转子稳定悬浮，而且电机具有良好的动静态性能。     

无轴承薄片转子永磁电动机有限元分析

无轴承薄片转子永磁电动机在特殊的液体传输领域具有广泛的应用前景.本文首先介绍了电动机的工作原理,推导了电机的径向悬浮力数学模型;然后用有限元Ansys软件,分析了电机转矩绕组和径向悬浮力绕组分别产生的磁场以及合成磁场的分布情况,来验证径向悬浮力产生的原理.最后分析计算了电机在转矩绕组电流不变时径向悬浮力和径向悬浮力绕组中电流的关系;并分析了在气隙不变时径向悬浮力与永磁体厚度之间的关系,以及在永磁体厚度不变的条件下,径向悬浮力和气隙大小之间的关系.研究结果对无轴承永磁薄片转子电机的优化设计具有参考价值.     

无轴承永磁电动机有限元分析及结构优化设计

针对无轴承永磁电动机内部磁场复杂、磁路计算时经验参数多、设计计算误差较大等问题,基于AN-SYS对无轴承永磁电动机进行了电磁场有限元分析和结构优化设计,验证了无轴承永磁电动机的悬浮原理和悬浮力模型,分析了永磁体厚度、极弧系数和气隙长度对径向悬浮力的影响,以及极弧系数对气隙磁密畸变率的影响,以获得最大悬浮力和最小气隙磁密畸变率为目标,结合实际情况得出了无轴承永磁电动机的最佳结构参数。     

无轴承永磁同步电动机悬浮力的前馈解耦控制方法

对于具有多变量、非线性、强耦合的无轴承永磁同步电动机悬浮与调速系统,实现电机两悬浮力分量之间以及悬浮力和电磁转矩之间的解耦控制是提高其系统性能的关键。建立了无轴承永磁同步电动机耦合的悬浮力模型,提出了一种前馈解耦方法,设计了前馈解耦控制器,将之串接于悬浮子系统中,实现了上述多变量之间的完全解耦,进行了控制系统的仿真研究。仿真结果证实了控制方案的可行性,控制系统具有优良的动、静态调节性能。