磁懸浮無刷直流電機非線性解耦控制研究

2.2萬字
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摘要 無刷直流電機運行效率高、功率密度高、噪音小、壽命長，在諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。將無刷直流電機引入磁懸浮電機領(lǐng)域，構(gòu)成的磁懸浮無刷直流電機是特種電機研究的一個重要的新方向。磁懸浮無刷直流電機結(jié)合了無刷直流電機和磁懸浮電機的優(yōu)點，具有良好的運行特性和廣泛的應(yīng)用前景。
本文圍繞磁懸浮無刷直流電機的運行機理、控制方法、低速性能的改善和數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)等方面開展了研究，主要工作包括：
根據(jù)磁懸浮無刷直流電機的電機結(jié)構(gòu)和運行原理，推導了電機轉(zhuǎn)矩部分和懸浮部分的數(shù)學模型；分析了懸浮部分和轉(zhuǎn)矩部分獨立控制的方法，為控制系統(tǒng)的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。
針對磁懸浮無刷直流電機轉(zhuǎn)矩控制的特點，用對角回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DRNN)模型，設(shè)計了基于DRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的磁懸浮無刷直流電機自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并運用MATLAB7.0/Simulink對該系統(tǒng)進行了仿真研究，仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動，改善電機的運行性能，實現(xiàn)磁懸浮無刷直流電機的穩(wěn)定懸浮。所用控制方法有效可行；采用TI公司的TMS320F2812 DSP設(shè)計了磁懸浮無刷直流電機的數(shù)字控制平臺，并進行數(shù)字控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計，為實驗研究奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：磁懸浮無刷直流電機 非線性解耦 DRNN辨識 數(shù)字控制系統(tǒng)


Study on the nonlinear decoupling control method on bearingless brushless DC motor
Abstract Brushless DC motor is wildly applied in many fields for its high efficiency, high power density，low noise and long life．Introducing brushless DC motor into the areas of bearingless motor, the bearingless brushless DC motor is an important new researching direction of special motor．Bearingless brushless DC motor, combining advantages of brushless DC motor and bearingless motor, has favorable operating characteristics and wide range of applications．
This paper conducts research on bearingless brushless DC motor focusing on its operational mechanism, control method, low—speed performance improvement, and realization of digital control system．Main works of the paper includes：
According to motor structure and operation principle of bealingless brushless DC motor, the mathematical model of this motor’s torque part and suspension part is deduced．The simulation results demonstrate the feasibility of the control methods.
To direct at the characteristics of the torque control of bearingless brushless DC motor, using the Diagonal Recurrent Neural Network model, we designed an adaptive control system based on the DRNN Neural Network controller, the adaptive control system is bearingless brushless DC motor. Simulating the motor on MATLAB7.0/Simulink, to prove that the control method used inhibits the torque ripple effectively, improves the operating performance and achieves stability suspension of the rotor．The control methods used al e verified to be effective and feasible；
Digital control platform is designed on TMS320F2812 DSP of TI Corporation，digital control system software is developed. These works laid the foundation for experimental study．
Key words Bearingless brushless DC motor nonlinear decoupling DRNN digital control system


目 錄
第一章 緒 論 1
1.1 磁懸浮無刷直流電機研究的背景和意義 1
1.2 磁懸浮無刷直流電機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3磁懸浮無刷直流電機的特點及應(yīng)用 2
1.3.1 磁懸浮無刷直流電機的特點 2
1.3.2 磁懸浮無刷直流電機的應(yīng)用及前景 3
1.4 磁懸浮無刷直流電機關(guān)鍵技術(shù)問題 4
1.5 本課題的主要研究內(nèi)容 5
第二章 磁懸浮無刷直流電機的系統(tǒng)原理及數(shù)學模型 7
2.1 磁懸浮無刷直流電機的基本組成 7
2.2 磁懸浮無刷直流電機的工作原理 7
2.2.1 電機轉(zhuǎn)矩部分工作原理 7
2.2.2 電機懸浮部分工作原理 8
2.3 磁懸浮無刷直流電機的數(shù)學模型 10
2.3.1 電機轉(zhuǎn)矩部分的數(shù)學模型 11
2.3.2 電機懸浮部分的數(shù)學模型 12
2.3.3 電機運動方程模型 12
第三章 磁懸浮無刷直流電機運行控制仿真研究 14
3.1 MATLAB/Simulink簡介 14
3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 15
3.2.1 電機轉(zhuǎn)矩部分模型 16
3.2.2 懸浮力控制部分模型 23
3.3 仿真實驗及分析 26
第四章 基于DRNN自適應(yīng)控制實現(xiàn) 30
4.1 自適應(yīng)基礎(chǔ)知識 30
4.1.1 系統(tǒng)辨識的基礎(chǔ)知識 30
4.1.2 李亞普諾夫穩(wěn)定性理論與正實傳遞函數(shù) 31
4.1.3 快速對角回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法 32
4.2 基于DRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識無刷直流電機自適應(yīng)控制的實現(xiàn) 35
4.3 仿真結(jié)果研究 36
第五章 磁懸浮無刷直流電機數(shù)字控制系統(tǒng) 39
5.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 39
5.1.1 TMS320F2812 DSP芯片簡介 40
5.1.2 系統(tǒng)功率逆變電路 40
5.1.3 電流和電壓檢測電路 41
5.1.4 轉(zhuǎn)速和速度檢測電路 42
5.1.5保護電路 43
5.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 43
5.2.1主程序設(shè)計 43
5.2.2 中斷子程序模塊 44
5.3 實驗結(jié)果及分析 45
第六章 總結(jié)與展望 47
致 謝 49
參考文獻 50