無(wú)軸承異步電機(jī)非線性解耦控制研究

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摘 要
無(wú)軸承異步電機(jī)是一種集電機(jī)和磁軸承于一體的新型電機(jī)，相比于傳統(tǒng)的磁懸浮電機(jī)，這種新型電機(jī)的軸向空間更短，臨界轉(zhuǎn)速更高。無(wú)軸承異步電機(jī)是利用電機(jī)中的磁軸承和交流電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)相類似，然后通過(guò)把轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制的繞組共同疊繞在定子上，利用懸浮控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)變化氣隙磁場(chǎng)的分布，從而達(dá)到轉(zhuǎn)軸的懸浮控制這目的。
由于無(wú)軸承異步電機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，這系統(tǒng)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，氣隙磁鏈把電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力耦合在一起。所以只有通過(guò)對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)進(jìn)行解耦控制，才能達(dá)到轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。針對(duì)上述的問題，本文重點(diǎn)講述了無(wú)軸承異步電機(jī)的基本理論和非線性解耦控制的研究，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下所示：
首先，通過(guò)分析無(wú)軸承異步電機(jī)原理的基礎(chǔ)，得出無(wú)軸承異步電機(jī)的徑向懸浮力和電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的數(shù)學(xué)模型，并建立基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的無(wú)軸承異步電機(jī)的狀態(tài)方程。然后針對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)中電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間的耦合特性，開始研究非線性解耦控制。
然后，分析基于氣隙磁場(chǎng)定向的無(wú)軸承異步電機(jī)狀態(tài)方程得出系統(tǒng)的可逆性，采用階逆系統(tǒng)控制理論對(duì)其進(jìn)行解耦控制研究，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了逆系統(tǒng)方法擁有良好的解耦特性。
關(guān)鍵詞：無(wú)軸承異步電機(jī)；氣隙磁場(chǎng)定向；轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向；逆系統(tǒng)；解耦控制


ABSTRACT
Bearingless induction motor is one kind of new motor which combined motor with magnetic bearings in one stator windings.Compared with traditional magnetic motors,the axial space of bearingless induction motor is short and with the high speed.The bearingless induction motors which have the advantage of simple structure and high reliability were studied earlier than other types of bearingless motors.
The bearingless induction motor is a multi-variable,nonlinear an strong-coupled complicated system.The decoupling control of torque and radial levitation force is the stable operation of bearingless motor.This dissertation focuses on the basic theory and decoupling control,this main work is as following:
Firstly,according to the analysis on bearingless induction motor,establish the mathematical model of bearingless induction motor.In order to realize the decoupling control of torque and radial suspension forces for bearingless induction motor.The control of torque and radial suspension forces for bearingless induction motor,the air-gap-flux orientated control is researched.
Secondly,the reversibility of system based on the state equations is discussed.As the bearingless induction motor is a multi-variable,strong-coupled and nonlinear system,method based on α-th inverse system theory is used for realizing dynamic decoupling of the system.The simulation results have showed that the α-th inverse system method can realize decoupling of the system effectively.
KEY WORDS：Bearingless Induction Motor；Air-gap Magnetic Field Orientation；Rotor Field Orientation；Inverse system；Decoupling Control

目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 緒論 1
1.1 無(wú)軸承異步電機(jī)的歷史背景 1
1.2 無(wú)軸承電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用前景 2
1.2.1 無(wú)軸承電機(jī)的特點(diǎn) 2
1.2.2 無(wú)軸承電機(jī)的應(yīng)用前景 3
1.3 無(wú)軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 4
1.3.1 無(wú)軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀 4
1.3.2 無(wú)軸承電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 6
1.4 課題的研究目的、意義和內(nèi)容 8
1.4.1 本文研究的目的和意義 8
1.4.2 本文研究的內(nèi)容 8
第二章 無(wú)軸承異步電機(jī)的基本工作原理 9
2.1 引言 9
2.2 無(wú)軸承異步電機(jī)的工作原理 9
2.2.1 洛倫茲力 9
2.2.2 麥克斯韋力 9
2.2.3 可控懸浮力的產(chǎn)生 10
2.3 無(wú)軸承異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 11
2.3.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)基本方程 11
2.3.2 徑向懸浮力 11
2.3.3 懸浮子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程 13
2.3.4 旋轉(zhuǎn)模型方程 14
2.3.5 懸浮力模型方程 15
2.4 本章小結(jié) 21
第三章 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的無(wú)軸承異步電機(jī)的逆系統(tǒng)解耦控制 22
3.1 引言 22
3.2 逆系統(tǒng)解耦控制方法 22
3.2.1 逆系統(tǒng)的定義 22
3.2.2 偽線性復(fù)合系統(tǒng) 24
3.2.3 系統(tǒng)可逆性判別 25
3.3 可逆性分析 25
3.4 線性閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì) 28
3.5 本章總結(jié) 31
第四章 基于MATLAB/Simulink的建模和仿真 32
4.1 無(wú)軸承異步電機(jī)基于逆系統(tǒng)理論的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 32
4.2 控制系統(tǒng)的仿真模型 32
4.2.1 磁鏈和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)模塊 33
4.2.2 懸浮子系統(tǒng)模塊 33
4.2.3 2/3變換模塊 34
4.2.4 電流調(diào)節(jié)器模塊 35
4.3 仿真結(jié)果 35
4.4 本章小結(jié) 36
第五章 總結(jié)和展望 37
5.1 本文主要的工作 37
5.2 需要進(jìn)一步研究的工作 37
參考文獻(xiàn) 39
致 謝 42