无轴承电机的通用可控磁悬浮力解析模型

为解析研究无轴承电机的基础理论和共性规律,给出二极悬浮控制四极无轴承电机电感矩阵解析模型,然后根据虚位移原理推导了无轴承电机通用静向(即沿静止坐标向)可控磁悬浮力的解析模型,该模型既适用于凸极型转子结构无轴承电机,又适用于圆柱型转子结构无轴承电机。通过在该通用解析模型中设置不同的极弧宽度参数,衍生出无轴承同步磁阻电机、表面式永磁无轴承电机和无轴承异步电机的可控磁悬浮力解析模型。针对无轴承异步电机进行了可控磁悬浮静力实验和分析,应用实例验证了推导出的通用可控磁悬浮力解析模型的有效性和正确性。

磁悬浮开关磁阻电机二阶滑模直接转矩控制

为解决单绕组磁悬浮开关磁阻电机(single winding bearingless switched reluctance motor,SWBSRM)运行脉动以及转矩与悬浮力耦合问题,提出了二阶滑模(second order sliding mode,SOSM)—直接转矩与直接悬浮力控制(direct torque and direct suspension force control,DT/DSFC)策略。针对SWBSRM单绕组运行方式,采用五电平功率变换器,结合麦克斯韦应力和机电能量转换原理,推导出SWBSRM磁链、电压、转矩和悬浮力的直接数值解析模型,构建分电压输入模块,实现转矩与悬浮力解耦控制。为进一步提高系统鲁棒性与运行可靠性,消除稳态运行过程中转速脉动,结合超螺旋算法,设计出转矩子系统SOSM控制器,并构建样机控制系统。结果表明SOSM-DT/DSFC能有效消除控制系统的抖振,提高动态特性和鲁棒性,验证了控制策略的合理性与优越性。

无轴承永磁薄片电动机直接转矩直接悬浮力控制

针对矢量控制策略在完成定子电流解耦的同时也使控制系统坐标转换计算复杂化问题,提出一种新颖的无轴承永磁薄片电动机(BPMSM)直接转矩(DTC)直接悬浮力控制策略.在推导无轴承永磁薄片电动机数学模型的基础上,借鉴传统永磁同步电动机(PMSM)直接转矩控制的理论和方法,构建了无轴承薄片电动机直接转矩控制子系统.根据转矩控制系统与悬浮力控制系统的相似性,将直接转矩控制思想引用到悬浮力控制子系统中,构建无轴承薄片电动机直接悬浮力控制子系统.结合空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)实现无轴承永磁薄片电动机直接转矩与直接悬浮力双SVPWM控制系统,并给出了相应的控制算法,最后利用Matlab/Simulink软件环境对该控制系统进行仿真.研究结果表明:直接转矩控制策略不仅简化了控制算法,并使电动机获得了良好的动静态性能,且产生的转矩与悬浮力脉动都得到了抑制.

磁悬浮开关磁阻电机二阶滑模直接悬浮力控制

为解决单绕组磁悬浮开关磁阻电机的转矩和悬浮力脉动、转子中心位置偏移问题,研究直接转矩与二阶滑模直接悬浮力控制。鉴于电机的单绕组运行方式,采用五电平功率变换器,结合麦克斯韦应力和机电能量转换原理,推导出磁链、电压、转矩和悬浮力的直接数值解析模型,构建分电压输入模块,实现转矩与悬浮力解耦控制。引入位移高阶导数项,构造适用于二阶系统的超螺旋算法,基于该算法设计转子位移控制器。样机控制系统仿真结果表明,直接转矩与二阶滑模直接悬浮力控制能有效减小系统抖振,实现转子高精度悬浮,提高动态悬浮性能,具有较强的鲁棒性。

六相单绕组无轴承磁通切换电机转矩及悬浮力直接控制

六相单绕组无轴承磁通切换电机利用一套绕组实现电机转子悬浮旋转,但是采用传统的电流闭环控制策略存在滞后性。研究一种利用逆变器电压矢量直接控制转矩及悬浮力的方法。该方法在机电能量转换平面控制定子磁链,实现转矩和悬浮力直接控制。仿真模型验证了该控制策略的有效性。

主动悬架用直线电机模型预测推力控制

针对主动悬架用直线电机高精度与高效率的控制需求,充分研究直线电机以及主动悬架动力学特性,建立直线电机驱动模型与主动悬架二自由度参考模型。为了改善传统直线电机直接推力控制的动态性能,提出一种改进的模型预测推力控制方法。该方法将逆变器产生的7个非零电压矢量作为备选矢量,并融合预测模型来计算出控制周期内的电机运行状态参数,基于成本函数最小值原理挑选出最优电压矢量,并将其作用于逆变器产生驱动电机所需的电压。为了解决数字控制系统的固有问题,提出延时补偿技术,保证对电机能够进行实时控制;对于逆变器开关频率不固定而引起的开关损耗等问题,通过在成本函数中加入开关频率项,在选择最优电压矢量的同时还降低了逆变器的整流频率与开关损耗;另外为了提高电机推力的效率以及减小推力与磁链波动,提出最大推力电流比与占空比优化控制技术,提高直线电机的动态控制性能。基于MATLAB/Simulink与dSPACE联合仿真,并搭建直线电机与主动悬架硬件测试平台,对所提出的控制方法进行验证,同时对主动悬架系统的动力学性能也进行了仿真与试验测试。试验结果表明:相较于传统的直接推力控制,所提出的控制策略使电机能够拥有更快的稳态速度、更小的电磁力与磁链波动以及更低的开关频率;各工况下,轮胎动载荷试验与仿真结果均方根值的相对误差分别为12.3%、4.47%、6.3%;悬架动行程试验与仿真结果均方根值的相对误差分别为10.3%、8.86%、10.6%;车身加速度试验与仿真结果均方根值的相对误差分别为6.23%、9.12%、7.2%。由计算结果可知,各评价指标的相对误差均在13%以内,验证了仿真结果的正确性,证明了模型预测推力控制对于提升电机与悬架动力学性能的有效性,能够实现对车辆悬架系统全局工况性能最优,协调控制悬架系统的动力学性能。

磁悬浮开关磁阻电机的自适应终端滑模控制

为解决磁悬浮开关磁阻电机受到外部环境未知干扰、内部参数摄动等不确定因素带来的影响,提出一种基于自适应终端滑模控制器的直接瞬时转矩及直接悬浮力控制策略.首先,对电机的数学模型进行分析并建立状态方程,采用直接瞬时转矩控制与直接悬浮力控制方法,以减小系统脉动;其次,设计非奇异终端滑模面,避免常规终端滑模控制中的奇异问题,并引入自适应律,结合终端滑模控制器以抑制不确定因素的干扰,保证系统的快速收敛、强鲁棒性;最后,与传统滑模控制器方法进行对比,验证该方法的有效性.仿真结果表明,所提出方法能迅速精准跟踪控制系统的转速及位移,有效提升状态收敛速度,抗扰能力强,具有良好的动态性能.