无轴承永磁同步电机悬浮子系统的LQG/LTR控制器设计

 为1台无轴承永磁同步电机设计了单输入单输出LQG/LTR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60 μm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Y2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30 μm以内，悬浮性能优良。     

一种新型的五自由度磁悬浮电机

介绍了一种新型的五自由度磁悬浮电机系统，它由两自由度无轴承电机和三自由度磁轴承两个独立悬浮单元构成。其中无轴承电机将悬浮绕组与转矩绕组叠绕在一起，同时实现转矩驱动和转子两自由度径向悬浮；三自由度磁轴承利用单极永磁偏置磁场实现转子轴向悬浮以及两自由度径向悬浮。该电机结构紧凑，有利于向大功率、高转速方向发展。文中介绍了悬浮力产生的基本原理，简要推导了系统数学模型，给出了控制系统框图。最后对实验样机转子在五个自由度上的悬浮情况以及绕组电流变化进行了测量和分析。实验结果验证了所述原理和控制方案的正确性。     

两类多自由度开关磁阻电机原理与控制的类比

多自由度(Multi-degree-of-freedom,MDOF)开关磁阻电机(Switched reluctance motor,SRM)中的电磁力具有多维分布特征,对其建模和主动控制可实现该类电机的多自由度运行。无轴承开关磁阻电机(Bearingless switched reluctance motor,BSRM)和直线旋转开关磁阻电机(Linear-rotary switched reluctance motor,LRSRM)均具有多自由度运动控制的特点,其电磁力的分布规律、建模方法和控制策略具有一定的相似性。通过对比这两类多自由度开关磁阻电机工作原理的相似性,将前期BSRM数学模型和控制方法的研究成果进一步应用于LRSRM中,实现了LRSRM的准确建模和高性能控制,为推动和加速LRSRM的研究提供参考,以期进一步完善多自由度开关磁阻电机的研究理论体系。     

永磁同步伺服系统电流环的设计

为构成高性能的伺服系统电流环，介绍了永磁同步电机实现矢量控制的原理，分析了电流环各环节的零点漂移及电机反电势对电流环的影响。然后根据系统动态性能的要求，设计并选择了调节器的型式与参数，并在调节器回路中引入微分调节，在PWM调制器中引入了过调制技术，从而提高了电流环的动态响应性能。实验和仿真结果表明，所采取的措施是有效的，可以提高和改善电流环的动态响应性能，为实现高性能永磁同步伺服系统奠定了基础。     

控制策略对无轴承开关磁阻电机定子振动的影响

 介绍了无轴承开关磁阻电机(BSRM)的基本原理和3种负载控制策略,分析了3种负载控制策略确定控制参数的方法。由于脉动的径向电磁力是开关磁阻电机定子振动和噪声的根源,将麦克斯韦张量法和磁路法结合起来计算了不同控制策略下无轴承开关磁阻电机定子极受到的径向电磁力。3种控制策略求解过程所引入的约束条件不同,即使在相同的负载条件下,计算出的主绕组和悬浮绕组电流及超前角也各不相同,电机定子极径向电磁力特性也各异。通过时域分析和频域分析的方法研究了定子极径向电磁力特性,得到了3种控制策略对定子振动的影响。最后通过实验验证了理论分析所得结论的正确性。     

12/8极无轴承开关磁阻电机定子振动特性分析

开关磁阻电机(Switched reluctance motor, SRM)由于径向磁拉力导致的振动和噪声问题阻碍了其推广应用;电机定转子偏心时出现的单边磁拉力使振动和噪声更加恶化.本文基于定子周向振动理论和无轴承开关磁阻电机(Bearingless-SRM, BSRM)的径向力特点,分析了将无轴承技术引入SRM后对不平衡径向力起到的补偿作用;给出了同时适用于SRM和BSRM的定子极径向力数学模型,建立了SRM和BSRM的系统仿真模型,分析了两种电机定子极所受的径向力.谐波分析发现:BSRM定子单边磁拉力直流分量及低次谐波含量幅值较SRM大幅减小,因而由此引起的振动和噪声小,更适合于应用在要求低噪声的领域.     

飞轮贮能系统在未来航天器中的应用

传统蓄电池贮能系统由于其比能量小、可靠性低的固有缺陷已难以满足未来航天器的总体性能发展要求。近年来，随着高性能磁轴承、高强度轻重量的复合材料、电力电子技术等一系列关键技术的发展，使得飞轮贮能系统取代目前航天器中镍氢电池贮能系统成为可能。文中系统地阐述这一未来的航天器贮能系统，其中具体介绍了飞轮贮能系统的高比能量、长寿命、高效率等优越特性以及在航天器应用中独具的位姿控制附加功能，并对飞轮贮能系统的结构组成、多功能集成等方面作了较为详细的论述，最后介绍了目前飞轮贮能系统在航天器中应用研究的状况     

稳定悬浮状态下无轴承开关磁阻电机电感特性

针对二维有限元和磁链法计算无轴承开关磁阻电机(Bearingless switched reluctance motor,BSRM)电感特性的局限性,建立了BSRM稳定悬浮时的三维有限元模型,采用双标量磁位法计算得到其磁场分布,应用一种仅需计算非线性系统能量增量即可计算电感的增强型能量增量法,计算其绕组电感.以-7.5 kW,12/8结构的BSRM为例,简单比较了双标量磁位法与二维有限元法、矢量磁位法和棱边有限元法分别求解BSRM磁场时的计算规模和平均计算时间,说明了双标量磁位法在大规模计算场合的优越性;研究了电感与转子径向位移的关系;计算获得了样机处于稳定悬浮状态下的主、悬浮绕组电感;研究了端部效应对电机磁场分布和绕组电感的影响.通过实验验证了电感计算的准确性,为优化设计和精确控制该类电机奠定了基础.     

五自由度磁悬浮轴承的扰动补偿控制系统设计

在比例-积分-微分(PID)控制的基础上加入扰动补偿环节,设计了五自由度磁悬浮轴承的扰动补偿控制系统.通过对转子运动模型的分析,修正并得到了更为精确的磁悬浮轴承扰动观测器模型.对离散化的扰动观测器进行了稳定性分析和参数整定方法研究,进而使扰动观测器的参数整定过程更为规范与便捷.实验结果表明:在PID控制基础上加入扰动补偿控制,转子受扰自由度的位移波动分别减小了38.7%和67%,转子在20000r/min转速下的轴心运动轨迹波动减小了21%,从而验证了扰动补偿控制相比于PID控制的优越性.      

基于PWM控制的开关磁阻电机中低速无位置传感器控制方法

无位置传感器的中低速运行控制是开关磁阻电机研究的难点问题。为实现中低速阶段对转子位置的连续估计,提出一种基于PWM控制的无位置传感器方法。该方法将开通关断角所对应的参考信号与高频三角载波进行交截,并将得到的PWM信号作为不对称半桥功率变换器的开关管驱动信号。通过对PWM信号进行频谱分析可知,该PWM注入方式等效于注入载波频率的高频正弦信号。然后,对电流信号进行滤波及坐标变换处理,解算出连续的转子位置信息。针对电感曲线正弦度不高的问题,通过移相相减的方法消除二次谐波,简化了位置估计过程。该方法无需额外注入高频正弦信号,易于工程实现,并具备高频信号注入法的精度。最后针对一台12/8结构样机,进行了相应的仿真和实验,验证了该方法的可行性。