无轴承永磁同步电机无传感器控制研究

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无轴承永磁同步电机(Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor,BPMSM)是一种能够同时实现旋转与悬浮功能的新型电机,具有损耗小、无需润滑、运行效率高等优点,在航空航天、生物医学、化学化工等领域应用前景广阔。在BPMSM的控制系统中,为了保证电机的平稳运行,通常需要机械传感器例如光电编码器、电涡流传感器获取转子的转速和径向位移信息,但是机械传感器的安装会导致电机体积增大,系统整体性能降低,限制BPMSM的应用范围,因此针对BPMSM的无位移传感器和无速度传感器控制技术,本文从以下几个方面展开研究:首先,本文分析了 BPMSM能够同时产生转矩力和径向悬浮力的基本工作原理,结合多相电机磁动势分析和多相坐标变换理论,研究了单绕组BPMSM能够产生稳定悬浮力的必要条件;利用改进的绕组函数法求解单绕组BPMSM计及转子偏心的电感矩阵,在此基础上建立了 BPMSM在旋转坐标系下的数学模型,并使用虚位移法求解了BPMSM径向悬浮力的解析表达式;根据上述理论设计了单绕组BPMSM的矢量控制策略,实现对电机转速和径向位置的解耦控制。其次,根据对模型参考自适应基本原理的研究,从单绕组BPMSM计及转子偏心的数学模型出发,在悬浮控制系统中设计了基于模型参考自适应的无位移传感器控制策略,该方法使用BPMSM本身作为参考模型,含有待估参数的悬浮电流模型作为可调模型,根据Popov超稳定性理论对x、y方向的转子径向位移自适应率进行设计,并通过仿真证明该方法具有良好的静、动态性能。再次,研究了单绕组BPMSM在全速度范围的无速度传感器技术。针对基于模型参考自适应的中高速无速度传感器控制方法存在收敛速度慢、鲁棒性差等问题,通过引入误差校正环节,同时利用滑模控制器取代PI控制器,提出了基于滑模控制器的自适应观测器方法。针对基于基波模型的方法在转速较低时由于信噪比过低导致性能变差的问题,在低速时采用基于电机凸极特性的脉振高频电压注入法估计电机转速和转子位置。通过设计切换函数实现两种方法的平稳切换,从而实现单绕组BPMSM全速度范围的无速度传感器控制。仿真验证本文提出的复合控制算法能够在各个转速阶段准确的估算出转子位置和转速,具有较好的鲁棒性。最后,搭建了基于RT-LAB的单绕组BPMSM硬件在环实验平台,对系统的软、硬件分别进行了设计和开发,并通过实验验证本文所提无位移传感器和无速度传感器控制算法的正确性和可行性。
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