无轴承永磁同步电动机的原理及实现

4 控制系统软件设计
考虑到本系统中悬浮控制过程的复杂性，因此 本实验平台的控制系统软件全部采用汇编语言模 块化编程。这不仅提高了 DSP 的运行效率，而且增 加了程序的通用性和可移植性，有利于系统的维护 和改进。
图 5 为无轴承永磁同步电动机程序流程图，运 算和控制环节都是在各自的周期定时中断服务子 程序中完成，控制周期设置为 0.0625ms。转矩绕组 DSP 主要完成无轴承永磁同步电动机的 i1d=0 控制，
摘要 无轴承永磁同步电动机是将无轴承技术运用到永磁同步电动机上的新型无轴承电动 机。本文阐述了永磁同步电动机无轴承技术的工作原理，设计和实现了该电动机基于 LF2407A 数 字控制的硬件实验平台和软件系统。通过对整个无轴承永磁同步电动机系统的实验调试，成功实 现了无轴承永磁同步电动机转轴的稳定悬浮。
DSP 数字控制器、两套电流跟踪 PWM 型逆变器 （CRPWM）电路板和各种传感器。
力的 CPU 内核结合在一起，是一种实现无轴承电机 控制的理想控制器。图 4 是采用双 DSP 控制的电路 框图。
对于无轴承永磁同步电动机系统而言，能否实
现电磁转矩和悬浮力之间的解耦控制，关键要看转
矩绕组转子磁场定向是否精确。所以要实现电动机
转矩绕组在 i1d=0 控制下的数学模型为
转矩电流分量
i1q
=
Te p1ψ f
（6）
励磁电流分量
i1d=0
在此基础上，悬浮绕组数学模型为
Leabharlann Baidu
（7）
F Mx =f m（ i2dψ f + ψ m1qi2 q）
（8）
F My = − fm（ i2 qψ f −ψ m1qi2d）
（9）
式中 ψf——永磁体磁链
的悬浮，首先必须做到准确、快速地反应转轴的速
度和旋转角度。TMS320LF2407A 的 EVA、EVB 模 块均提供了具有正交解码电路功能的捕获单元
（CAP），可直接连接来自光电码盘的互差 90°的 正交脉冲信号，用于实时测量电动机转速。此外还
可以捕获光电码盘引脚 Z 输出的零位参考脉冲，用 于计算转轴相对与零位参考位置的旋转角度。转矩
2 无轴承永磁同步电动机悬浮机理及其数 学模型
2.1 悬浮机理 无轴承电机的定子中有两套不同极对数的绕
组，转矩绕组（极对数 p1）用来产生电磁转矩，悬 浮绕组（极对数 p2）用来产生可控的悬浮力。当极 对数满足 p2=p1±1 时，电机中才能产生可控的悬浮 力[3～5]。悬浮控制绕组的引入，打破了电机原旋转 磁场的平衡，使得电机某一区域中气隙磁场增强， 而其空间对称区域气隙磁场减弱，则转轴受到的磁 张力（即麦克思韦力）将指向磁场增强的一方。如 图 1a 所示的无轴承表面永磁同步电动机（p1=2， p2=1）两个磁场的相互调制使得转子左右侧气隙磁 通密度不均匀，其结果产生的麦克思韦合力（即径 向悬浮力）指向 X 轴的正方向，转轴将向右偏移； 图 1b 中两个磁场的作用产生了沿 Y 轴正方向的悬 浮力。如果能检测转子径向位移偏离量，来调节悬 浮绕组的电流，就可以改变可控悬浮力的大小与方 向，实现电动机转子的稳定悬浮。 2.2 数学模型
关键词：无轴承 永磁同步电动机 DSP 控制 悬浮 中图分类号：TM341
Principle and Realization of Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor
Qiu Zhijian Deng Zhiquan Yan Yangguang （Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China） Abstract The bearingless permanent magnet synchronous motor is a new type bearingless motor to which the bearingless technique is applied. The rudimental principles and basic characteristics of the bearingless permanent magnet synchronous motor are presented. In the paper, an experimental platform of digital control system for real-time control is designed on double-DSP（TMS320LF2407A）. And the design scheme of the software and hardware is also introduced in detail. The results from the experiments of a surface-mounted permanent magnet-type prototype machine demonstrated the good performance of the suspension. Keywords：Bearingless，permanent magnet synchronous motor，DSP control，levitation
无轴承永磁同步电动机的气隙磁场是由转矩 绕组气隙磁场与悬浮绕组产生的磁场在气隙中叠 加而成，因此总气隙磁场磁感应强度[2,4]
B(ϕ) = Bˆ1 cos( p1ϕ − ω1t + µ) + Bˆ2 cos( p2ϕ − ω1t + λ) （1）
式中 下标 1——转矩绕组 下标 2——磁悬浮绕组 ϕ——空间位置角 µ，λ——初始相角 ω1——转矩绕组电流角频率
问题。针对系统数据传递具有数据量少、速度高的 特点，采用了双向传送/锁存器 SN74LVTH16245A 和 SN74LVCH16374A 来实现双机并行通讯。
对无轴承永磁同步电动机实现高精度悬浮控 制影响最大的另一个环节是对转轴位移变量的实 时检测[9～10]。本文采用电涡流位移传感器检测转轴 位移，对被测物体实现非接触测量，能更直接、准 确地测量转轴旋转时的位移值。该传感器的标准灵 敏度为 16V/mm，灵敏度误差不大于 1%。此外为了 防止温漂等因素的影响，本实验平台还采用两个传 感器的差分信号作为位置反馈信号，经信号调理 后，通过 DSP 的 A/D 转换再进行位置环的数字调 节。
时处理复杂解耦运算的能力。本文采用的两片 TMS320LF2407A 芯片是数字电机控制（DMC）专
图 3 是无轴承永磁同步电动机硬件控制系统框 用数字信号处理芯片，它把几种特别适合电机控制
图 ， 具 体 包 括 ： 无 轴 承 永 磁 同 步 电 动 机 本 体 、 双 应用的先进外围设备和具有低成本、高性能处理能
1 概述
在高速机床、涡轮分子泵、离心机、压缩机、 飞轮贮能以及小型发电设备等工业领域，高速和超 高速电机得到越来越广泛的应用。但是机械轴承性 能的严重不足制约着电机向更高转速和更大功率方 向发展，虽然磁浮轴承由于其具有无润滑、无磨损、 无机械噪声和结构简单的特点，在高速电机领域已 经获得广泛的应用，但是由于磁轴承功耗相对较大， 而且本身占有一定的轴向空间，因此限制了高速电 机的微型化，同时也限制了其临界转速和输出功率。 近些年发展起来的无轴承技术则是高速电机研究领 域的一大突破，该技术能够同时实现转矩控制与悬 浮控制。与传统磁悬浮电机悬浮机理不同，它利用
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仇志坚等 无轴承永磁同步电动机的原理及实现
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此，无轴承永磁同步电动机控制系统的设计是该电 机实用化的关键，而磁悬浮机理的研究则是其控制 系统设计的基础。
本文以一台无轴承表面永磁同步电动机为研 究对象，阐述了无轴承永磁同步电动机的工作原 理，推导了无轴承永磁同步电动机的数学模型。在 此基础上，设计和实现了基于 LF2407A 双 DSP 数 字控制的硬件实验平台和软件系统，并成功实现了 稳定悬浮。
Lm2——悬浮绕组互感 is2d，is2q——悬浮绕组电流在 d、q 轴下的分量
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电工技术学报
2004 年 11 月
从上式可知，无轴承表面永磁同步电动机的电
磁转矩控制和悬浮力控制相互耦合，当采用 i1d=0 控制时，能够实现电磁转矩控制与悬浮控制的解耦，
同时也能准确、有效地控制悬浮力大小和方向[6～8]。
国家自然科学基金资助项目（59977009）。 收稿日期 2004-02-12 改稿日期 2004-07-26
磁轴承结构和交流电机定子结构的相似性，把产生 悬浮力的绕组叠绕在原来普通电机定子绕组中，这 样它不仅继承了传统磁轴承电机的优点，而且不占 用额外的轴向空间，电机体积和重量可以设计得非 常小，可靠性高，还可突破更高转速和大功率的限 制，因而在很大程度上拓宽了高速电机在大功率和 超高转速领域中的应用[1,2]。
永磁电机的应用范围极为广泛，几乎遍及航空 航天，国防，工农业生产和日常生活的各个领域。 将无轴承技术运用到普通永磁同步电动机上不仅 可以进一步拓展无轴承电机的理论和应用范围，而 且可以充分发挥永磁同步电动机控制方便、结构简 单、效率高、功率密度大的长处。
无轴承电机自身的结构特点决定了它是一个 较普通电机更为复杂的非线性系统，电机的转矩控 制和悬浮力控制之间存在复杂的强耦合关系。因
FMx = f m (is2dψ m1d + is2qψ m1q )
（4）
FMy = − f m (is2qψ m1d − is2dψ m1q )
（5）
式中
fm
=
πp1 p2 Lm2 12lrµ 0W1W2
ψm1d，ψm1q——转矩绕组气隙磁链在 d、q 轴下的分
量
l——电机定子铁心长度
r——定子内径
绕组其余控制环节（如转速环调节器、旋转坐标变
图 3 硬件控制系统结构框图 Fig.3 Block diagram of hardware control system
无轴承永磁同步电动机系统的复杂性决定了 其控制系统必须具备丰富的外围接口以及能够实
换、2/3 变换以及电流环调节器等）均由软件完成。 根据无轴承永磁同步电动机悬浮机理，只有根
采用 i1d=0 控制的无轴承永磁同步电动机矢量
控制框图如图 2 所示。
图 2 无轴承永磁同步电动机控制系统原理图
Fig.2 Control system block diagram of bearingless permanent magnet synchronous motor
3 控制系统硬件设计
据转矩绕组气隙磁链的定向位置，才能有效地控制 悬浮力的大小、方向。也就是说，双 DSP 之间存在 着转矩绕组气隙磁链旋转位置及其幅值大小的传递
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图 4 双 DSP 控制框图
Fig.4 Block diagram of double DSP control system
则麦克斯韦力在 X、Y 轴上的分量为
FMx
=
lrπBˆ1Bˆ 2 2µ0
cos(λ
−
µ)
（2）
图 1 悬浮力产生原理图 Fig.1 Principle of radial force production
FMy
=
lrπBˆ1Bˆ 2 2µ 0
sin(λ − µ)
（3）
在同步旋转坐标系下，将麦克斯韦力用 d、q 坐标轴上的各分量表达（电机的三相/二相变换采用 功率不变变换）
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电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.19 No.11 Nov. 2004
无轴承永磁同步电动机的原理及实现
仇志坚 邓智泉 严仰光
（南京航空航天大学自动化学院电气工程系 南京 210016）
图 5 无轴承永磁同步电动机程序流程图 Fig.5 Flow chart of computer program
软件主要由主程序、周期定时中断服务子程序以及 捕获中断服务子程序组成。首先利用捕获单元中的 正交解码电路检测转子实际转速 nr 和转角θr，通过
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