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是自身具有磁悬浮轴承功能的新型特种电机，是一个复杂的强耦合的非线性系统，建立无轴承永磁同步电机径向悬浮力和电机数学模型，是设计无轴承永磁同步电机控制系统的前提，实现其径向悬浮力和电磁转矩之间的解耦控制是电机稳定运行的基本条件。该文在介绍无轴承永磁同步电机径向悬浮力产生原理的基础上，推导了径向悬浮力和电机数学模型，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的Simulink工具箱构建了矢量控制系统，对无轴承永磁同步电机的转速、转矩及转子起浮性能进行了仿真。仿真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态性能。     

计及偏心及洛仑兹力的永磁型无轴承电机建模与控制研究

对转子偏心情况下永磁型无轴承电机中2种磁悬浮力的产生机制进行了深入的理论分析和数学建模；特別揭示了转子偏心、转矩绕组磁场对悬浮力控制及悬浮绕组磁场对转矩控制的耦合影响；提出一种实用的悬浮力及转矩控制方案，并通过在一台表面贴装无轴承永磁同步电动机上进行的实验验证了其有效性和实用性。实验结果表明考虑转子偏心和洛仑兹力的影响有效的提高了无轴承电机悬浮运行时的稳态精度和动态响应速度，极大的拓宽了其应用领域。     

一种新型双三相无轴承永磁同步电机结构原理及控制研究

针对传统无轴承永磁同步电机内部两套绕组结构复杂、可靠性低等缺点,提出了一种新型双三相绕组结构的无轴承永磁同步电机。电机采用分布式绕组结构并分为两个空间对称的独立三相绕组单元,通过两个三相逆变器在两个绕组单元中同时通入两组不同序列的电流实现电机的无轴承运行。推导了悬浮力与转矩数学模型。在Ansoft中建立有限元模型,分析了电机在两组电流控制下的磁场分布状况,分别计算了悬浮力与转矩随电流变化的关系,以及偏心磁拉力与转子偏移量的关系,仿真模型计算结果与理论模型计算结果基本吻合。建立了一种控制电机对称相电流不平衡的控制策略,将电机等效为两个普通三相电机,两个电机控制部分中的空间矢量脉宽调制模块SVM所需的信号由转矩电流参考值和悬浮力电流参考值合成再调制得到。采用Matlab软件构建了仿真系统,仿真结果表明,本文提出的双三相无轴承永磁同步电机在该控制策略下能够实现转子的高速旋转与稳定悬浮。     

单绕组无轴承开关磁阻电机转子偏心时悬浮力的分析与计算

无轴承类电机转子的偏心运行是不可避免的,由有限元分析可知转子偏心对其径向受力影响较大,忽略转子偏心时的径向受力分析将很难实现转子的稳定悬浮运行。而目前有关无轴承类电机的径向力计算都没有考虑转子偏移量的影响,只是计算转子在中心位置时的受力情况。鉴于此,针对具有结构简单优势的单绕组无轴承开关磁阻电机(BSRM),本文提出了考虑转子偏移量的径向力数学模型,给出了绕组电流、电机结构参数、转子偏移量、转子旋转位置与径向力之间的数学关系。同时考虑到转子偏心对电磁转矩的影响较小,推导了忽略偏心影响的电磁转矩解析式。与有限元分析对比结果验证了本文径向力与转矩数学模型的正确性。最后,基于推导所得的数学模型对单绕组BSRM径向力与转矩控制进行了初步的动态仿真研究,进一步验证了数学模型的准确性与实用性。     

基于SVPWM的无轴承永磁同步电机转子磁场定向控制系统研究

无轴承永磁同步电机是一复杂的强耦合非线性系统,建立精确的电磁转矩和径向悬浮力数学模型是设计无轴承永磁同步电机控制系统的前提,实现径向悬浮力与电磁转矩之间的解耦是电机稳定运行的基础。文中在引入机械/电气坐标系的基础上,建立了电机的精确数学模型。采用基于SVPWM的转子磁场定向控制策略来实现无轴承永磁同步电机的解耦控制。在此基础上构建了控制系统框图和试验平台,设计了该控制系统的软件结构,最后实验验证了该控制方法的有效性。     

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。     

无轴承永磁薄片电机径向悬浮力研究

无轴承永磁薄片电机悬浮力数学模型的精确与否直接影响其稳定悬浮运行的性能,因此,建立精确的悬浮力数学模型,是实现其高精度运行控制的前提条件。论文在介绍无轴承永磁薄片电机转子悬浮原理的基础上,推导了转矩绕组和悬浮力绕组在两相静止和两相旋转坐标系下的精确电感模型,并利用此精确电感模型在计及转子偏心的条件下建立了无轴承永磁薄片电机较为完整的径向悬浮力数学模型,最后设计了相应的数字控制系统进行实验研究。实验结果表明:该方法建立的控制系统悬浮力控制精度高,抗干扰能力强,系统具有良好的动、静态性能。     

基于涡流损耗分析的永磁型无轴承电机优化

针对永磁型无轴承电机在高速运行时,转子涡流损耗导致永磁体发热严重,导致永磁体存在不可逆退磁的难题。在分析永磁型无轴承电机转矩和径向力产生机理的基础上,研究了径向力、转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场的相对运动关系,给出了永磁型无轴承电机单一方向稳定可控径向力的产生条件,采用2D耦合电路瞬态有限元法,计算了转子空载涡流损耗,比较了永磁型无轴承电机极对数为PB=PM+1和PB=PM-1时的转子涡流损耗。研究结果表明,永磁型无轴承电机转子涡流损耗主要是由悬浮绕组磁场产生,采用PB=PM+1结构时,转子涡流损耗最小,PM=1,PB=2结构最适合高速运行。     

新型定子永磁型无轴承电机电磁特性分析

本文提出了一种将悬浮绕组、电枢绕组、永磁体都置于定子,转子上既无绕组又无永磁体的新型定子永磁型无轴承电机(SPMBM)。本文分析了三相12/8 SPMBM的拓扑结构和悬浮工作原理,基于Ansoft有限元分析软件建立了电机模型,详细分析了磁场分布,气隙磁密,径向悬浮力和电磁转矩等电磁特性。计算了径向悬浮力和悬浮电流及转子位置之间的关系,仿真结果表明SPMBM有良好的悬浮和旋转特性,该结果为进一步电机结构优化和控制奠定了理论基础。     

无轴承永磁薄片电机功率驱动系统设计与实现

无轴承永磁薄片电机具有磁轴承和永磁同步电机的优点,具有重要的研究意义和广阔的使用前景。综合考虑无轴承永磁薄片电机径向悬浮力产生的各种因素,导出了径向悬浮力和转矩数学模型,采用转子磁场定向控制策略,设计了无轴承永磁薄片电机解耦控制系统。基于带电流内环控制的电压源型PWM功率驱动电路原理,开发了相应的硬件控制系统。研究结果表明:采用该驱动电路与DSP控制电路板相结合,应用转子磁场定向控制策略,可以实现无轴承永磁薄片电机转矩和径向悬浮力之间解耦控制,使无轴承永磁薄片电机稳定运行。     

感应型无轴承电机的优化气隙磁场定向控制

由于悬浮力与转矩之间以及水平、垂直悬浮力之间的耦合，动态过程中感应型无轴承电机转子的悬浮将变得不稳定。针对磁悬浮力是定、转子间气隙磁密有源不平衡结果的概念，该文建立了感应型无轴承电机气隙磁场定向控制模型，进行了起动及突加负载大动态过程稳定悬浮的运行仿真。然而负载运行中转子参数变化和铁磁非线性饱和的影响，定向用气隙磁通发生了幅值及相位的变化，破坏了两正交悬浮力间的解耦条件，影响了转子的稳定悬浮性能。对此，该文又提出了一种优化气隙磁场定向控制策略和系统，通过对气隙磁链幅值和相位的实时修正，实现了在气隙磁场定向基础上的动态解耦控制，有效地提高了考虑参数变化及计及饱和时感应型无轴承电机的实际悬浮运行能力，为实际系统的动态解耦控制提供了实施途径。     

新型交替极无轴承永磁电机的原理与实现

传统永磁型无轴承电机悬浮力和转矩控制存在耦合，该文对一种新型交替极转子结构的无轴承永磁电机的磁悬浮原理进行了深入分析和数学建模，指出该类型电机所具有的独特的悬浮控制和转矩控制解耦的特点，并构建了无轴承交替极永磁电机的实时控制系统。实验结果表明实现了该新型无轴承永磁电机的动、静态稳定悬浮，验证了悬浮与转矩控制解耦的特性。     

感应型无轴承电机磁悬浮力解析模型及其反馈控制

由于负载、干扰和径向位移检测误差，无轴承电机悬浮运行时定、转子中心并不重合，产生偏心，影响了其稳定悬浮控制性能。该文从运行原理出发，建立了计及定、转子定位偏心的感应型无轴承电机磁悬浮力的较精确解析模型，采用电机电磁场分析软件ANSOFT验证了它的精度。应用这个模型实现了悬浮力的实时观测，在传统气隙磁场定向矢量控制系统基础上添加了悬浮力的闭环控制，有效地提高了感应型无轴承电机稳定悬浮运行的动、静态性能。     

基于I-ω法磁场辨识的无轴承异步电动机矢量控制

集旋转与悬浮于一体的无轴承异步电动机是一个非常复杂的非线性系统,电磁转矩与径向悬浮力的非线性解耦是实现电机稳定悬浮运行的基础.气隙磁场定向控制算法复杂,且没有实现两者的动态解耦.提出了基于转矩绕组转子磁场定向控制算法,径向悬浮控制所需的气隙磁场通过I-ω实时辨识.仿真结果表明,电磁转矩与径向悬浮力实现完全解耦,验证了所提方案的有效性.     

磁悬浮无轴承电机悬浮力绕组励磁及控制方式分析

该文对磁悬浮无轴承电机悬浮力绕组的励磁及控制方式进行了分析。从磁悬浮无轴承电机的运行原理出发,通过将1台该种电机等效成具有不同极数的2台电机,研究电机内磁场和转子的相对运动,得出绕组极数选取方案与等效电机工作状态的关系。进一步推导出绕组极数选取方案与悬浮力绕组励磁方式的关系。从中可以看出绕组极 数选取方案决定悬浮力绕组的电能传递方向及它的励磁方式。针对悬浮力绕组存在的两种励磁及控制方式,重点讨论了悬浮力绕组工作在自励方式时,控制悬浮力绕组励磁电流的方法。提出一种采用逆变器并联电容器的新方法,该方法通过PWM逆变器控制悬浮力绕组中励磁电流。最后,进行了实验研究。     

无轴承异步电机的悬浮机理及其气隙磁场定向控制

无轴承异步电机运行时,因会出现转子偏心,必须对其悬浮力进行实时控制才能实现稳定运行.文章从电机悬浮机理出发,比较分析了三种悬浮力模型.其中计及转子偏心的悬浮力精确解析模型形式简单,适合对电机的实时控制.采用基于转矩绕组气隙磁场定向的控制策略,能有效地控制气隙磁链的幅值和相位,实现电磁转矩和悬浮力的解耦控制.通过matlab/simulink仿真研究,证明该方法能实现此种控制,并可以得到良好的动、静态性能.     

无轴承异步电机的悬浮机理及其气隙磁场定向控制

无轴承异步电机运行时，因会出现转子偏心，必须对其悬浮力进行实时控制才能实现稳定运行。文章从电机悬浮机理出发，比较分析了三种悬浮力模型。其中计及转子偏心的悬浮力精确解析模型形式简单，适合对电机的实时控制。采用基于转矩绕组气隙磁场定向的控制策略，能有效地控制气隙磁链的幅值和相位，实现电磁转矩和悬浮力的解耦控制。通过matlab／simulink仿真研究，证明该方法能实现此种控制，并可以得到良好的动、静态性能。     

内插式永磁无轴承电机转子位置/位移综合自检测

为实现无轴承电机的低成本与实用化，解决运行控制中电机转子位置/速度及径向位移的检测，提出了一种基于脉动高频电压信号注入法的转子位置/位移综合自检测方法。通过从转矩绕组注入脉动高频电压信号，利用电机空间凸极效应和转矩绕组与悬浮绕组间的互感特性，同时实现对转子位置/速度和径向位移的有效观测。电磁场分析结果表明，该方法可实现位移检测信号在水平、垂直方向的解耦以及转子位置和位移检测信号间的解耦。应用该检测方法构建了内插式永磁型无轴承电机无传感器运行的矢量控制系统，系统仿真运行表明，该自检测方法能在全速范围内准确观测出转子的位置/速度和位移，并能在大负载扰动条件下实现无传感器方式的稳定悬浮运行。     

无轴承异步电机气隙磁场辨识方法与应用

针对无轴承异步电机电磁转矩与径向悬浮力这一强耦合的非线性复杂系统,依据转子磁场定向控制的特点,研制了转矩绕组采用转子磁场定向控制,径向悬浮控制所需的气隙磁场通过I-ω法适时辨识的控制系统.应用Matlab/Simulink建立了系统仿真模型.计算机仿真结果表明,实现了电磁转矩与径向悬浮力之间的完全解耦,具有良好的动、静态性能,验证了本文所提方案的有效性.     

永磁无刷直流电动机场路耦合运动时步有限元分析

提出一种适用于永磁无刷直流电动机的场路耦合运动时步有限元分析方法，解决了电机在非正弦供电时的场路耦合分析问题。电路中考虑了开关元件换流重叠过程和绕组中点的电位波动。给出了控制电路与电磁场方程耦合的时步有限元单元分析方法，采用改进的有限元运动边界处理方法--插值运动边界法解决转子运动问题。应用上述模型对1台无刷直流电动机的进行分析，计算结果和样机的实测波形吻合。该方法也适用于其他非正弦供电电机的场路耦合有限元分析。