基于动态坐标系的无轴承永磁薄片电机悬浮力建模及控制
无轴承永磁同步电机径向悬浮力动态解耦控制
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
ｍｏ ｒ（ Ｐ Ｓ ｔ ｓ Ｂ Ｍ Ｍ）ｂ ｉｇｓ ｏ ｇ ｏｌ ｅｒａｄｃｕ ｌ ，ａｄ ｎ ｍ ｃｄ ｃｕ ｌ ｇｃｎｒｌ ｔ ｔｇ ｏ ｄａ ｏ ｅ ｒｎｌ ｎ ｎｉ ａ ｎ ｏ ｐｅ ｙ ａ ｉ ｅ ｏｐｉ ｏ ｔ ｒ ｅｙｆ ｒ ｉ ｎ ｔ ｙ ｎ ｄ ｎ ｏ ｓａ ｒａ ｌ ｓ ｓｅ ｓ ｎｆｒｅ ｆ ｈ Ｐ Ｓ ａｅ ｎ ｎ ｕａ ｎ ｔｏｋ ｉｖｒ （ Ｎ ）ｓｓ ｍ ｍｅ ｏ ａ ｅｎ ｐｏ ｕｐ ｎｉ ｃ ｓ ｅ Ｂ Ｍ Ｍ ｂ ｓｄ ｏ ｅ ｒｌ ｅｗ ｒ ｎｅｓ Ｎ Ｉ ｙｔ ｔ ｄｈ ｓｂ ｅ ｒ— ｏ ｏ ｏｔ ｅ ｅ ｈ
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
五自由度无轴承永磁同步电机非线性动态解耦控制
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
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
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
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…
…
…
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…
…
…
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…
…
…
无轴承感应电机悬浮绕组独立控制仿真研究
微 电机 ２ ０ 年 ０７
第４ Ｏ卷 第 ４ （ 期 总第 １ ６ ） ０期
中图分类号 ：Ｔ ４ Ｍ３６
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０ －８ ８ ０７ ０ －０ ８０ ０ １ ４ ０ ）４０ １ 组 独 立控 制仿 真 研 究
曹昌平 ，卢健康 ，史仪 凯
（ 西北工业大学 机 电学院 ，西安 ７ ０ ７ ） １０ ２
摘 要：阐述 了无轴承感应电机 的悬浮原理及 悬浮绕组独立控制 的基本 思想。将无轴承感应电 机等效成 ２台电机，即转矩电机和悬浮电机 ，按照电压模型法建立转矩绕组气隙磁链观测器 ，结 合位移调节器计算 出悬浮绕组的电流。建立了无轴承感应电机 悬浮绕组独立控制 的 Ｍ ｔｂ Ｓ ｕ ａａ／ ｉ — ｌ ｍ ｌｋ仿真模型；仿真结果合理。 ｉ ｎ 关键词：无轴承；感应电动机 ；独立控制；磁链观测器；仿真
Ｃ ｈ ｎ — ｉｇ Ｌ ｉｎ ｋ ｎ ， Ｓ —ａ ＡＯ Ｃ ａ ｇ ｐｎ ， Ｕ Ｊａ —ａ ｇ ＨＩＹｉ ｉ ｋ
（ｎｔｕｅｏ ｃ ａｉａ ａｄＥｅｔ ｎｃＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｉｓｔｔ ｆ ｈ ｎｃｌ ｎ ｌｃ ｏ ｉ ｎｉ ｅ ｎ ， ｉ Ｍｅ ｒ ｎ ｉ
Ｎ ｒ ｗ ｓ ｒ ｏ ｔ ｈ ｉ ｎｖｒｉ ，Ｘ ’ １０ ２ ｈｎ ） ｏｔ ｅｔ ｎＰ ｌ ｅ ｎｃ Ｕ ｉｅｓｙ ｉ ｎ７ ０ ７ ，Ｃ ｉａ ｈ ｅ ｙｃ ａ ｌ ｔ ａ
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ ： Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｔ ｅ ｌｖｔ ｔ ｎ ｐ ｎ ｉ ｌ ｆ ｂ ａ ｉ ｇｅ ｓ ｉｄ ｃｉｎ ｍｏｏ ｓ ｄ ｓ ｒ ｅ ． Ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ｈ ｅ ａ ｏ ｒ ｃ ｐ ｅ ｏ ｅ ｒ ｌｓ ｎ ｕ ｔ ｔ ｒ ｉ ｅ ｃ ｂ ｄ ｉ ｉ ｉ ｎ ｏ ｉ ｈ ｂ ｓｃ ｉｅ ｆｉ ｄ ｐ ｎ ｅ ｔｃ ｎ ｒｌｏ ｖ ｔｔ ｎ ｗ ｎ ｉｇ ｉ ａ ａ ｙ ｅ ． Ｔ ｅ ｂ ａ ｉｇ ｅ ｓ ｉ ｄ ｃ ｉｎ ｍｏ ｏ ａｌ ａ ｉ ｄ ａ ｏ ｅ ｅ ｄ ｎ ｏ ｔ ｆｌ ｉ ｉ ｉ ｄ ｎ ｓ ｎ ｚ ｄ ｈ ｅ ｒ ｌ ｓ ｎ ｕ ｔ ｔｒ Ｃ ｌ ｎ ｏ ｅ ａｏ ｌ ｎ ｏ
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 。
磁悬浮轴承的控制与优化设计
磁悬浮轴承的控制与优化设计磁悬浮轴承作为现代机械工程领域的一项重要技术，具有许多独特的优势。
其悬浮部分完全无接触，没有摩擦产生的热损失，减小了能耗和维护成本。
此外，磁悬浮轴承还能实现快速、精确的轴向位置控制和旋转速度控制，为高速机械系统提供了更好的运动精度和可靠性。
本文将探讨磁悬浮轴承的控制与优化设计。
磁悬浮轴承的控制主要包括控制方法和控制系统的设计。
常用的磁悬浮轴承控制方法有自由控制和主动控制两种。
自由控制是指利用磁悬浮轴承自身的特性来实现稳定悬浮的控制方式。
主动控制则需要利用传感器和反馈控制系统来实现对悬浮部分的控制。
在实际应用中，主动控制更为常见，因为它可以提供更高的控制精度和灵活性。
控制系统的设计是磁悬浮轴承控制的关键。
一般来说，控制系统包括传感器、控制器和电磁部分。
传感器用于测量被控对象的状态，例如轴的位置、速度和振动等。
控制器根据传感器的反馈信息计算出控制信号，用来调节电磁部分的工作状态。
电磁部分则产生磁力，实现对轴的悬浮和运动的控制。
磁悬浮轴承的优化设计可以从多个方面入手。
首先，需要考虑磁悬浮轴承的结构设计。
轴承的结构应该符合被悬浮物体的运动需求，同时减小系统的质量和能耗。
其次，还可以优化控制算法。
随着控制算法的不断改进，磁悬浮轴承的控制性能得以提升。
例如，采用模糊控制、神经网络控制和自适应控制等先进算法，可以实现更高精度的控制。
此外，还可以考虑优化磁悬浮轴承的能量转换效率，以提高系统的整体效能。
针对磁悬浮轴承的控制和优化设计问题，研究者们进行了大量的工作。
例如，一些研究人员提出了基于自适应滑模控制器的磁悬浮轴承控制方法，通过在线调节控制器的参数，实现了对不同工况下的控制性能的优化。
还有一些研究者提出了基于遗传算法的优化设计方法，通过对磁悬浮轴承结构参数进行优化，提高了系统的性能指标。
这些研究工作为磁悬浮轴承的控制和优化设计提供了有益的参考。
总之，磁悬浮轴承的控制与优化设计是实现高速、精密运动的关键环节。
无轴承电机悬浮控制系统的设计
无轴承电机悬浮控制系统的设计段春霞1,葛运旺2,蒋建虎3(洛阳理工学院,河南洛阳471003) 收稿日期:2008-05-06作者简介段春霞(),女,河南叶县人,硕士研究生,主要研究方向过程控制。
葛运旺(6),男,教授,主要研究方向电磁场分析 摘 要:无轴承电机是利用磁悬浮轴承和交流电机结构的相似性,将产生磁悬浮力的磁悬浮轴承绕组置入电机定子,省去了专门的磁悬浮轴承。
通过对转矩绕组和悬浮力绕组的解耦控制,使电机的转子同时具有产生转矩和自悬浮的功能。
无轴承电机能够实现高速、无摩擦等优良性能,是当前研究的热点之一,无轴承电机悬浮控制系统设计是该研究的关键。
论文介绍了无轴承电机悬浮控制的基本原理,设计出了基于转矩绕组转子磁场定向的悬浮控制系统。
关键词:磁悬浮 无轴承电机 悬浮控制系统 转矩绕组 中图分类号:TH12 文献标识码:B 文章编号:1671-4024(2008)03-49-04 一、引言随着科学技术的进步,高速和超高速电机在机床主轴、涡轮分子泵、离心机、压缩机、机电贮能、航空航天等领域获得广泛的应用。
支撑轴承技术一直是高速电机发展的“瓶颈”。
高速电机一般采用气浮、液浮和磁浮轴承,气浮和液浮轴承需要专门相配的气压、液压系统,造成电机系统结构复杂、能耗大、效率低。
磁浮轴承虽具有无润滑、无磨损、无机械噪声和结构简单等特点,经过近三十年的发展和完善,在高速电机中使用的比例越来越大。
但由于磁轴承本身占有一定的轴向空间,轴向利用率低,限制了其临界转速和输出功率,也影响到高速电机的微型化,另外磁轴承成本过高也影响到它的广泛使用。
提高电机系统的轴向利用率,相应也就提高了电机的临界转速和输出功率。
一种途径是研究集轴向悬浮和径向悬浮功能于一体的轴向径向混合磁轴承,如锥形磁轴承等;另一途径就是研究集径向悬浮功能和驱动力矩功能于一体的新型电机,这种途径对提高电机系统轴向利用率尤其显著,这种电机就是无轴承电机。
二、无轴承电机悬浮控制原理(一)无轴承电机悬浮工作原理传统电机中存在着两种不同类型的磁力:洛伦兹力和麦克斯韦力。
无轴承开关磁阻电动机模型分析与控制
ｗ ｔ ｒ ｅｐ ｒｍｅｅ Ｗ Ｓｐ ｏ ｅ ｅ ｌｗ ｔ ｈ ｄ ａ ｏ ｄ ｇｅ ｅ ｏ ｐ ｉ ｇ Ｆ ｅ ｂ ｃ ｎ ａｉａｉｎ ｍｅ ｏ ａ ｄ ｐ － ｉ ｔ ｅ ａ ａ ｔｍ ａ ｍｐ ｓ ｄ ｔ ｄ ａ ｈ ｔｅｒ ｉ ｔ － ｅ ｒｅ ｄ ｃ ｕ ｌ ． ｅ ｄ ａ ｋ ｌ ｅ ｒｚ ｔ ｔ ｄ Ｗ Ｓ ｏ ｔ ｈｈ ｏ ｉ ａ ｌ ｗ ｎ ｉ ｏ ｈ ａ
ｔ ＧＪ
『 ＋ ＋ 【砭 一 一 ＋
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（） ９
经说 明 ， 和 计 算公 式 在整 个 工作 范 围一 ５ ≤０ １。 ≤０ 均符合 要求 ， 图 ２中可 以看 出 ， 余 四个悬 浮 。 从 其
设 计一个 控制器 对其 径 向两 自由度进 行 解耦 ， 中 文 对 六个悬 浮力系数 进行具 体分析 ， 并对两个 系数 、 四 个 系数和六 个系数 的控 制器 进 行 了仿 真 ， 通过 对仿
真结果 的 比较分析 ， 明 了两 个 系数 的控制 器 和 四 证 个、 六个系 数的控 制器在控 制性能 上相差不 大 ， 以 可
了动态解耦 ， 最后分别采用 三种参数的控制器在 Ｍａ ａ ｔｂ环境 下进行 了整个径 向位置控制 系统 的仿 真建模。仿 真结 ｌ
果 显 示 ， 制 器 采 用两 个 参 数 时 就 可 达 到 比较 好 的解 耦 效 果 。 控
关键词 ： 无轴承开关磁 阻电动机 ； 系数 ； 向位置 ； 径 解耦 中图分类号 ： Ｍ３２ Ｔ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号：０ ４ ７ １ （０ １ ０ — ０ ２ ０ １０ － ０ ８ ２ １ ）７ ０ ５ — ３
用 两个系数 的控制 器来控 制六个 系数的 电机模型 。
无轴承永磁薄片电机磁悬浮机理研究
堕壁 ． …
… … …… … …… … …… … …… … …
…
无 轴 承 永磁 薄 片 电机 磁 悬 浮 机 理研 究
廖启新， 李 立， 邓智泉
（ 南京航空航天大学 ， 江苏南京 ２０ １） １０６
Ｐ ｉ ｃ ｐ ｅ ａ ｄ Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ｎ ｔ ｕ ｐ ｎ ｉ ｎ ｏ ａ ｉ ｇ ｅ ｓＰＭ ｌ ｅ－ｍ ｏ ｏ ｒｎ ｉ ｌ ｎ ｉ ｌ ｔ ｆＭ ｇ ｅ ｉ Ｓ ｓ ｅ ｓｏ ｆＢｅ ｒｎ ｌｓ ｏ ｃ Ｓｉ － ｔ ｒ ｃ
传统 的磁轴承 占用 了电机相当的轴向空间 ， 加 大了电机转子的轴向长度。而无轴承技术将磁轴承
．
集成到了电机中， 提高电机的轴向利用率 ， 使电机成
为集驱动与悬浮一体的动力系统 ， 从而达到缩短转 子长度 的目的。其原理是利用外加的一套悬浮绕组 改变电机中原有磁场的分布 ， 而产生可控径 向悬 从
蘩 承 轴 无
在电机定子中放入分别为 Ｐ 和 对极 的驱动 Ｉ 。 Ｐ Ａ ． 绕组和悬浮绕组 ， 电角频率相 同， 当满足 Ｐ ＝ １ Ｐ ± ｊ
图薄 机 结 片基 构 电本
１ 图 薄 片电机基本结构
叠 耄
・ 浮力…。但普通无 轴承 电机 只能实 现转子一端 的 两 自由度径 向悬浮 ， 另一端仍然要靠磁轴承或另＿ ・台无轴承电机来实现悬 浮， 这样其轴 向长度的缩短 就很有限， 同时结构也更趋复杂 。 无轴承薄片电机则在利用无轴承技术实现径向 悬浮的基础上， 依靠磁 阻力实现其他三个 自由度上
摘 要 ： 承薄 片电机采 用无轴 承技术 实现径向两 自 无轴
的被动悬浮。转子轴 向利用率大为提高 ， 结构也更 加简单。这种电机除具 有磁悬浮技术 的无磨损、 无
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]。
无轴承薄片电机系统被动悬浮特性的研究
（ 南京 航空 航天 大学 ， 江 苏 南京 ２０ １ ） １０６ 摘 要 ： 以应 用于超 洁净领 域 的新 型无轴 承薄 片 电机 为研 究对 象。首先 运 用 刚体 动 力 学和 陀螺 力 学原 理， 建立 了无轴 承薄 片 电机 系统被 动 悬浮 （ 轴 向扭 转 方 向上 ） 自由度 的转 子动 力学模 型 ， 即 两 然后 采 用
（ ａｊ ｇ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ ｅ ｎ ｕｉ ｎ ｓ ｏ ａ ｔｓ Ｎ ｎ ｎ １０ ６ ｈｎ ） Ｎ ｎｎ ｎ ｅｉ ｉ ｖ ｓｙ ｆＡ ｒ ａ ｔｓａ ｄＡ ｔ ｎ ｕｉ ， ａｆ ｇ２ ０ １ ，Ｃ ｉａ ｏ ｃ ｒ ｃ ｉ
Ａｂｓｒ ｔ： ｄ ｎ ｍ ｉ ｄ ｌｏ ａ ｓｖ ｕｓ ｅ ｓｏ ｎ ｔ ｅ ｂ ａ ｉ ｇｅ ｓｓｉ ｅ ｍｏｏ ｙ ｔｍ ｓ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ，ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ａｃ Ａ ｙ ａ ｃ ｍｏ ｅ ｆｐ ｓ ｉｅ ｓ ｐ ｎ ｉ ｎ ｉ ｈ ｅ ｒｎ ｌ ｓ ｌｃ ｔ ｒｓ ｓｅ ｉ ｅ ｅｏ ｅ ａｅ ｎ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ： ｇ ｅｉ ｕ ｐ ｎｓｏ ｄ ｍａ ｎ ｔ ｓ ｓ ｅ ｉ ｎ；ｂ ａ ｉ ｌ ｓ ｃ ｅ ｒｎｇｅ ｓ；ｓｉｅ ｍｏｏ ；ｐ ｓ ｉｅ ｓ ｓ ｅ ｓｏ ｌｃ ｔｒ ａ ｓｖ ｕ ｐ ｎ ｉｎ；ｄ ｎ ｍｉ ｙａ ｃ
Ｃｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓｏ ａ ｓｖ ｕ ｐ ｎ ｉｎ ｉ ｈ ａ ｉ ｇｅ ｓ Ｓ ｉｅ Ｍｏ ｏ ｙ ｔ ｍ ａ ａ ｔｒｓｉ ｆＰ ｓ ｉｅ Ｓ ｓ ｅ ｓｏ ｎ ｔ ｅ Ｂｅ ｒｎ ｌ ｓ ｌ ｔｒ Ｓ ｓｅ ｃ ｃ
ＣＨＥＮ Ｓｈ ＤＥＮＧ ｉ ｕ ｎ， ＡＮＧ ａ －ｎ， Ｉ ｕ， Ｚｈ－ ａ Ｗ ｑ Ｘｉｏ ｌ ＬＡＯ － ｉ Fra bibliotekｉ Ｑｉ ｎ ｘ
基于ANSYS的无轴承永磁薄片电动机特性分析
Ｔ ｅ ｄ ｓ ｂ ｔ ｎ ｏ ａ ｉｌ ｕ ｐ ｎ ｉｎ ｆ ｒ ｅａ ｔ ｇｏ ｈ ｏ ｏ ｉ ｌ ｕ ｆ ｃ ａ ｎ ｌｚ ｄ ｂ ｓｎ ｅｆ ｉ ｌ ｍｅ ｔ ｎ ｌｓｓ ｈ ｉｔ ｕ ｉ ｆｒ ｄａ ｓ ｅ ｓｏ ｃ ｃｉ ｎ ｔ ｅｒ ｔｒｃｒ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｗ ｓａ ａｙ ｅ ｙ ｕ ｉ ｇｔ ｎ ｔ ｅｅ ｎ ａ ｙ ｉ ｉ ｒ ｏ ｓ ｏ ｎ ｃ ｈ ｉ ｅ ａ
…
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一 ．
ห้องสมุดไป่ตู้
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一
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微持电棚 ２ｏ ……… ｏ￣ ｌ ！ ………… ４
一
基 于 Ａ ＹＳ的无 轴 承 永磁 薄 片 电动机 特 性 分 析 ＮＳ
徐 亚超 ， 烷秋 朱
（ 苏 大学 ， 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 江 １０ ３
ｓｒ ｔｏ ｆｃ ｎｒ ｌｓ ｓｅ ｔｕｅｉｎ ｏ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ．
Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｅ ｒｎｇｅ ｓ ｓｉ ｅｍ ｏｏ ； ｂ ａ ｉ ｌ ｓ ｌｃ ｔｒ ＡＮＳ ＹＳ；ａ ａ ｕ ｐ ｎ ｉｎ ｆｒ ｅ；ｏ ｑ ｅ ｒｄｉｌｓ ｓ ｅ ｓｏ ｏ ｃ ｔ ｒ ｕ
摘
要： 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 Ａ Ｓ Ｓ有限元分析软件 ， ＮＹ 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 ， 电机控制系统 的构建提供了理论依据。 为
基于模块化的无轴承永磁同步电机控制软件设计
复杂的控制系统 ， 特殊的硬件结构导致 了软件 主程
序 的繁冗 ， 这不 仅 降低 程 序 的运 行效 率 ， 也增加 了软 件维 护 的难 度 ．
文 中拟 在 阐述 Ｂ ＭＳ 悬 浮 原理 并 分 析控 制 系 Ｐ Ｍ
／
统结 构基础 上 ， 出基 于 数 字信 号 处 理 器 （ Ｓ 模 提 Ｄ Ｐ） 块 化 开发 的控制 系统 软件 程序 结构及 其具 体 的实现 方法 ， 并给 出 Ｔ ３０ Ｆ４７ 中的 ２种 临界 资源 的 ＭＳ２ Ｌ ２０ Ａ 管理 机制 ； 建 Ｂ ＭＳ 数 字 控制 系 统试 验平 台 ， 搭 Ｐ Ｍ 对
无 轴 承 永 磁 同 步 电 机 （ ｅｒ ｇ ｓ ｅｍ ｎｎ ｂａｉ ｌ ｓｐｒ ａｅｔ ｎｅ
ｍａｎ ｔ ｙ ｃｒｎｕ ｏ ｒ简称 Ｂ ＭＳ 是将 磁悬 浮 ｇ ｅ ｓｎ ｈｏ ｏｓｍ ｔ ， ｏ Ｐ Ｍ） 技 术应 用 到永磁 同步 电 机 而 出现 的 一 种新 型 电机 ，
基 于模 块 化 的无 轴 承永 磁 同步 电机 控 制 软 件设 计
朱烷秋 ， 向东，左文全 ，吕艳博 ， 劲夫 付 魏
（ 江苏大学 电气信息工程学 院，江苏 镇 江 ２２ １ ） １０ ３
Hale Waihona Puke 摘 要 ：为使 无轴 承永磁 同步 电机 （ Ｐ Ｍ） 制 和 调 试 更 方便 ， 计 了模 块 化 的控 制 系统软 件 程 Ｂ ＭＳ 控 设 序 ． 阐述 Ｂ ＭＳ 转子 悬 浮原理 的基础 上 ， 出其 电磁 转 矩 方程和 悬 浮力 方程 ． 在 Ｐ Ｍ 给 在论 述 Ｂ ＭＳ 数 Ｐ Ｍ
卷
．
３ ２
ＪＯ Ｕ ＲＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｊｉ ＮＧ ＳＵ ＵＮ Ｉ ＥＲ Ｓ ＴＹ（ ｔｒｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ Ａ Ｖ Ｉ Ｎａｕａ Ｓ ｉｎ ｅＥ ｉｏ ） ｉ
永磁型无轴承电机的设计与控制研究
绕组 ! 永磁 转子 产生 的 ! 3+ 和 3- 为 $ 极悬浮绕组 F 极磁场如图 # 所示 F 如果按图示极性给悬浮 绕 组 3通入相应电流 ! 则 $ 极磁场将与 ! 极磁场相叠加 ! 致 使区域 # 气隙磁密增加 " 区域 $ 气隙磁密减少 ! 不平 衡的气隙磁通密度使电机转子承受沿- 方 向的 磁 悬 促使 转 子 上 浮 F 同 理 在 悬 浮 绕 组 3+ 通 入 电 浮力 ! 流! 可在转子上产生沿+ 方向的悬浮力 F 因此通 过 控 制 3+ 和 3- 绕组 的 电 流 就 可 以 控 制 磁 悬 浮 力 的 大 使电机获得稳定悬浮运行 F 小和方向 ! 要实现 电 机 的 稳 定 及 可 靠 悬 浮 ! 必须使 悬 浮 绕 组产生的悬浮力能抵消单边磁拉力和转子重 力 对 转 子悬浮的影响 ! 为此必须深入考察悬浮力与悬浮绕组 电流之间的关系 ! 实现悬浮绕组正 确设计 F 其中正确 设计的关键是建立磁悬浮力精确计算的解析模型 F 9= :! 计及转子偏心的永磁型无轴承电机磁悬浮力 模型 一 !! 永磁型无轴承 电 机 磁 悬 浮 力 可 分 为 两 部 分 & 部分为均匀气隙中永磁体和转矩绕组产生的气隙磁 场与悬浮绕组电 流 相 互 作 用 产 生 的 可 控 悬 浮 力 % 另 一部分为运行中转子实际定位偏心所产生的单 边 磁 拉力 F 通常情况下 ! 从麦克斯韦力出 发导 出的数 学 模 型非常复杂 ! 不易实现悬浮力的观测和在设计中的应 用! 本文将从气隙磁场能量的观点推导其解析表达 F 根据文献 # $ ! 永磁型无轴承电 机 采 用/ # 0 [" 转 子磁场定向控制 ! 在不考虑转子偏心时气隙磁场能 量可表示为
无轴承永磁电动机悬浮力通用计算模型研究
生命科学行业、航空航天 等领域具有 重要的研究
价值 和应 用 前 景 。 由于 无 轴 承 永 磁 电 机 固有 的 特 点 ，在 运行 中须对 转 子 径 向悬 浮 力进 行 实 时 控制 ， 因此能 否对 悬 浮 力 的准 确 计 算 是 对 其 有 效 控 制 的 关 键 。本 文 从 无 轴承 永 磁 电机 的 电感 矩 阵模 型 出 发 ，推导 出悬 浮力通用 计算 模型 。
磁通 就不再 相 等 了 ，磁 极 ３的气 隙磁 通 密 度减 少 ， 而磁 极 １的增加 ，不平 衡 的气 隙磁 通导 致产生 的径 向悬 浮力使 转轴 向 的正 方 向移 动 ；如 果 Ⅳ 绕 组 Ｉ 中通 过 电流 为 负 值 ，那 么 径 向悬 浮 力 的 作 用 将 使 转 轴朝 的负 方 向移 动 。同 理 ， 绕 组 中的 电流
维普资讯
微 电机
中图分类号 ：Ｔ ３ １ Ｍ ５ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１０ －８ ８ ２０ ）６０ ２ ．３ ０ １ ４ （０ ８ ０ —ｏ００ ６
无 轴 承 永磁 电动 机悬 浮 力 通 用 计 算模 型 研 究
马 晓 成
（ 江苏大学 电气信息工程学院 ，镇江 ２２１ ） １０ ３
ｎ ｎ ｇ ｅ ｔｒｆ ｓｌ ｔｅ ａ ｅｔ ｅｇ ｎ ｒ ｘ ｒ ｓｉｎ ｆｔ ｅ ｍａ ｈ ｎ ｎ ｕ ｔ ｃ ｓａ ｄ ｒ ｄ ａ ｕ ｐ ｎ ｉｎ ｅ ｔｍａ ｎ ｔｍｏｏ ｒｔ ｉ ｙ， ｈ ｎ ｇ ｖ ｅ ｅａ ｅ ｐ ｅ ｓｏ ｓｏ ｈ ｃ ｉ ｅｉ ｄ ｃａ ｅ ａ ｉ ｓ ｓ ｓｏ ｈ ｌ ｎ ｎ ｌ ｅ
极磁 通 咖 ，如 图 １所 示 。这 样 一 来 每 极 下 的 气 隙
擦磨损 、无机械噪声 ，可以实 现高速运行 等特点 。
无轴承电机的建模与控制仿真
周相 碰 。无 轴承 电机 控 制系统 框 图如 图 ２所 示 。
径 向 悬 浮 部 分
命 。无轴承 电机 系统 由电机 本体 结 构 、径 向悬 浮控 制 系
统 和转 动控 制 系统 组 成 。 但无 轴 承 电 机是 一 个 多 变量 、
静 态性 能 。
关 键 词 ：无 轴 承 电机 ； 矢 量 控 制 ；仿 真 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｍ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ： １０ — ６ ３ （０ ８ ６ １ ２ ０ ０ ２ ６ ７ ２ ０ ）０ — ５ — ３
０ 引言
自８ ０年代 以来 国 际 上开 展 了无 轴 承 电机 的技 术研 究 ，探 索 了其基 本原 理 和应 用 实现 ，最 终实 现 了用 电磁
１１ 二 自 由度 无轴 承 电机 工 作原 理 ．
通 常 ， 了实现 转 子 的稳定 悬 浮 ， 为 一般 采 用双 悬 浮结
无轴 承 电机 中的 电感 矩 阵【］ Ｌ在旋 转 坐标 系下 ２相 时
０
—
Ｍ Ｍ８ ０ 【
［】＝ Ｌ
—
０
ｋ ｎｌ Ｍ（ ３ ｘ
０
构 【 由于 国内的研 究 工作 刚起 步 ， 了使 实 验平 台 易于 ｉ 】 。 为
根据 机 电能量转 换关 系 ，无 轴承 电机贮 存 的磁场 能 量 ｗ ｍ
可表 示为 ：
ｗ＝ 【 ］ ｉ ｍ ｉ ．］ ｎＬ 【
其 中 ：］ ［ ［＝ ｉ ｉ 电流矩 阵 ； 啦
（） ２
、ｉｓ ｑ一４极 ４
足 Ｐ ＝ Ｔ １的要 ＦＰ － ＋
无轴承无刷直流电机悬浮力新型控制策略
无轴承无刷直流电机悬浮力新型控制策略朱熀秋;单龙【摘要】为了克服传统无轴承无刷直流电机悬浮力控制方法所引起的转子径向悬浮力小、控制悬浮力绕组的逆变器需通断次数多、控制系统复杂等缺点,在阐述无轴承无刷直流电机结构及悬浮力产生原理的基础之上,提出了一种悬浮力新型控制策略,即采用悬浮力绕组三相同时导通的控制策略来实现转子稳定悬浮.为验证该新型控制策略的有效性,运用有限元分析方法进行分析计算.并运用Matlab/Simulink 对控制系统进行仿真试验.结果表明,在电机尺寸以及悬浮力绕组电流相同的条件下,转子受到的径向悬浮力较传统控制方法提高了35％;该控制系统不仅能够实现转子稳定悬浮,而且具有良好的动静态性能.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(036)002【总页数】6页(P209-214)【关键词】无轴承无刷直流电机;径向悬浮力;控制策略;有限元分析;仿真【作者】朱熀秋;单龙【作者单位】江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TM341凭借调速性能优良、可靠性高、寿命长、噪声低等优点以及高性能钕铁硼永磁材料的出现，无刷直流电机已在家电、硬盘、CD/VCD等领域得到了广泛的应用［1-3］.由于机械轴承的存在，无刷直流电机在一些免维护、长周期，尤其是在高强度及高转速的场合中已不能满足其要求.无轴承电机具有无接触、无磨损、无需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长等优点，在生命科学、半导体工业、食品化工、飞轮储能等特殊传动领域有重要的使用价值和应用前景［4-5］.无轴承无刷直流电机除了具有一般无轴承电机的优点外，还具备无刷直流电机的无需励磁、高效可靠、出力大等优点，在血液泵、高速/超高速离心机、手术切割电锯等生物医学领域及飞轮储能等新能源领域具有较高的研究价值和广泛的应用前景，因而研究无轴承无刷直流电机具有科研价值和工程意义［6-9］.但在传统无轴承无刷直流电机悬浮力控制方法中，根据检测到转子位置角的不同，选择性的导通悬浮力单相绕组，转子受到的单位电流径向悬浮力较小［10］.电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器需通断24次，提高了对逆变器的要求，增加了控制系统的复杂度［11］.逆变器开关频率高，开关损耗大，上述这些问题限制了它的应用与发展.文中在阐述无轴承无刷直流电机结构及原理的基础之上提出一种悬浮力新型控制策略，并借助Ansoft软件及Matlab/Simulink验证该新型控制策略的正确性.1 无轴承无刷直流电机悬浮力产生原理无轴承无刷直流电机结构图如图1所示.图1 无轴承无刷直流电机结构图12个定子齿均匀分布于定子磁轭的内圆周表面上，8块永磁体以表贴式均匀分布在转子铁心表面，转矩绕组和悬浮力绕组均采用集中绕组的方式缠绕在定子齿上.其中转矩绕组由A，B，C共3相构成，A1，A2，A3，A4绕组串联连接构成转矩绕组 A相;B1，B2，B3，B4绕组串联连接构成转矩绕组 B相;C1，C2，C3，C4绕组串联连接构成转矩绕组C相，转矩绕组线圈按A1，B1，C1，A2，B2，C2，A3，B3，C3，A4，B4，C4顺序沿逆时针方向依次缠绕于定子齿上，电磁转矩产生原理与传统的无刷直流电机相似.悬浮力绕组 SU1，SU2，SV1，SV2，SW1，SW2 等6个绕组叠压在定子齿内，绕组SU1，SU2为U相悬浮力绕组;绕组SV1，SV2为 V相悬浮力绕组;绕组SW1，SW2为W相悬浮力绕组，每对绕组串联连接，沿定子圆心对称分布于定子齿上.悬浮力绕组导通时产生的磁通和永磁体磁通相互叠加，打破转子两侧原有的气隙磁密平衡而产生转子径向悬浮力.图2给出了3相12槽8极无轴承无刷直流电机悬浮力产生原理图.图2 浮力产生原理图如图2所示，当转子角θ为0°时，V相悬浮力绕组导通控制转子悬浮，当悬浮力绕组SV1，SV2通以图示方向的电流时，气隙1处的磁密增加，气隙2处的磁密减少，导致转子两侧的气隙磁密不平衡，产生V1负方向的悬浮力FV1，同理，气隙3处的磁密增加，气隙4处的磁密减少，产生V2负方向的悬浮力FV2，因此调节悬浮力绕组SV1，SV2电流的幅值和方向可以产生x轴向的悬浮力Fx，其为FV1和FV2的合力.同理分析可得当U或W相的悬浮力绕组SU1，SU2或SW1，SW2导通时，产生相应的悬浮力，悬浮力绕组的导通情况主要取决于转子角θ，其悬浮力产生的相位如图3所示.图3 浮力产生的相位当转子角θ位于0°到15°，45°到60°之间时，V相悬浮力绕组SV1，SV2导通;转子角θ位于15°到30°，60°到75°之间时，U 相悬浮力绕组 SU1，SU2 导通;转子角θ位于30°到45°，75°到90°之间时，W相悬浮力绕组SW1，SW2导通.悬浮力绕组以90°为周期轮流导通来产生转子径向悬浮力，使得转子稳定悬浮而无任何机械接触.在此绕组结构的无轴承无刷直流电机中，采用悬浮力绕组单相导通技术，虽能够使得转子稳定悬浮，但转子受到的径向悬浮力小，这是由于磁通密度分布不平衡的气隙只分布于悬浮力绕组导通的定子齿槽下，而不分布于悬浮力绕组未导通的定子齿槽下.且电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器需通断24次，无疑提高了对逆变器的要求，增加控制系统的复杂度.为改变这一现象，文中提出一种悬浮力新型控制方法，采用悬浮力绕组3相同时导通的控制策略来控制转子悬浮.2 悬浮力新型控制策略2.1 无轴承无刷直流电机结构悬浮力新型控制策略的电机结构如图4所示.图4 新型电机结构采用3相12槽6极电机结构，绕组A，B，C为电机转矩绕组，其绕组分布及电磁转矩产生原理与无刷直流电机相似.绕组 U1，V1，W1，U2，V2，W2 分别替代了传统悬浮力绕组 SU1，SU2，SV1，SV2，SW1，SW2，在此电机结构中，悬浮力绕组 U1，V1，W1相在同一时刻导通，悬浮力绕组U2，V2，W2相在同一时刻导通.定义U1，V1，W1相为悬浮力绕组U1-V1-W1，U2，V2，W2 相为悬浮力绕组 U2-V2-W2.每一套悬浮力绕组导通时，转子两侧的气隙磁密分布不平衡，导致在其磁通方向上产生电磁力，3个方向上的电磁力合成矢量使得转子稳定悬浮.图5为新型控制策略中悬浮力产生原理示意图.图5 新型控制策略悬浮力产生原理示意图由图5可见当转子角θ为30°时，悬浮力绕组U1-V1-W1导通，其中悬浮力绕组V1，W1相的电流值大小为悬浮力绕组U1相的一半，且方向相反，以满足3相电流之和为零的要求，转子两侧的气隙磁密分布不平衡导致其受到如图所示的悬浮力FU1，FV1，FW1，因此调节悬浮力绕组 U1，V1，W1 相的电流幅值和方向可以得到x轴向上的径向悬浮力Fx，其为 FU1，FV1，FW1这3者的合力.同理，转子径向悬浮力也可以由悬浮力绕组U2-V2-W2导通产生.根据转子角位置的不同，2套悬浮力绕组系轮流交替导通产生径向悬浮力，使得转子稳定悬浮而无任何机械接触.2.2 悬浮力新型控制策略的实现在无轴承无刷直流电机的转子径向x轴和y轴向上分别放置2个电涡流位移传感器，利用x轴向上的电涡流位移传感器检测无轴承无刷直流电机转子沿x轴向上的实际位移，将x轴向上给定参考位移x*与实际位移比较之后得到x轴向上位移偏差，差值由PID调节器控制，得到无轴承无刷直流电机转子沿x轴向上的悬浮力给定值，同理，也可以得到沿y轴向上的悬浮力给定值.图6为两相坐标到三相坐标的2/3变换示意图.图6 两相到三相坐标系变换由图6 可见，当转子角θ位于15°到45°，75°到105°之间时，悬浮力绕组U1-V1-W1导通，x，y轴向上的悬浮力给定值，经2/3变换得到 U1，V1，W1方向上的悬浮力给定值，如式(1)所示:把式(1)代入力电流公式i=KF可得式中:K为力/电流系数分别为悬浮力绕组U1，V1和W1的电流给定值.当转子角θ位于0°到15°，45°到75°以及105°到120°之间时，悬浮力绕组 U2-V2-W2导通，x，y轴向上的悬浮力给定值先变换到坐标系x2，y2轴向上的悬浮力给定值，其中 x2，y2 轴是由x，y轴逆时针旋转30°得到的，悬浮力给定值，由式(3)得到:然后x2，y2轴向上悬浮力给定值再经2/3变换后得到U2，V2，W2方向上的悬浮力给定值，如式(4)所示:把式(4)代入力电流公式i=KF可得式中:K为力/电流系数;分别为悬浮力绕组U2，V2和W2的电流给定值.两套悬浮力绕组以120°为周期轮流通电导通，产生径向悬浮力使得转子稳定悬浮，较传统悬浮方法，转子受到的单位电流径向悬浮力将大大增加.且电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器仅需通断12次，降低了对逆变器的要求，减小了控制系统的复杂度.3 有限元分析与仿真试验3.1 径向悬浮力有限元分析为了验证悬浮力新型控制策略的有效性，借助Ansoft软件建立无轴承无刷直流电机的二维电磁场模型并对转子径向悬浮力进行验证分析，主要参数为:定子外圆半径40 mm;定子外圆半径15 mm;永磁体厚度2 mm;转轴外圆半径6 mm;平均气隙长度0.5 mm.悬浮力绕组U1-V1-W1导通时的气隙磁密分布云图和磁力线如图7所示.图7 无轴承无刷直流电机磁密分布和磁力线由图7可知，悬浮力绕组U1，V1，W1所在的定子齿上的磁通较其他定子齿上的磁通较大，且转子两侧的气隙磁密分布不平衡，转子受到的径向悬浮力合力在x轴向上.径向悬浮力仿真结果如图8所示.图8 悬浮力有限元仿真结果通过对比分析可知，当两种控制方法中的悬浮力绕组通以相同电流时，新型控制策略产生的转子径向悬浮力较传统控制策略提高约为35%.从图8中还可以看出，当悬浮力绕组电流上升到一定值时，转子径向悬浮力将不再增加，径向悬浮力和悬浮力绕组电流不再是理想的线性关系，这是因为在有限元分析计算中，综合考虑了磁路饱和和非线性的影响.这种非线性关系要求在设计无轴承无刷直流电机控制器时，需要考虑磁路饱和和非线性的影响，避免在径向负载较大的情况下，导致悬浮力控制系统失控.3.2 控制系统仿真试验运用Matlab/Simulink构建无轴承无刷直流电机控制系统仿真模型进行仿真.起始时间0 s，终止时间0.2 s，仿真选用参数如下:转子转速n=5 000 r·min-1;转矩绕组电阻Rm=1.5 Ω，互感 Lm=-0.006 7 H，自感Ls=0.020 H;极对数 PM=2;转子转动惯量J=0.005 kg·m2;电机反电动势系数ke=0.382 1;悬浮力绕组电阻Rs=1.5 Ω，自感Ls=0.015 H;极对数PB=1;电机转子质量m=1 kg.图9为电机转子在x方向未受到干扰力下时的位移曲线.图9 未受外力时x方向位移曲线从图9可见，最后转轴仅在中心位置会有微小摆动，基本维持转轴在中心位置小范围内振荡.图10为电机转子在x方向受到40 N干扰力时的位移曲线.图10 受外力时x方向位移曲线从图10可见，给x方向一个力的扰动时，系统可以很快地响应并达到稳定状态，转轴振荡后能基本稳定在中心位置.仿真结果证明了该悬浮力控制子系统具有较好动态性能和较快的响应速度.4 结论针对传统无轴承无刷直流电机悬浮力控制方法的不足，提出了悬浮力绕组三相同时导通的控制策略，电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器仅通断12次，降低了对逆变器的要求，减小了控制系统的复杂度.有限元分析及控制系统仿真试验结果表明，该新型控制策略不仅能够增加转子的单位电流径向悬浮力，而且该控制系统可以实现转子稳定的悬浮，具有良好的动静态性能.参考文献(References)【相关文献】［1］Ooshima M，Takeuchi C.Magnetic suspension performance of a bearingless brushless DC motor for small liquid pumps［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47(1):72-78.［2］Grabner H，Amrhein W，Silber S，et al.Nonlinear feedback control of a bearingless brushless DC motor［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2010，15(1):40-47. ［3］朱熀秋，陈雷刚，李亚伟，等.Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析［J］.电机与控制学报，2013，17(4):45-49.Zhu Huangqiu，Chen Leigang，Li Yawei，et al.Finite element analysis of bearingless permanent magnet motors with Halbach array［J］.Electric Machines and Control，2013，17(4):45-49.(in Chinese)［4］Sun Xiaodong，Chen Long，Yang Zebin.Overview of bearingless permanent-magnet synchronous motors［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(12):5528-5538.［5］朱熀秋，王成波，张伟霞.基于电感矩阵的无轴承电机径向悬浮力模型［J］.江苏大学学报:自然科学版，2009，30(1):53-57.Zhu Huangqiu，Wang Chengbo，Zhang Weixia.Mathematic model of radial suspension force for bearingless motors based on induction matrixes［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2009，30(1):53-57.(in Chinese)［6］朱熀秋，孙晓东，孙玉坤.无轴承永磁同步电机数控系统设计与实现［J］.江苏大学学报:自然科学版，2006，27(6):536-540.Zhu Huangqiu，Sun Xiaodong，Sun Yukun.Design and realization of digital control system for bearingless permanent magnet-type synchronous motors［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2006，27(6):536-540.(in Chinese)［7］朱熀秋，李元飞.无轴承同步磁阻电机设计及有限元分析［J］.江苏大学学报:自然科学版，2011，32(3):330-335.Zhu Huangqiu，Li Yuanfei.Design and finite element analysis of bearingless synchronous reuctance motor［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2011，32(3):330-335.(in Chinese)［8］Ooshima M，Miyashita K，Rahman M A.Control circuit topology of a time-divided torque and suspension force control type bearingless motor［C］∥Proceedings of 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting.San Diego:IEEE Computer Society，2012，doi:10.1109/PESGM.2012.6345015.［9］Ooshima M，Rahman M A.Control strategy of magnetic suspension and performances of a bearingless BLDC motor［C］∥Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Electric Machines and Drives.Niagara Falls，CA:IEEE Computer Society，2011:71-76.［10］Ooshima M.Winding arrangement to increase suspension force in bearingless motors with brushless DC structure［C］∥Proceedings of the 33rd Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society.Taipei，Taiwan:IEEE Computer Society，2007:181-186. ［11］陈雷刚，朱熀秋.无轴承无刷直流电机径向悬浮力精确数学模型［J］.中国电机工程学报，2012，32(36):75-81.Chen Leigang，Zhu Huangqiu.An accurate mathematical model of radial suspension force in bearingless brushless DC motors［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32(36):75-81.(in Chinese)。
基于ANSOFT_Maxwll_2D_的磁悬浮电机的研究
式中 k1 = 3rlB4 N 2 2δ 0
k2 =
πrlB 42 2 µ 0δ 0
在永磁电机中通常采用 i d
= 0 控制方式，选取永磁磁
(4)
极轴线方向作为 d 轴参考方向，则上式可表示为
Fα = k1 I 2d + k 2α ⎫ ⎬ Fβ = k1 I 2q + k 2 β ⎭
由此可见，采用 i d 受到两部分的磁场力：
Lad = l aq = 4.2 mH
参考文献
[1] A. Chiba, et al. Stable Operation of Induction-Type Bearingless Motors Under Loaded Conditions,IEEE Trans. On IA, 1997,33(4): 919-924. [2] Masahide Oshima, et al. Characteristics of a Permanent Magnet Type Bearingless Motor. IEEE Trans. On IA, 1996, 32(2): 363-370.
F N
α = 0.2mm (2)
电机磁力线分布
图8
3.4 电感参数的计算
通过 ANSOFT Maxwell 2D 软件强大的后处理功能，可以 计算出转矩绕组和悬浮绕组的 d、 q 轴电感。 对于永磁型电机， 计算单独考虑直轴和交轴电流单独作用下的直轴和交轴磁 链，即可获得电机交直轴的电枢反映电抗。 对于 4 极的永磁型电机，一个极距内的磁通可表示为
4.
结论 本文在ANSOFT 公司的Maxwell 2D 环境中建立了
永磁型无轴承电机的仿真模型，完成了磁场分析。得到了悬 浮力与转矩电流和悬浮电流之间的线性关系， 并通过后处理， 得到了电感参数，对于后续工作中对永磁型无轴承电机的电 路仿真和实际控制提供了依据和基础。
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、 毛 ｝ 札 与檀 制应闭２ ０ １ ５ ， ４ ２（ ４ ）
控制与应用技术 《 Ｅ Ｍ Ｃ Ａ
基 于 动 态 坐 标 系 的 无 轴 承 永 磁 薄 片 电 机 悬 浮 力建 模 及 控 制 术
朱 烷秋 ， 钱 建林 （ 江 苏大 学 电 气信 息 工程 学 院 ， 江苏 镇江 ２ １ ２ ０ １ ３ ）
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摘 要 ：对无轴承永磁薄片电机 （ Ｂ Ｐ Ｍ Ｓ Ｍ） 运行过程 中产生的偏心位移 ， 以最 大偏 心方 向作 为横 坐标 方向 ，
建立转 子偏心 的动态坐标 系。在该坐标 系下采用麦克斯韦应力张量法建立径 向悬浮力数学模 型。在该模 型基 础上 ， 提出一种针对转子偏心位移 的直接控 制策略 ， 设计相应 控制器 ； 在 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ环境 中对 Ｂ Ｐ Ｍ Ｓ Ｍ进行 了起
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ ３ ０ １ ． ２ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ３ － ６ ５ ４ ０ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ ４ ） ０ １ １ － ０ ５
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动、 阶跃响应 等仿真试验 ， 并进行了初步试验研究 。仿真及试验结果表 明采用这种方法进行建模 和控 制 ， 电机转
子能够稳定悬浮 ， 电机具有 良好 的动 、 静态特性 ， 验证 了控制方法 的有效性 。 关键词 ：无轴承永磁薄片 电机 ；动态坐标 系；麦克斯韦力 ； 径 向悬浮 力 ； 矢量控制
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｓ ｏｃ ｐ ￣ｃ ｔ ｏ ｅ ｃ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｃ பைடு நூலகம் ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ 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 ｌ ｉ ｃ ｅ ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ（ Ｂ Ｐ ＭＳ Ｍ） ，ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ