无轴承永磁同步电机径向悬浮力动态解耦控制
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五自由度无轴承永磁同步电机非线性动态解耦控制
摘 要： 针 对 五 自由度无 轴 承永 磁 同步 电机这 一强耦 合 性系 统 ， 提 出一种 最ｄ ＂ － －乘 支持 向量机 （ Ｌ ｓ —
Ｓ Ｖ Ｍ） Ｏ Ｌ 阶逆模 型构建及其解耦控制方法 。在给 出了三 自由度交直流磁轴承悬浮力方程和径 向两 自由度无轴 承永磁 同步电机转矩力 、 径 向力方程基础上 ， 建立 了电机的五 自由度状态方程 。在分析系统可逆的情况下 ， 将 Ｌ Ｓ — Ｓ Ｖ Ｍ 的非线性逼 近能力与逆系统方法的解耦线性化相结合 ， 对五 自由度无轴承 永磁同步 电机进行解耦 控 制。仿 真结果 表明 ， 使用该控制方法能使 系统稳定运行 ， 并且能 够实现五 自由度无轴 承永磁 同步电机各 自由 度之 间的解耦 控制 ， 且具有 良好 的动静态性 能。 关键词 ： 五 自由度 ； 无轴承 ；永磁 同步 电机 ； ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ５ ｄ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅ — ｏ ｆ － ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ（ Ｄ Ｏ Ｆ）ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｄ ｅ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ａ ｓ ｔ ｓ ｑ ｕ ａ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ （ Ｌ Ｓ — Ｓ Ｖ Ｍ） — ｔ ｈ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ
电 札 再控 制 应 闭 ２ ０ １ ３ ． ４ ０（ ３ ）
控制与应用技术 Ｅ Ｍ Ｃ Ａ
Ｓ Ｖ Ｍ） Ｏ Ｌ 阶逆模 型构建及其解耦控制方法 。在给 出了三 自由度交直流磁轴承悬浮力方程和径 向两 自由度无轴 承永磁 同步电机转矩力 、 径 向力方程基础上 ， 建立 了电机的五 自由度状态方程 。在分析系统可逆的情况下 ， 将 Ｌ Ｓ — Ｓ Ｖ Ｍ 的非线性逼 近能力与逆系统方法的解耦线性化相结合 ， 对五 自由度无轴承 永磁同步 电机进行解耦 控 制。仿 真结果 表明 ， 使用该控制方法能使 系统稳定运行 ， 并且能 够实现五 自由度无轴 承永磁 同步电机各 自由 度之 间的解耦 控制 ， 且具有 良好 的动静态性 能。 关键词 ： 五 自由度 ； 无轴承 ；永磁 同步 电机 ； ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ５ ｄ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅ — ｏ ｆ － ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ（ Ｄ Ｏ Ｆ）ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ
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电 札 再控 制 应 闭 ２ ０ １ ３ ． ４ ０（ ３ ）
控制与应用技术 Ｅ Ｍ Ｃ Ａ
永磁型无轴承电机悬浮系统的PID-PD控制
悬浮绕组 电流的关系可 以写为 ：
ｒ ｒ
控制 目标。
＝ —— 一 ｉ ｌ ｓ ＝ ， —— 一 ２０／ ｌ Ｉ ｇ、￡ ２ Ｉ ｌ ￣ｏ ｔｍ２ ｇＶ ｌ ｍ Ｌ
。 １ ） （
式 中 ： ， 为水 平和 垂直 方 向的可控 悬浮 力 （ 应于 位 移 对
ｔ ｌ ｒ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ． ｅ ｉｅ ，ｈ ｅ ａｉｎ ｈ ｐ ｏ ｈ ｓ ｓ ｈ ｍｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｃａ ｓ Ｉ ｃ ｎ ｒｌｅ ｎ ｂ ａｉ ｇ ｅ ｓ ｓ ｓｅ ｉ ｎ — ｒ ｌ ｓ ｅ ｉｎ ｄ Ｂ ｓｄ ｓ ｔ ｅ ｒ ｌ ｔ ｓ ｉ ｆｔ ｉ ｃ ｅ ｎ ｈ ｌｓ ｉ Ｐ Ｄ ｏ ｔｏｌｒ ｉ ｅ ｒ ｌ ｓ ｙ ｔ ｍ ｓ ａ ａ ｏｅ ｏ ｃ ｎ ｌｚ ｄ， ｎ ｔｉ ｉ ｄ ｃ ｔｄ ｔ ａ ｈ ｏ ｔ ｌｓｒ ｔｇ ｎ ｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｄ ｂ ｓ ｄ ｆｒ ｔ ｅ ａ ｐ ｏ ｉ ｔ ｎ ａ ｄ ｐ ｅ ｉｔ ｎ ｏ ｏ — ｙ ｅ ａ ｄ ｉ ｓ ｎ ｉａ ｅ ｈ ｔｔ ｅ ｃ ｎｒ ｔ ｅ ｙ ｍｅ ｔ ｅ ｏ ｌ ｅ ｕ ｅ ｈ ｐ ｒ ｘｍａｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｉ ｆｃ ｎ ｏ ａ ｏ ｏ ｏ ｏ
（． １浙江大 学 ， 电气工程 学 院 ，浙江 杭 州
敏 ，程 帅
３０１ ） １０ ３
３０ ２ ；２浙江 科技 学 院， １０ ７ ． 电气学 院 ，浙江 杭 州
摘 要 ： Ｉ 制器被 广泛 应用 于控制 各种稳 定 的系统 ， ＰＤ控 其参数 可采 用 Ｚｅｌ ｉ ｏｓ的方法 进行 确定 ， ｉｇ ｒＮｃ ｌ ｅ ｈ 但对 于不 稳 定系 统采用 ＰＤ控 制 ， Ｉ 一般 需进 行大量 的调试 工作 。此 处采用 双环 ＰＤ控制 ， Ｉ 先将 系统 内环 转化 为稳 定的控 制 模型 ， 通过 外环 控 制器 改善 系统 性 能 ， 对 永 磁 型无 轴承 电机 （ ＭＢ 的 数学 模 型 ， 再 针 Ｐ Ｍ） 设计 了 ＰＤ．Ｄ控 制 Ｉ Ｐ 器 。此 处给 出 了无 轴承 系统 ＰＤ．Ｄ控制 与传 统 ＰＤ控制 间的关 系 ， Ｉ Ｐ Ｉ 即该 方法可 用于 永磁无轴 承 电机调试 现场 中 ＰＤ参 数 的预估 ． 真和 实验证 明 了该 方法 的可行 性 。 Ｉ 仿
无轴承同步磁阻电机的悬浮系统控制策略
（ １ ． 南京信息职业技术学 院 ， 南京 ２ １ ０ ０ ２ ３ ； ２ ． 淮阴工学院 ， 淮安 ２ ２ ３ ０ ０ ３ ）
摘 要： 传统无轴 承同步磁阻电机悬浮系统控制方案的前提都是 获取转矩绕组 和悬ຫໍສະໝຸດ 绕 组 的电流 ， 没有 考虑转
矩绕组气隙磁链影响 ， 影 响悬 浮系统控制精度。重新建立了基于转矩 绕组磁链 的无轴承 同步磁阻 电机悬浮力 方程 ， 采用电压一 电流模 型法 观测转矩 绕组 气隙磁链 ， 设计 了新型 滤波环 节 ， 实 现 了基 于转矩 绕组磁链 观测 的无轴 承 同步 磁阻电机悬浮系统独立控制 。对样机控制 系统进行 了仿真 和实验研 究 ， 仿真 和实验结 果表 明该控制方 法使 悬浮 系 统具有 良好 的动 、 静态性能。
Ｗ Ａ ＮＧ Ｊ ｕ ｎ — ｍｉ ｎ ｇ ， Ｚ ＨＡ ＮＧ Ｈａ ｎ — ｎ ｉ ａ ｎ ， Ｂ ＡＯ Ａｎ － ｐ ｉ ｎ ｇ ，Ｚ ＨＡ ＮＧ Ｔ ａ ｏ
（ １ ． Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ２ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｈ ｕ ａ ｉ ｙ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈ ｕ Ｍ ａ ｎ ２ ２ ３ ０ ０ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
驱动
… …
０
彬
…
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摘 要： 传统无轴 承同步磁阻电机悬浮系统控制方案的前提都是 获取转矩绕组 和悬ຫໍສະໝຸດ 绕 组 的电流 ， 没有 考虑转
矩绕组气隙磁链影响 ， 影 响悬 浮系统控制精度。重新建立了基于转矩 绕组磁链 的无轴承 同步磁阻 电机悬浮力 方程 ， 采用电压一 电流模 型法 观测转矩 绕组 气隙磁链 ， 设计 了新型 滤波环 节 ， 实 现 了基 于转矩 绕组磁链 观测 的无轴 承 同步 磁阻电机悬浮系统独立控制 。对样机控制 系统进行 了仿真 和实验研 究 ， 仿真 和实验结 果表 明该控制方 法使 悬浮 系 统具有 良好 的动 、 静态性能。
Ｗ Ａ ＮＧ Ｊ ｕ ｎ — ｍｉ ｎ ｇ ， Ｚ ＨＡ ＮＧ Ｈａ ｎ — ｎ ｉ ａ ｎ ， Ｂ ＡＯ Ａｎ － ｐ ｉ ｎ ｇ ，Ｚ ＨＡ ＮＧ Ｔ ａ ｏ
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…
…
永磁型无轴承电机解耦控制策略研究
永磁型无轴承电机解耦控制策略研究近些年来，无轴承电机在各个领域得到了广泛的应用，并且取得了较好的应用效果，实现了社会的进步和发展。
无轴承电机具有无摩擦、无润滑以及转速快等优势，具有较大的应用前景。
而在无轴承电机中，永磁型无轴承电机得到了广泛的认可，其具有运行可靠、功率大的优势。
而在文章的研究中，主要针对于永磁型无轴承电机的解耦控制策略进行了相关方面的分析和探讨，希望通过文章的研究，能够进一步提高永磁型无轴承电机的应用水平，实现其良好的发展。
标签：永磁型无轴承电机；解耦控制；策略前言在多年的发展中，无轴承电机的发展也极为迅速，而且，无轴承电机具有无磨损、无摩擦、结构紧凑、无润滑、临界转速高等相关的优点，尤其是在永磁型无轴承电机运行的过程中，更是具有较长的使用寿命。
另外，经过多年的发展，对电机的运行要求也越来越高，如，要求电机必须具备长寿命、超高速、无机械噪声运行等，因此，需要对电机进行不断的改进和完善。
永磁型无轴承电机是无轴承电机的重要组成部分，所具备的无磨损、无摩擦、无润滑等优势也将成为发展的重要组成部分，当然，永磁型无轴承电机在运行的过程中，经常会发生解耦的现象，对永磁型无轴承电机的运行会产生极大的影响，对此，文章主要对永磁型无轴承电机解耦控制策略进行分析。
1 永磁型无轴承电机概述永磁型无轴承电机是无轴承电机的一种，主要根据转子的结构来对其进行分类，除了永磁型无轴承电机以外，还有磁阻型、感应型等无轴承电机类型，当然，通过大量的实践调查发现，永磁型无轴承电机的应用较为广泛，并受到广大社会各界的重视[1]。
永磁型无轴承电机被广泛的应用到长寿命、电机超高速、无机械噪声运行的生命科学以及航空航天等多个领域中，并被列入到重点研究对象，具有较大的应用前景。
2 永磁型无轴承电机解耦永磁型无轴承电机虽然被广泛的应用到多个领域中，但是，在永磁型无轴承电机实际运行的调查中发现，永磁型无轴承电机经常会出现解耦的现象，也给永磁型无轴承电机的正常运行造成极大的影响[2]。
无轴承永磁同步电动机悬浮力的前馈解耦控制方法
在 同步旋 转 ｄ ｇ坐标 下 ， 面 式无 轴 承 永磁 同 步 、 表
电 动
机 悬 浮 力
交叉耦合关系 ， 严重时会导致转子悬浮失败 ， 因此无 轴承 电机永 磁 同步 电动机 的解 耦控 制是 实现 其稳 定
悬浮 和 调速 运行 的关 键环 节 。
迄 今 有关 无 轴承永 磁 同步 电动 机悬 浮力 的解耦 方法 ， 一种 是 采用 完 全 依 赖 于被 控 电机 精 确 模 型 的 解 析逆 系统 方 法 Ｊ该 方 法 仅 能 实 现 近 似 解 耦 ， ， 对 电机参 数 变化 和 负 载扰 动 的鲁 棒 性 较 差 ； 一 种 是 另
０引 言
无 轴 承永 磁 同步 电动机 将用 于产 生径 向悬 浮力 的悬 浮绕 组和 普通 永磁 同步 电动 机 固有 的转矩 绕组
起叠 放 在定 子 中 ， 而 实现 转 子 的稳 定 悬 浮 和 电 从 磁 转矩 输 出 【２。无 轴 承永 磁 同步 电 动机 具 有 高转 １］ －
； ｉ使 得转 矩和 悬 浮 力 之 间存 在 耦 合 ， 外 相互 垂 直 此
ｊ 的两悬浮力分量也通过各 自的控制 电流 ｉ ｉ形成 交叉耦合 ， 消除上述多变量 之间的耦合关系是实现
ｊ 电机稳 定悬 浮 的前提 。 当 电机 转子 偏 心 时 ， 转子 上会 产生 单 边 磁拉 力
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 ， 出了一种前 馈解 耦方法 ， 提 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 。
无轴承电动机简介
霹
图 ３ 无轴承 电动机定子绕组 的构成
图 ４为 装有 无轴 承 电动 机 的屏 蔽 电泵样 机 ， 图 中所 示是将 样机 置于 试验 封 闭的 回路 系统 中进
行 评价 试验 的状态 。
图 ５为该 装置 的旋转 体 。 转轴 一 旁 的 圆 筒 状 物 体 为 无 轴 承 电动 机 转 子 ， 借用 了 普通 感 应 电动 机 的 转子 。轴 端 右 侧 它 为泵 叶轮 ， 轴端 左 侧 为 轴 向 位置 控 制 用 的磁 悬 浮 轴承 盘 ， 它 们 之间 ， 两 台 无轴 承 电动机 ， 长 在 有 轴 约 ６０Ｙｑ轴 质量 为 １．ｋ。 ０ １ｌ ｌ， Ｉ ４５ｇ
故 障 ） 及正常 停止 时 ， 以 防止 转 轴与 固定 侧磁 极接
触 而设 计 的 。
转 子⑧
整 个 的 试 验 结 果 表 明 ， 泵 的 流 量 为 该 １０ ／ ｉ， 程为 ２ｍ。在 运 行 中 ， 于 瞬 间 的 变 ８Ｌ ｍｎ扬 ４ 对
机产生所期望的输 出功率 ， 另一方面， 对转子的悬 浮控制也得以实现。 在成 功开 发了无轴承 电动 机的基础上 ， 原株 荏
图 ２ 无轴承 电动机 的转子 （ ） 左 与定子 （ ） 右
式会社将其应用于屏蔽电泵上 ， 并做了评价试验。
定子上有 二极绕组及 四极绕组 （ 两种 绕组 ） 二极绕组 电机传动 用 四极绕组 位 置控制 用
该装置 的轴 端 （ ４右 侧 ） 泵 部 分 ， 图 为 由普 通 泵部件 加 丁安装而 成 。
图 ４ 采用无轴承屏蔽电泵样机外观
图 ５ 屏蔽 电泵的旋转轴
２ ‘ １ｔ 背 蓄１ｊ 透荤 出 １ 版 ￣
图 ６所 示为 泵 剖面 结构 。
无轴承永磁同步电机转子磁场定向控制系统研究
需要 安装 磁轴 承 。但是 由于 电机 的旋转 与转 子悬 浮
在 电机定 子 槽 中，除 了传 统 电机 转矩 绕 组 外 ， 无 轴承永 磁 同步 电机还 有用 于产生 径 向悬浮 力 的绕 组 。要 使 电机产生 可控 悬浮 力 ，两 套 绕组 的极对 数 应 满足 以下 关 系 ：假 设 转 矩 绕 组 极 对 数 为 Ｐ ， 。 悬 浮力 绕组 极对 数为 Ｐ ，则 Ｐ ＝Ｐ ．１ ： ： 。－ 。如 图 １ ４ 所 示 ，Ｐ 为 ２ 。 ，由 Ⅳ 。和 Ⅳ 绕 组 构 成 ；Ｐ ：为 １ 由 ， 和 绕组 构成 。当 电机转 子没有 偏 心 时 ，悬 浮 力绕 组 Ⅳ 和 四极 磁通 中 没有 电流 流 过 ，永 磁 体 产 生 的
控 制之 间存在 着交 叉耦 合 ，使 得无 轴 承 电机 的控 制
变 得 比磁轴 承复 杂 。
是平衡 的 ，各个 磁 极 处 的气 隙磁 通 相
等 ，没有 悬 浮 力 产 生 。但 是 当转 子沿 负 方 向偏 心 时 ，根据 电磁场 理论 ，由于这 时 电机 磁通 分布 不 均 ，将 产生 沿 负 方 向 的 麦 克 斯 韦 力 ，这 是 一 个
负刚度 力 ，转子 偏离 得 越 多 引起 的磁 张 力 就越 大 ，
无轴 承 永 磁 同 步 电机 是 一 个 非 线 性 强 耦 合 系
统 ，实现 其 电磁转矩 与径 向悬 浮力 之间 的解耦 控制
是 电机稳 定运 行 的前 提 。笔者 提 出了一种 转 子磁场
定 向控制 的解 耦算法 ，实 现 了径 向悬 浮力 与 电机转
理 基 础 上 ，采 用 转 子 磁 场 定 向控 制 策 略 ，推 导 了 无 轴 承 永 磁 同 步 电 机 径 向 悬 浮 力 和 电 机 旋 转 部 分 数 学 模 型 ；根 据 无 轴 承 电机 解 耦 控 制 的要 求 设 计 了 无 轴 承 永 磁 同 步 电 机 转 子 磁 场 定 向 矢 量 控 制 系 统 ，并 以 数 字 信 号 处 理 器 Ｔ Ｓ２ Ｌ２０ Ｍ ３０ Ｆ４ ７为核 心 ，研 制 了矢 量 控 制 系 统 的硬 件 和 软 件 。 实 验 结 果 表 明 ：电 机 工 作 在 ０—３００ｒ ｉ 围 内 ， ０ ／ ｎ范 ｍ 转 子 悬 浮 稳 定 且 电 机转 速 连续 可 调 。
在 电机定 子 槽 中，除 了传 统 电机 转矩 绕 组 外 ， 无 轴承永 磁 同步 电机还 有用 于产生 径 向悬浮 力 的绕 组 。要 使 电机产生 可控 悬浮 力 ，两 套 绕组 的极对 数 应 满足 以下 关 系 ：假 设 转 矩 绕 组 极 对 数 为 Ｐ ， 。 悬 浮力 绕组 极对 数为 Ｐ ，则 Ｐ ＝Ｐ ．１ ： ： 。－ 。如 图 １ ４ 所 示 ，Ｐ 为 ２ 。 ，由 Ⅳ 。和 Ⅳ 绕 组 构 成 ；Ｐ ：为 １ 由 ， 和 绕组 构成 。当 电机转 子没有 偏 心 时 ，悬 浮 力绕 组 Ⅳ 和 四极 磁通 中 没有 电流 流 过 ，永 磁 体 产 生 的
控 制之 间存在 着交 叉耦 合 ，使 得无 轴 承 电机 的控 制
变 得 比磁轴 承复 杂 。
是平衡 的 ，各个 磁 极 处 的气 隙磁 通 相
等 ，没有 悬 浮 力 产 生 。但 是 当转 子沿 负 方 向偏 心 时 ，根据 电磁场 理论 ，由于这 时 电机 磁通 分布 不 均 ，将 产生 沿 负 方 向 的 麦 克 斯 韦 力 ，这 是 一 个
负刚度 力 ，转子 偏离 得 越 多 引起 的磁 张 力 就越 大 ，
无轴 承 永 磁 同 步 电机 是 一 个 非 线 性 强 耦 合 系
统 ，实现 其 电磁转矩 与径 向悬 浮力 之间 的解耦 控制
是 电机稳 定运 行 的前 提 。笔者 提 出了一种 转 子磁场
定 向控制 的解 耦算法 ，实 现 了径 向悬 浮力 与 电机转
理 基 础 上 ，采 用 转 子 磁 场 定 向控 制 策 略 ，推 导 了 无 轴 承 永 磁 同 步 电 机 径 向 悬 浮 力 和 电 机 旋 转 部 分 数 学 模 型 ；根 据 无 轴 承 电机 解 耦 控 制 的要 求 设 计 了 无 轴 承 永 磁 同 步 电 机 转 子 磁 场 定 向 矢 量 控 制 系 统 ，并 以 数 字 信 号 处 理 器 Ｔ Ｓ２ Ｌ２０ Ｍ ３０ Ｆ４ ７为核 心 ，研 制 了矢 量 控 制 系 统 的硬 件 和 软 件 。 实 验 结 果 表 明 ：电 机 工 作 在 ０—３００ｒ ｉ 围 内 ， ０ ／ ｎ范 ｍ 转 子 悬 浮 稳 定 且 电 机转 速 连续 可 调 。
无轴承同步磁阻电机定子电流内模解耦控制方法
无轴承同
无轴 承 同步 磁 阻 电机 定 子 电流 内模 解 耦 控 制 方 法
孙 刚 ， 王钧铭 ， 张汉年 ， 刘合祥 ‘
（ １ ． 南京信息职业技术学 院， 江苏南京 ２ １ ０ ０ ２ ３ ； ２ ． 东南大学 ， 江苏南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ）
摘 要： 无轴承 同步磁阻电机转矩控制采用矢量控制 策略时 ， 电机转矩 绕组 ｄ — ｑ 轴 电流和 电压之 间存 有复杂
的交叉耦合关 系 ， 动态过程中电流分量 相互影 响 ， 对电机悬浮力控制造成严重 干扰 ， 使无轴 承 同步磁阻 电机 的悬浮 运行和调速性 能变差。为消除上述 电流耦合关系 ， 采 用内模控制方法对 电机转矩绕 组电流进行解耦控 制 。设计 了 电流 内模解耦控制器 ， 进行 了控制系统的仿真研 究 ， 仿真结 果表 明所 提 出的内模 控制方 法具有 良好 的解耦 效果 和
控制特性。
关键词 ： 无轴承 同步磁阻 电机 ； 内模控制 ； 解耦
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ３ ５ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ４ － ７ ０ １ ８ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — ０ ０ １ ０ － ０ ４
Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ Ｍｏ ｄｅ ｌ Ｄｅ ｃ ｏ ｕｐ ｌ ｉ ｎｇ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｏ ｆ Ｓｔ ａ ｔ ｏｒ Ｃｕｒ ｒ ｅ ｎｔ ｆ ｏ ｒ Ｂｅ ａ ｒ ｉ ｎｇ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｓ ｙｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎｏ ｕ ｓ Ｒｅ ｌ ｕｃ ｔ ａ ｎｃ ｅ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｓ
…． Ｅ
抛 ： … … … … … … … … 一 … … … 一 … … … … … … … … … 一 ． ： ． ： 一
无轴承永磁同步电机径向力控制研究
Ｓ Ｍ ＬＩ Ｋ Ｉ Ｎ
１ 径 向力产生原 理
无轴承 永磁 同步 电机 的基 本工作原 理可 以 从 图１ 示的模 型 中得到 解释 。 所 以定子 等效 绕组
径 向力
ＭＡＴ ／ Ｉ ＡＢ
中图分类号 ： ＴＭ３ １ 文献标 识码 ： ５ Ａ
ＤＯＩ 编码 ： ０３ ６ ／ ｉｓ ．０ ６２ ０ ．０ ００ ．０ １ ．９ ９ｊ ｓｎ １ ０ － ８ ７２ １ ．６０ ８ ．
。穆
ｒ ＾
现代驱动与控制
无轴 承 永磁 同步 电机 径 向力控 制研 究
张 磊 李 同华 ，
１ 京 信 息职 业 技 术 学 院 （ １０ ６） 南 ２ ０４ ２南 京 航 空航 天 大 学 （ １０ ６） ２０１
Ｓｔ ｕｄｙ ｏｎ Ｒａｄｉ ａｌＦｏｒ ｅ ｏｆｔ ａｒ ｎ ｅ Ｓ Ｐｅｒ ａｎｅｎｔＭ ａｇｎｅｔ ｓ ｅ ｈｅ Ｂｅ ｉ Ｓ ｍ － ｙｎｅｈｒ ｏｎｏｎｓ Ｍ ｏｔ ｏｒ Ｚｈａｎ ｇＬｅ ＬｉＴ ｇｈ ｉ ｏｎ ｕａ
Ｎａｊ ｇＣ ｌ ｇ ｆ ｎｏｍａｉｎＴ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｏｌ ｅｏ ｆｒ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｉ ｎ ｅ Ｉ ｏ
Ｎａｊ ｇＵｎｖ ｒｉ ｆ ｒｎ ｕｉｓ ｎ ｔ ｎ ｕｉｓ ｎ ｉｅｓｔ ｏ ｏ ａ ｔ ｄＡｓｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｙ Ａｅ ｃａ ｏ ｃ
Ｕ＝ ｃ ４ ｂ ａ２ｏ ／ ｐ Ｌ ａ
Ｕ＝ ｃ ４ｂ ｂ ２ｏ ， Ｄ Ｌ ａ
（） ５
（） ６
致ｌ 处磁通密度增加 ， 处磁通密度减小， ３ 从而产
生一个使转子将 向ｘ 正方 向移动的力。 同理， 如果 转子出现沿ｘ 向右偏心时， ｘ Ｎ 中通反方向电流时，
４
护、 高转速等 一系列突 出优点 ， 在真空、 静室、 无 菌车间、 腐蚀性介质或非常纯净介质 的传输等领
１ 径 向力产生原 理
无轴承 永磁 同步 电机 的基 本工作原 理可 以 从 图１ 示的模 型 中得到 解释 。 所 以定子 等效 绕组
径 向力
ＭＡＴ ／ Ｉ ＡＢ
中图分类号 ： ＴＭ３ １ 文献标 识码 ： ５ Ａ
ＤＯＩ 编码 ： ０３ ６ ／ ｉｓ ．０ ６２ ０ ．０ ００ ．０ １ ．９ ９ｊ ｓｎ １ ０ － ８ ７２ １ ．６０ ８ ．
。穆
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现代驱动与控制
无轴 承 永磁 同步 电机 径 向力控 制研 究
张 磊 李 同华 ，
１ 京 信 息职 业 技 术 学 院 （ １０ ６） 南 ２ ０４ ２南 京 航 空航 天 大 学 （ １０ ６） ２０１
Ｓｔ ｕｄｙ ｏｎ Ｒａｄｉ ａｌＦｏｒ ｅ ｏｆｔ ａｒ ｎ ｅ Ｓ Ｐｅｒ ａｎｅｎｔＭ ａｇｎｅｔ ｓ ｅ ｈｅ Ｂｅ ｉ Ｓ ｍ － ｙｎｅｈｒ ｏｎｏｎｓ Ｍ ｏｔ ｏｒ Ｚｈａｎ ｇＬｅ ＬｉＴ ｇｈ ｉ ｏｎ ｕａ
Ｎａｊ ｇＣ ｌ ｇ ｆ ｎｏｍａｉｎＴ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｏｌ ｅｏ ｆｒ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｉ ｎ ｅ Ｉ ｏ
Ｎａｊ ｇＵｎｖ ｒｉ ｆ ｒｎ ｕｉｓ ｎ ｔ ｎ ｕｉｓ ｎ ｉｅｓｔ ｏ ｏ ａ ｔ ｄＡｓｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｙ Ａｅ ｃａ ｏ ｃ
Ｕ＝ ｃ ４ ｂ ａ２ｏ ／ ｐ Ｌ ａ
Ｕ＝ ｃ ４ｂ ｂ ２ｏ ， Ｄ Ｌ ａ
（） ５
（） ６
致ｌ 处磁通密度增加 ， 处磁通密度减小， ３ 从而产
生一个使转子将 向ｘ 正方 向移动的力。 同理， 如果 转子出现沿ｘ 向右偏心时， ｘ Ｎ 中通反方向电流时，
４
护、 高转速等 一系列突 出优点 ， 在真空、 静室、 无 菌车间、 腐蚀性介质或非常纯净介质 的传输等领
基于转子磁场定向的无轴承异步电机逆系统解耦控制
Ｌ Ｑ ， ＬＵ Ｘａ － ｉ ／ ｇ ｌ ｉｎＸｎ ｇ （ ｃ ｏｌ ｆ ｌ ｔｃｌ ｎ ｆｒ ａｉ ｎ ｉ ｅ ｎ ， ｉ ｇｕＵ ｉ ｒ ｔ， ｈ ｎｉ ｇ２ ２ １ ，Ｃ ｉａ Ｓ ｈｏ ｏ ｅ ｒ ａ ａｄＩ ｏｍ ｔ ｎＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｊ ｎ ｓ ｎｖ ｓｙ Ｚ ｅｊ ｎ １０ ３ ｈｎ ） Ｅ ｃ ｉ ｎ ｏ ｎ ｉ ａ ｅｉ ａ
控制与应用技术 Ｅ 嘣
迫扎 再控制 应闭２ １ ３ ２ ００ ７（） ，
基 于转 子磁 场定 向的 无轴 承异 步 电机逆 系统 解耦 控 制 米
李 青 ， 刘 贤兴
（ 苏大 学 电气信 息 工程 学 院 ， 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 江 １０ ３
摘 要： 无轴承异步电机是一个多变量 、 强耦合 、 非线性 的系统 ， 无轴承异步 电机的运行机 理 ， 根据 推导
了旋转力和径向悬浮力方程 ， 建立 了基于转子磁场定 向的电机的状态方程 ， 根据状态方程分析系统的可逆性 ，
应用 ｑ阶逆系统 的方法实现了径 向悬浮力与旋转力之间、 径向悬 浮力之问 的动态解耦 ； 并采用线性综合方法
设计 了系统的闭环控制器 。仿真结果表 明， 系统具有 良好的动 、 静态性能。
０ 引 言
无轴承异步电机是一种多变量 、 强耦合 、 非线
性 的被控 系统 。其 旋 转力 和 径 向悬 浮 力之 间 、 径
象 ， 易掌握 ； 系统方法 是一种 直接反 馈线性化 不 逆 的方法 ， 有物理 概念清 晰直观 ， 具 数学 分析简单 明
关键词 ： 无轴承异步电机 ； 转子磁场定 向； 系统 ； 逆 解耦控制 中图分类号： Ｍ３ １２ Ｔ ４ 文献标识码 ： 文章编号 ： ７ －５０ ２ １ ）２００ － Ｔ ０ ．： Ｍ３ ３ Ａ １ ３６ ４ （０ ０ ０ － ８０ ６ ０ ５
控制与应用技术 Ｅ 嘣
迫扎 再控制 应闭２ １ ３ ２ ００ ７（） ，
基 于转 子磁 场定 向的 无轴 承异 步 电机逆 系统 解耦 控 制 米
李 青 ， 刘 贤兴
（ 苏大 学 电气信 息 工程 学 院 ， 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 江 １０ ３
摘 要： 无轴承异步电机是一个多变量 、 强耦合 、 非线性 的系统 ， 无轴承异步 电机的运行机 理 ， 根据 推导
了旋转力和径向悬浮力方程 ， 建立 了基于转子磁场定 向的电机的状态方程 ， 根据状态方程分析系统的可逆性 ，
应用 ｑ阶逆系统 的方法实现了径 向悬浮力与旋转力之间、 径向悬 浮力之问 的动态解耦 ； 并采用线性综合方法
设计 了系统的闭环控制器 。仿真结果表 明， 系统具有 良好的动 、 静态性能。
０ 引 言
无轴承异步电机是一种多变量 、 强耦合 、 非线
性 的被控 系统 。其 旋 转力 和 径 向悬 浮 力之 间 、 径
象 ， 易掌握 ； 系统方法 是一种 直接反 馈线性化 不 逆 的方法 ， 有物理 概念清 晰直观 ， 具 数学 分析简单 明
关键词 ： 无轴承异步电机 ； 转子磁场定 向； 系统 ； 逆 解耦控制 中图分类号： Ｍ３ １２ Ｔ ４ 文献标识码 ： 文章编号 ： ７ －５０ ２ １ ）２００ － Ｔ ０ ．： Ｍ３ ３ Ａ １ ３６ ４ （０ ０ ０ － ８０ ６ ０ ５
无轴承异步电机解耦控制策略
ｉ ｇ ｘ ｉ ｔ ｎ ｃ ｒｅ ｔａ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌａ ｌ ｉｐｌｃ ｍｅ ｔｖ ｒａ ｌ ｎ ｓｅ ｃｔ ｉ ｕ ｒ ｎ ｓｔ ｏ ｔｏ ｌｂ ｅ ｄ ｓ ａ ｅ ｎ ａ ｉ ｂｅ．Ｓ ｍｕｌｔｏ ｎ ｘ ｒｍｅ ａｉ ａｅ ｔ ｔ ａｏ ｈ ｉ ａｉｎ ａ ｄ ｅ ｐｅ ｉ ｎｔｖ ｌｄ ｔ ｈａ ｈ ｅ ｉａｉｎ ｆｒ ｅ ｒ ｅ ｏ ｌ ｄ ｃ ｍｐ ｅ ｅｙ ｕｓｎ ｓｍｏ ｅ ，ｔ ｏ ｒ ｌｅ Ｃ ｃ ｎｔｏ ｏ ｃ ｓｓ ｐ ｔ ｅ ｌ ｖｔｔｏ ｏ ｃ ｓａ ｅ ｄ ｃ ｕｐ ｅ ｏ ｌ ｔｌ ｉ ｇ ｔ ｉ ｄ ｌ ｈ ｅ ｃ ｎｔｏｌｒ ａ ｏ ｒｌｔ ｅ ｆｒ ｅ ｅ — ｈ ｓ ｎ ｈ ａ ａｅｙ．Ｔ ｓｍｅ ｈ ｄ ｍａ ｅ ａ ｒ ｆｒ ｎ ｅ ｆｒｔ ｅ ｌｖｔ ｔ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌｉ Ｕ ｓ ｅ ｃ ｌ ． ｒｔｌ ｈｉ ｔ ｏ ｙ ｂ ｅｅ ｅ ｃ ｏ ｈ ｅ ｉ ｉ ｏ ｔｏ ｎ ａ ｐｅ ｄ ｓ ａ ｅ ａ ｏ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｅ ｒｎ ｌ ｓ ｂ ａ ｉ ｇｅ ｓ；ｄ ｃ ｕ ｌｎ ｏ ｒ ｌ ｎｄ ｔｏ ｔｒ ｅ ｏ ｐ ｉ ｇ ｃ ｎｔｏ ；ｉ ｕｃｉｎ ｍｏ ｏ
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无轴承永磁同步电机及轴向定位磁轴承控制技术
江苏大学硕士学位论文无轴承永磁同步电机及轴向定位磁轴承控制技术姓名：吉裕晖申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：朱熀秋20100612江苏大学硕士学位论文摘要无轴承永磁同步电机是将磁悬浮技术应用于普通永磁同步电机的一种新型电机。
无轴承永磁同步电机的定子槽内嵌有两套绕组即转矩绕组和悬浮力绕组，转矩绕组用于实现电机的旋转，悬浮力绕组用于控制转子的悬浮。
无轴承永磁同步电机具有无摩擦、无磨损、无润滑、功率密度大等一系列综合性优点，在航空航天、生命科学等领域具有潜在的应用前景，受到国内外很多研究机构的高度重视。
论文重要工作如下：１．分析了无轴承永磁同步电机的悬浮力产生方式，进而阐述了无轴承永磁同步电机的悬浮机理，推导了极对数ＰＭ＝ｌ，ＰＢ＝２的无轴承永磁同步电机的数学模型。
无轴承永磁同步电机是一强耦合、多变量的非线性系统，实现电磁转矩与径向悬浮力的解耦控制是电机稳定运行的前提，本文采用了基于ＳＶＰＷＭ转子磁场定向解耦控制方法，设计了无轴承永磁同步电机的控制系统，利用ＭＡＴＬＡＢ软件进行建模仿真，结果验证了该方法的有效性。
２．对无轴承永磁同步电机系统中的轴向定位磁轴承系统进行了理论和实验研究。
介绍了轴向混合磁轴承的结构与工作原理，推导了其数学模型。
详细介绍了磁轴承功率放大器的种类、主电路拓扑结构和控制策略，设计了一种集成式两电平ＰＷＭ开关功率放大器，再用轴向位移检测电路和模拟ＰＩＤ控制器设计了轴向定位磁轴承的控制系统，并对该系统进行了实验调试，结果验证了其设计的合理性和有效性。
３．研究了以ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡＤＳＰ为数字控制器的无轴承永磁同步电机数字控制系统，介绍了以ＩＰＭ功率集成模块为核心的硬件系统，以及ＣＣＳ２０００开发环境的软件系统，给出了功能模块的程序流程图。
对两自由度无轴承永磁同步电机数字控制系统的软、硬件进行实验调试，给出了部分调试结果并对其进行了分析，实验结果验证了所提出理论的正确性。
无轴承永磁同步电机悬浮子系统的 LQG LTR控制器设计
第28卷 第2期航 空 学 报Vol 128No 12 2007年 3月ACTA A ERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA Mar. 2007收稿日期:2006201205;修订日期:2006205219基金项目:国家自然科学基金通讯作者:邓智泉E 2mail :dzq @nuaa 1edu 1cn 文章编号:100026893(2007)022*******无轴承永磁同步电机悬浮子系统的L QG /L TR 控制器设计孟令孔,邓智泉,王晓琳,仇志坚(南京航空航天大学303教研室,江苏南京 210016)Design of L QG /LTR Controller for Suspension Subsystemof PM Type B earingless MotorsM EN G Ling 2kong ,D EN G Zhi 2quan ,WAN G Xiao 2lin ,Q IU Zhi 2jian(Faculty 303,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ,Nanjing 210016,China )摘 要:为1台无轴承永磁同步电机设计了单输入单输出L Q G/L TR 控制器,并对有轻载和白噪声干扰时的悬浮性能进行了仿真研究。
结果表明,空载时稳态悬浮精度在60μm 以内,且控制器具有较强的鲁棒性。
为提高稳态悬浮精度,考虑到无轴承永磁同步电机X 和Y 2个自由度间的耦合,为同一台电机设计了双输入双输出的集中控制器。
结果表明,控制精度提高到30μm 以内,悬浮性能优良。
关键词:鲁棒控制;悬浮;L Q G /L TR ;无轴承电机;永磁同步电机中图分类号:V249.122+.4;TM464 文献标识码:AAbstract :A SISO L Q G /L TR controller is designed for a bearingless permanent magnet synchronous motor ,and the suspension performance with light load and white noise disturbance is investigated ,the simulation re 2sults show that the controller is robust and can ensure the displacement within the range of ±60μm when the motor is unloaded.To improve the precision of suspension performance and considering the coupling of X di 2rection and Y direction ,a BIBO controller is designed ,the results show that the BIBO controller can ensure the displacement within the range of ±30μm and the motor with excellent suspension performance.K ey w ords :robust control ;suspension ;L Q G/L TR ;bearingless motor ;permanent magnet synchronous motor 无轴承电机是应电机向超高速、大功率方向发展这一趋势而产生的,无轴承电机就是把产生悬浮力的绕组与普通电机的绕组叠绕在一体,使电机在旋转的同时实现悬浮[1]。
内置式无轴承永磁同步电机径向悬浮力建模
中图分类号 ： Ｔ Ｍ ３ ５ １ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ７ — ４ ４ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — ０ ０ ４ ５ — ０ ６
Ｒａ ｄ ｉ ａ ｌ ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ｏ ｒ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎｃ ｈｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｓ
有 限元仿 真计 算 结果 、 理论 计算 结果 和 实际测 量结 果进 行 了比较 。分 析 结果表 明 ， 采 用麦克 斯 韦应 力 张量 法建 立的径 向 悬浮 力数 学模 型误差 小 、 精度高。 关键 词 ： 无轴承 电机 ；内置式无 轴承 永磁 同步 电机 ；建模 ； 有 限元 分析 ；径 向悬浮 力
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｗｈ ｅ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｉ ｒ ｏ ｒ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ（ Ｉ Ｂ Ｐ ＭＳ Ｍ）ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ｆ ０ ｒ
ｓ ｕｓ ｐ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｓ ａ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ａ ｃ ｃ ｕｒ ａ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄｅ ｌ ｏ ｆ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｓ ｕｓ ｐ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｌ ｅ ａ ｄ ｓ ｔ ｏ ｐｏ ｏ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ ｅ ｆｏ ｒ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ．Ｓ ｏ ｔ ｈ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ａ ｃ ｃ ｕｒ ａ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｒ ａ ｄｉ ａ ｌ Ｓ Ｕ Ｓ —
Ｒａ ｄ ｉ ａ ｌ ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ｏ ｒ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎｃ ｈｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｓ
有 限元仿 真计 算 结果 、 理论 计算 结果 和 实际测 量结 果进 行 了比较 。分 析 结果表 明 ， 采 用麦克 斯 韦应 力 张量 法建 立的径 向 悬浮 力数 学模 型误差 小 、 精度高。 关键 词 ： 无轴承 电机 ；内置式无 轴承 永磁 同步 电机 ；建模 ； 有 限元 分析 ；径 向悬浮 力
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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
最 后对该 控制 系统进 行实验 验证 ， 结果 表 明 ， 控制 该
收 稿 日期 ：２ ０ －７ １ ０９ － ０ ５
左 。作 用于转 子 表面洛仑 兹力 方 向与麦克 斯韦 力的
基 金 项 目 ：国家 ８ ３高 技 术研 究 发展 计 划 资 助 项 目（０ ７ Ａ ４ ２３ ６ ２０ Ａ ０ Ｚ １ ）
Ａｐ ｉ ２ ０ ｒｌ ０１
基于 Ｓ Ｐ Ｖ ＷＭ 的 无轴 承 永磁 同步 电机 转 子 磁 场 定 向控 制 系统研 究
王 成 波 ，朱 烧 秋 ，吉裕 晖
（ 苏大学 电气信 息工程 学院 ，江 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 １ ０ ３ 摘 要 ：无轴承 永磁 同步 电机是 一复 杂的强 耦合 非 线性 系统 ， 立精 确 的 电磁 转矩 和 径 向 悬浮 力数 建
在这基 础上 ， 采用转 子 磁 场 定 向控 制 策 略来 实 现 无 轴承永 磁 同步 电机 电磁 转矩 和径 向悬 浮力 之间 的解 耦 控制 。为 了验证 解 耦 控制 方 法 的 有效 性 ， 中构 文 建 了基 于 Ｓ Ｐ Ｖ ＷＭ 的无轴 承永 磁 同步 电机转子 磁 场 定 向 的控 制 系 统 ， 计 了 该 控 制 系 统 的 软 件 结 构 。 设
绕 组 的引入打 破 了 电机 内部 磁 场 的平 衡 ， 电机 不 使
仅 可 以产 生 电磁转矩 还可 产生径 向悬 浮力 。实现 电 磁转 矩 和悬浮力 的解 耦是控 制无 轴承永 磁 同步 电机 的基本要 求 。本 文在 分析无 轴 承永磁 同步 电机工作 原 理 的基 础上 ， 建立 了无轴 承 永 磁 同 步 电机 精 确 的
１ 引 言
无 轴承永 磁 同步 电机是集 电机 和磁轴 承功 能为
无轴承永磁同步电机参数优化设计
永 磁 同步 电机 的组 合 。为 了实 现对 转 子 的径 向悬 浮 控 制 ，在普 通永 磁 电机 定 子槽 中加 入 另 一 套 悬 浮 力 绕组 ，两套 绕 组 的磁 场 相 互 作 用 产 生 径 向力 ，合 理
标 ，因此 ，如何 提 高 无 轴 承 电机 的径 向悬 浮 力 是 电 机 设计 时考 虑 的一 个 核 心 问 题 。之 前 ，已有 相 关 的 文 献分 析 了径 向悬 浮 力 与悬 浮力 绕 组 电流 之 间 的 关
地控 制该力 就 可 实现 转 子 的悬 浮 ，而 电机 的旋 转 力 矩 由原来 的转 矩 绕 组 产 生 ， 而 形 成 了无 轴 承 永 磁 从 电机 【 ３。 由于其 具 有结 构 简 单 、无 磨 损 、无 润 滑 、 １］ － 无机 械噪 声 、寿 命 长 、效 率 高 等 一 系 列优 点 ，在 高
ｆｒｅ ；ｆ ｉ ｌｍｅ ｔｍｅｈ ｄ Ｆ ｏｃ ｓ ｉ ｔ ｅｅ ｎ ｔｏ （ ＥＭ） ｎｅ
国 、美 国 、奥 地 利 等 均 在 大力 开 展 研 究 ，而 瑞 士 处 Ｉ 引 ’ 舌 在领先 地位 ，已有技 术商 品化 。
径 向悬 浮力 是 无 轴 承 电 机 的一 个 重 要 的性 能 指 无轴 承永 磁 同步 电机 在 结 构 上 是 主 动磁 轴 承 和
Ａ ｓｒｃ ： ａ ｉ ｕｐ ｎｉ ｒ ｆ ｅｒ ｇｅｓｐｒ ａ ｅｔ ｇ ｅ ｓｎ ｈｏ ｏｓｍｏ ｒ Ｂ ＭＳ ａ ｅａ ｂｔａ ｔ Ｒ ｄ ｌ ｓｅ ｓ ｎｆ ｃ ｏ ａｉ ｌ ｅｍ ｎｎ ｎ ｔ ｙ ｃ ｒｎｕ ｔ ｓ（ Ｐ Ｍ ｈ ｓｒｌ ａｓ ｏ ｏｅ ｂ ｎ ｓ ｍａ ｏ －
关 键 词 ：无轴 承永 磁 同 步 电机 ；优 化 设 计 ；径 向悬 浮 力 ；有 限 元 分 析
基于二基波法的无轴承异步电机径向悬浮力研究
ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｒ ａ ｄ ｉ ｌ ａ ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ．Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｉｎ ｒ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｒ ａ ｄ ｉ ｌ ａ ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ —
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆＥ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ １ ２ ０ １ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ａ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ，ｍｕ ｌ ｔ ｉ — ｖ ａ ｉａ ｒ ｂ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ｇ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ，ｉ ｔ ｉ ｓ ｎ ｅ ｃ —
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性 分析 ． 明此 系统 可逆 。利 用神 经 网络逆 系统方 法 ， 原 来的非 线性 强耦合 的 多 变量 系统 动 态解 证 将 耦 成 两个位 置彼 此 无耦 合 的线性 子 系统 ， 用线性 系统 理论 对线性 子 系统进 行综 合 ， 计 系统的 闭 运 设
环 控 制 器。在 Ｍａａ ｔ ｂ软件 环 境 下构建 仿 真 系统 ， ｌ 并进 行 仿 真研 究和 性 能 分 析 ， 真 结 果验 证 了该 仿 解耦 策略 的有 效性 。 关键 词 ： 轴承 永磁 同步 电机 ；径 向悬 浮力 ； 经 网络 ；逆 系统 ； 态解耦 无 神 动
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｒ ｄ ａ ｕ ｐ ｎ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ｆ ｂ ａ ｉ ｇｅ ｓ ｐ ｒ ｎ ｎ ｇ ｅ — ｐ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｓ ｒ ｃ ： ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ａ ｉｌ ｓ ｓ ｅ ｄ ｎ ｏ ｃ ｓ ｏ ｅ ｒｎ ｌ ｓ ｅ ｍａ ｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｙ ｅ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｔ
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孙 晓 东 ， 朱 烧 秋 ， 张 涛 ， 杨 泽 斌
（ 江苏大学 电气信息工程学 院 ， 江苏 镇江 ２２ １ ） １０ ３
摘
要 ： 对 无轴承 永磁 同步 电机 径 向 悬浮 力之 间存在 的 非线性 、 针 强耦 合 问题 ， 出基 于神 经 网络 提
逆 系统方 法的 无轴 承永磁 同步 电机 径 向 悬浮 力动 态解耦控 制 策略 。在 分析 无轴 承永磁 同步 电机 的 工作 原 理和 径 向 悬浮力 产 生机 理 的基础 上 ， 立径 向 悬浮力 的数 学模 型 ， 对该数 学模 型进行 可逆 建 并
Ｓ ＵＮ ａ — ｏ ｇ， ＺＨＵ Ｘｉｏ ｄ ｎ Ｈｕａ ｇ ｑ ｕ， ＺＨＡＮＧ ａ ＡＮＧ ｅ ｂｉ ｎ －ｉ Ｔ ｏ， Ｚ－ ｎ
（ ｃｏｌ ｆ ｌｃ ｉａ ａｄＩｆ ｍａｏ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｊ ｎ ｓ ｎ ｅｓｙ Ｚ ｅｊ ｎ １０ ３ Ｃ ｉ ） Ｓ ｈｏ ｏ Ｅｅｔｃｌ ｎ ｎｏ ｔｎＥ ｇ ｅｉ ， ｉ ｇｕＵ ｉ ｒｉ ， ｈｎｉ ｇ２ ２ １ ， ｈｎ ｒ ｒ ｉ ｎ ｎ ａ ｖ ｔ ａ ａ
第１ ５卷
第 ｌ 期 １
电 机 与 控 制 学 报
ＥＬ ＥＣ ＴＲＩ Ｍ ＡＣＨＩ Ｃ ＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
． Ｖｏ ． ５ Ｎｏ １１ １１
２１ 年 １ ０１ １月
ＮＯ ． ２ １ Ｖ ０１
无 轴 承 永磁 同步 电机 径 向悬 浮 力动 态解 耦控 制
中 图分 类 号 ：Ｍ ３ １ Ｔ ０ 文献标志码 ： Ａ 文章 编 号 ：１０ — ４ Ｘ（０ １ １ — ０ １ ６ ０７ ４ ９ ２ １ ） １ ０ ２ —０
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环 控 制 器。在 Ｍａａ ｔ ｂ软件 环 境 下构建 仿 真 系统 ， ｌ 并进 行 仿 真研 究和 性 能 分 析 ， 真 结 果验 证 了该 仿 解耦 策略 的有 效性 。 关键 词 ： 轴承 永磁 同步 电机 ；径 向悬 浮力 ； 经 网络 ；逆 系统 ； 态解耦 无 神 动
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孙 晓 东 ， 朱 烧 秋 ， 张 涛 ， 杨 泽 斌
（ 江苏大学 电气信息工程学 院 ， 江苏 镇江 ２２ １ ） １０ ３
摘
要 ： 对 无轴承 永磁 同步 电机 径 向 悬浮 力之 间存在 的 非线性 、 针 强耦 合 问题 ， 出基 于神 经 网络 提
逆 系统方 法的 无轴 承永磁 同步 电机 径 向 悬浮 力动 态解耦控 制 策略 。在 分析 无轴 承永磁 同步 电机 的 工作 原 理和 径 向 悬浮力 产 生机 理 的基础 上 ， 立径 向 悬浮力 的数 学模 型 ， 对该数 学模 型进行 可逆 建 并
Ｓ ＵＮ ａ — ｏ ｇ， ＺＨＵ Ｘｉｏ ｄ ｎ Ｈｕａ ｇ ｑ ｕ， ＺＨＡＮＧ ａ ＡＮＧ ｅ ｂｉ ｎ －ｉ Ｔ ｏ， Ｚ－ ｎ
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第１ ５卷
第 ｌ 期 １
电 机 与 控 制 学 报
ＥＬ ＥＣ ＴＲＩ Ｍ ＡＣＨＩ Ｃ ＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
． Ｖｏ ． ５ Ｎｏ １１ １１
２１ 年 １ ０１ １月
ＮＯ ． ２ １ Ｖ ０１
无 轴 承 永磁 同步 电机 径 向悬 浮 力动 态解 耦控 制
中 图分 类 号 ：Ｍ ３ １ Ｔ ０ 文献标志码 ： Ａ 文章 编 号 ：１０ — ４ Ｘ（０ １ １ — ０ １ ６ ０７ ４ ９ ２ １ ） １ ０ ２ —０
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