Nonlinear Decoupling Control of the Bearingless Induction Motors Based on the Airgap Motor Flux Orientation

The bearingless induction motor, which combines the inductionmotor and magnetic bearing is a strongly coupled complicatednonlinear system; the decoupling control of the electromag- net toqueand readial levitation force is the base of the stable operation ofthe benaringless motor. In this paper, the air-gap motor fluxoriented vector control is proposed to realize the decoupling controlof this nonlinear system even in the transient case based on thelevitation principle. Simulations show the stable suspension and goodperformance of the proposed algorithm.

Decoupling Control of 5 Degrees of Freedom Bearingless Induction Motors Using α-th Order Inverse System Method

A 5-degrees-of-freedom bearingless induction motor is a multi-variable,nonlinear and strong-coupled system．In order to achieve rotor suspension and operation steadily,it is necessary to realize dynamic decoupling control among torque and suspension forces．In the paper,a method based on α-th order inverse system theory is used to study dynamic decoupling control．Firstly,the working principles of a 3-degrees-of-freedom magnetic bearing and a 2-degrees-of-freedom bearinglees induction motor are analyzed, the radial-axial force equations of 3-degrees-of-freedom magnetic bearing,the electromagnetic torque equation and radial force equations of the 2-degrees-of-freedom bearingless induction motor are given,and then the state equations of the 5-degrees-of-freedom bearingless induction motor are set up．Secondly,the feasibility of decoupling control based on dynamic inverse theory is discussed in detail,and the state feedback linearization method is used to decouple and linearize the system．Finally,linear control system techniques are applied to these linearization subsystems to synthesize and simulate．The simulation results have shown that this kind of control strategy can realize dynamic decoupling control among torque and suspension forces of the 5-degrees-of-freedom bearingless induction motor,and that the control system has good dynamic and static performance．

基于PID控制器的无轴承异步电机控制策略研究

无轴承异步电机(Bearingless Induction Motor,BIM)具有摩擦小、无需润滑、运转速度高等优点,具有重要的研究和应用价值。但是相对于传统异步电机,无轴承异步电机的数学模型是一个强耦合、多变量、非线性的高阶函数,导致其控制策略相对复杂。为此,本文研究了一种基于PID控制器的无轴承异步电机气隙磁场定向控制策略,对其控制原理和实现方法进行了详细的论述,采用Matlab仿真软件对其有效性进行了验证,并基于TMS320F28335搭建了实验平台,对控制效果进行了验证。

无轴承异步电机的转子磁场定向控制

由于无轴承异步电机是一个强耦合的复杂非线性系统,因此其所采用的基于转矩绕组气隙磁场定向的控制算法存在着一些局限性,诸如控制运算量较大、固有的最大转矩限制以及难于实现自适应控制等。基于此,提出了一种基于转矩绕组转子磁场定向的控制算法。由于转子磁场定向控制的引入,调速性能得以保证,而且使用中更具灵活性(如便于实现自适应控制等)。另一方面,径向悬浮控制所需的转矩绕组气隙磁链值可以在转子磁场定向控制的基础上通过系统辨识获取,这样转子稳定的悬浮也能同样得到保证。实验证明了文中提出的控制算法的有效性。

基于气隙磁场定向的无轴承异步电机非线性解耦控制

无轴承异步电机是一个强耦合的非线性复杂系统 ,实现其电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制是该电机稳定运行的前提。本文在研究电机磁悬浮机理的基础上 ,利用电枢绕组气隙磁场定向控制来实现两者之间的动态解耦控制。实验证明该控制算法不仅能实现电机稳定的悬浮 。

无轴承异步电机悬浮子系统独立控制的研究

无轴承异步电机转矩绕组和悬浮绕组的独立控制是该电机实现超高速运转的有效途径。针对这一强耦合的非线性复杂系统,研究了一套独立的悬浮绕组控制子系统,其中所需的转矩绕组气隙磁链的幅值和相位可通过独立的电压模型方法辩识得到。这样一来,不仅超高速运转成为可能,而且转矩绕组的控制原则上可采用任意的调速方法,特别是低成本、高可靠性的通用变频器的运用将较大提高无轴承异步电机的实用性。实验证明该文提出的悬浮绕组独立控制子系统能较好地满足电机径向悬浮的稳、动态性能要求。

基于EKF的无轴承异步电机无速度传感器控制

为解决无接触、无摩擦无轴承异步电机低成本运行中转速辨识问题,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的无速度传感器控制方法。该方法分别将电机的端电压和定子电流作为无轴承异步电机状态方程的控制变量和可测变量,并将系统状态方程降阶后,经扩展卡尔曼滤波器估计的递推公式得出含有电机转子转速的状态变量,实现转速参量的在线辨识并减少计算量。仿真结果表明:利用该检测方法构造的控制系统不仅能在宽速范围内有效观测转子转速,且具有优良的转速和转矩特性。进一步实验也表明,该控制方法能准确辨识出转速,并将转子径向位移峰-峰值控制在100μm以内稳定悬浮运行,实现了无轴承异步电机无速度传感器方式下的稳定悬浮运行,验证了所提检测方法的正确性与有效性。

基于自适应模糊神经网络的无轴承异步电机控制

针对无轴承异步电机多变量、非线性、强耦合等特点,为实现其稳定悬浮控制,提出了一种基于自适应模糊神经网络推理系统(adaptive neuro-fuzzy inference system,ANFIS)的控制新策略。在分析无轴承异步电机径向悬浮力产生机理的基础上,推导出无轴承异步电机数学模型,基于ANFIS控制原理,完成了控制器设计,包括控制变量和隶属函数的选取、通过PID控制对输入输出数据的采集、根据选定的误差准则修正隶属函数参数以及采用Sugeno型ANFIS控制器训练FIS(fuzzy inference system)模型。基于MATLAB/Simulink仿真平台,对转速为6 000 r/min的无轴承异步电机控制系统的悬浮、转速、转矩响应进行了仿真分析。仿真结果表明该控制策略能在0.12 s内实现转子的稳定悬浮,且当负载转矩突变时,转子的悬浮性能并没有受到影响,转子径向偏移小于0.001mm。在转速突变后,控制系统也能较好的跟踪给定转速,稳定时的转速误差小于20 r/min,控制系统具有良好的动、静态性能。最后在无轴承异步电机控制系统试验平台上对所提策略开展了试验研究,试验结果同样表明,该控制策略能实现无轴承异步电机的稳定悬浮工作,转子径向位移峰峰值范围可以保持在80μm以内,系统响应快,鲁棒性强,控制精度较高,验证了该文提出的ANFIS控制方法的正确性和有效性。

基于探测线圈的无轴承异步电机气隙磁场测量方法研究

无轴承异步电机悬浮机理决定了转矩绕组和悬浮绕组两种气隙磁场的强耦合关系,而转矩绕组气隙磁场幅值和相位的准确识别又是实现径向悬浮控制的必要条件。文中提出采用探测线圈同时测量两套绕组的气隙磁场幅值和相位,从而避免了因电机参数测量误差或参数变化对悬浮控制性能带来的影响,而且使无轴承异步电机在超高速下运转成为可能。针对探测线圈安装位置的不同,分别详细论述了均匀分布 角 位 置 法 、 典 型 角 位 置 法 和 解 析 法 三 种气隙磁密测量方法,并作了比较。实验结果验证了所述方法的有效性。

2-4型和4-2型多相永磁无轴承电机电感与悬浮力的对比分析

准确的电感与悬浮力模型对多相无轴承电机的稳定悬浮起到关键性作用。由于无轴承电机在运行过程中,转子始终处于动态偏心的状态,该文利用改进绕组函数法,详细分析了影响电感变化的几种谐波函数,并分别给出了用于2极转矩磁场、4极悬浮磁场(2-4型)多相永磁无轴承电机和4极转矩磁场、2极悬浮磁场(4-2型)多相永磁无轴承电机的电感解析模型,而且该模型也适用于凸极转子和隐极转子结构。另外,根据虚位移原理推导出相应的悬浮力模型,并利用有限元法对两种模型的电感和悬浮力进行了计算与分析。最后通过对一台五相表贴式永磁无轴承电机进行静力试验与悬浮试验,验证了解析模型的有效性。

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。

无轴承异步电机转子质量偏心振动补偿控制

为解决由机械不平衡引起的无轴承异步电机转子质量偏心振动问题,提出了一种基于自适应最小均方(least-meansquare,LMS)滤波器产生振动补偿信号的控制方法。首先分析了无轴承异步电机不平衡振动产生机理,从检测到的位移信号中分离出与转速同频的振动信号分量,再利用自适应LMS滤波器产生一个与其同频同幅同相位的补偿信号去消除振动信号分量,从而达到振动抑制的目的。最后在MATLAB/Simulink工具箱中对该控制方法进行了仿真研究,并在一台试验样机上进行了实验验证。仿真和实验结果表明,所提基于LMS算法的自适应滤波器能够有效地降低转子径向振动位移的峰-峰值,并且能减小位移控制回路的电流,从而验证了所提方法的正确性与有效性。

无轴承永磁同步电机电感特性分析

针对无轴承永磁同步电机电感参数难以通过实验准确获得的问题,采用有限元分析方法研究了四极悬浮控制二极表贴式无轴承永磁同步电机的电感特性.根据无轴承永磁同步电机的工作原理,给出了静态电感和增量电感的定义;在此基础上研究了转矩绕组和悬浮力绕组的静态电感特性,并通过3/2变换得到了在转子两相旋转坐标系下的交直轴静态电感;最后以转矩绕组为例,研究其增量电感,并与其静态电感进行了比较.有限元仿真结果表明:无轴承永磁同步电机增量电感比其静态电感小6%,验证了理论分析的正确性.

基于低频信号注入法的无轴承异步电机转速自检测控制

针对无轴承异步电机运行中悬浮转子转速检测问题,提出了一种基于低频信号注入法的无速度传感器控制新策略。该策略在无轴承异步电机基波模型基础上,通过注入低频信号引起的响应来构造转子位置偏差角,进一步通过PI控制器对偏差角进行调节,得到电机气隙磁场旋转速度,进而估计电机转速。运用该转速自检测方法,在Matlab/Simulink平台中搭建了无轴承异步电机无速度传感器矢量控制系统仿真模型,并进行了仿真研究。仿真结果表明,该方法能够在0.15 s内快速跟踪转子转速,并且具有优良的悬浮和转矩特性。试验结果同样表明,该方法不仅具有良好的转速在线自检测能力,而且能在无速度传感器方式下实现转子稳定悬浮运行,验证了所提方法的有效性和实用性。

基于电感矩阵的无轴承电机径向悬浮力模型

介绍了无轴承电机工作原理,以附加二极悬浮力绕组的四极无轴承电机为研究对象,建立适用于圆柱型和凸极型转子的无轴承电机的通用电感矩阵模型,进而推导出径向悬浮力通用数学模型.基于该数学模型,以无轴承同步磁阻电机和无轴承永磁同步电机为例,得出径向悬浮力公式和径向悬浮力计算值,并分别与用ANSYS有限元分析软件计算的径向悬浮力数值进行对比.模型计算结果与ANSYS分析结果基本吻合,该径向悬浮力数学模型的正确性得到验证.

基于转矩绕组无功功率MRAS的无轴承异步电机无速度传感器矢量控制系统

针对无轴承异步电机运行中转速辨识问题,提出了一种基于转矩绕组无功功率的模型参考自适应系统(MRAS)的无速度传感器矢量控制方法。该方法将反电动势和定子电流叉乘得到的瞬时无功功率作为可调模型,建立转速与转矩绕组无功功率的关系式,克服了传统MRAS方法转速受积分环节以及定子电阻变化的影响,实现对转子转速的在线辨识。理论分析和计算机仿真结果表明,提出的控制方案能在高速、低速、负载扰动等不同工况下准确辨识转子速度,实现无速度传感器方式下无轴承异步电机的稳定悬浮运行,具有令人满意的静动态特性和较强的鲁棒性。

无轴承异步电机关键技术与发展趋势

无轴承异步电机集磁轴承和异步电机优点于一体,既能产生支承转子的径向悬浮力,又能产生驱动负载的电磁转矩,在高速机床电主轴、压缩机、涡流分子泵、计算机硬盘驱动等特殊场合具有广泛的应用前景。在介绍无轴承异步电机工作原理的基础上,对迄今为止出现的具有代表性的无轴承异步电机结构、数学模型以及控制技术进行了综述,针对目前无轴承异步电机的研究现状和不足之处,探讨了无轴承异步电机技术的研究方向和发展趋势,以期为进一步研究无轴承异步电机技术指明方向。

基于新型卡尔曼滤波器的无轴承异步电机无速度传感器控制

为了提高无轴承异步电机无速度传感器矢量控制系统的精度,提出一种新型串联卡尔曼滤波器,通过将容易变化的电机参数作为待辨识状态向量增广到系统模型中,实现电机参数的在线计算,并将得到的参数值反馈到算法中实现电机转速的准确辨识,从而减小电机参数变化对转速估算精度的影响。通过采取三个扩展卡尔曼滤波器的串联结构降低系统模型矩阵的阶数,减小实际应用中数字芯片的计算负荷。通过仿真和实验对比了在电机参数变化时传统扩展卡尔曼滤波器和新型串联卡尔曼滤波器的估计转速误差,结果表明新型卡尔曼滤波器能有效减小参数变化对估计精度的影响,确保转子稳定悬浮运行。

磁悬浮开关磁阻电机径向位移自检测

针对传统位移传感器灵敏度容易受温度和电磁噪声干扰,增大电机体积和结构复杂度等问题,在研究磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组和悬浮力绕组之间互感与转子径向位移非线性关系的基础上,研究了一种实用的转子径向位移自检测方法。具体做法是:将一高频测试电流注入转矩绕组,然后在悬浮绕组端电压中滤出由该测试电流引起的互感电压,解调后提取出直流部分,再经简单数学处理后即可得到转子的径向位移。该方法无需专用的位移传感器,简单易行,可以减小电机尺寸,并提高系统的可靠性。仿真及dSPACE平台的实验结果验证了该方法的正确性和有效性。

无轴承开关磁阻电机动、静态电感耦合的数学拟合

采用增强型能量增量有限元法,对无轴承开关磁阻电机的动态电感(差分电感)、静态电感(割线电感)随位置角和绕组电流的变化进行了计算和实验验证。根据电感随位置角呈周期性变化的特点,电感可以拟合为位置角的傅里叶级数展开。根据电感对称特点和谐波不大于基波1%的误差,余弦级数取前8次,且其系数展开为电流的3次多项式。将有限元计算电感结果作样本,耦合静态和动态电感方程,利用最小二乘法求解出傅里叶级数的各系数与电流的关系,拟合出该类电机电感随位置角和电流的解析表达式。利用拟合出的电感表达式对不同电流、不同位置下的电感计算与有限元结果进行比较,在内插值的条件下,拟合结果具有高的精度,而外插值误差较大。