无轴承电机是一种集传统电机与磁轴承功能于一体的新型电机。近年来,随着电力电子技术、数字信号处理技术以及现代控制理论的迅速发展,无轴承电机理论和相关技术得到了不断发展与完善,在密封泵、高速精密机械加工、航空航天、飞轮储能、生命科学、真空技术等领域具有广阔的应用前景。相对于其他类型的无轴承电机,无轴承永磁同步电机(Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor, BPMSM)以其结构简单、体积小、重量轻、运行可靠、效率高、功率密度高等优势,成为口前无轴承电机技术研究的热点之一。本文在国家863高技术研究发展计划项目(2007AA04Z213)和江苏省研究生科研创新计划基金项目(CX10B 270Z)的支持下,以BPMSM为研究对象,对其数学模型、电磁分析、磁链非线性建模、非线性解耦控制、数字控制系统实现等方面进行了重点的研究,主要研究内容如下：1.阐述了无轴承电机中存在的麦克斯韦力和洛仑兹力,介绍了BPMSM径向悬浮力产生的机理,根据电机磁路原理,用解析法详细推导得出了BPMSM电感系数和电感矩阵解析计算模型,基于该电感矩阵模型和电磁场虚位移原理,建立了BPMSM径向悬浮力和电磁转矩的计算公式。2.提出了BPMSM参数化有限元模型的思想,在介绍ANSYS有限元参数化建模方法的基础上,建立了BPMSM参数化有限元分析模型。利用BPMSM参数化模型,可以方便地修改电机结构参数、以及两套绕组加载电流的幅值和相位,从而可以十分灵活地满足BPMSM的分析和设计要求。在此基础上,研究了BPMSM基本的静态电磁性能,包括电机磁场分布、永磁磁链特性、反电动势特性、绕组电感特性、径向悬浮力特性、定位力矩和电磁转矩特性等,重点探讨了绕组电感特性,包括静态电感和增量电感特性。3.提出了基于最小二乘支持向量机回归的BPMSM磁链非线性建模的方法,针对BPMSM磁链、转子位置角、转子径向偏心位移、转矩绕组电流和悬浮力绕组电流之间的强烈非线性特性关系,利用最小二乘支持向量机建立了磁链与转子位置角、转子径向偏心位移、转矩绕组电流和悬浮力绕组电流之间的非线性模型,该方法建立的非线性模型具有精度高,预测能力强的特点,该磁链模型为今后进行BPMSM实时在线控制的研究奠定了基础。4.针对BPMSM多变量、非线性、强耦合的特点,将逆系统方法与神经网络相结合,提出了基于神经网络逆系统理论的BPMSM动态解耦控制方法。分析了BPMSM系统的可逆性,证明其可逆,运用神经网络逼近原系统的逆模型,并将其串联于原系统之前,将BPMSM系统动态解耦成两个径向位移子系统和一个转速子系统,从而简化了外环控制器的设计,进一步提高了整个系统的控制性能。仿真试验结果表明采用该控制策略系统具有良好的解耦效果和动态控制品质。5.针对采用电流调节型脉宽调制(CRPWM)逆变器控制的BPMSM转子磁场定向控制方法的不足,提出了采用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术实现BPMSM转子磁场定向控制策略,并且对于BPMSM转矩绕组和悬浮力绕组的控制均增加了电流内环,从而提高了BPMSM系统的控制精度和响应速度。构建了基于TMS320F2812数字信号处理器为核心的BPMSM数字驱动控制系统,研制了系统的软硬件驱动电路,开发了控制系统的软件程序,为研发出高效率、高可靠性的BPMSM驱动系统提供了实验基础,并且在该数字控制实验平台上,重点对SVPWM控制策略进行了详细的实验研究,实现了BPMSM的稳定悬浮运行。最后提出了在构建的实验平台上实现神经网络逆系统非线性解耦控制的实验方案,为进一步开展BPMSM高性能控制奠定了结实的基础。