无轴承电机通过定子中两套绕组磁场的合成作用,在驱动转子旋转的电磁转矩基础上派生出可控制转子位移的磁悬浮力,将旋转驱动与悬浮支撑融为一体,从而取消了单独的径向支撑部件,具有无摩擦、无磨损、无润滑及无污染等优点。根据转子结构特点,无轴承电机可分为感应型、永磁型及开关磁阻型等多种类型,其中感应型无轴承电机与异步电机的运行特性相似,具有转子结构简单、气隙磁场均匀、运行可靠性高、齿槽脉动低及弱磁调节范围宽等特点,更易于实现无轴承电机的高速、高精度及大功率化的发展目标,具有广阔的工业应用前景。本文以感应型无轴承电机为研究对象,目标是实现转子在旋转驱动状态下的五自由度精确悬浮控制。为此,需对所研究对象的机电结构、气隙合成磁场、磁场多变量解耦、整体PID控制、双DSP数字控制系统等关键技术进行深入研究,具体内容如下:(1)感应型无轴承电机定子中包含转矩及悬浮两套绕组,所产生的气隙磁场由这两套绕组中的电流感生并叠加而成,所形成的旋转驱动力及悬浮支撑力对外界负载的影响非常敏感,因此,建立包含负载因素的完整数学模型是实现感应型无轴承电机精准控制的关键。本文基于气隙磁场形成原理,利用磁路计算方法,推导出感应型无轴承电机的电磁转矩方程,以此建立了包括转子偏心及电磁转矩的感应型无轴承电机悬浮力模型,并通过有限元仿真及实验方法验证了所建模型的有效性及正确性。(2)目前对感应型无轴承电机的研究及实现主要集中在二自由度的控制方法及控制策略,距工业实用化的期望值相差较大。本文基于单独的二自由度无轴承电机研究基础,提出了将两个二自由度无轴承电机与轴向磁轴承相配合的新型五自由度结构,该结构并非为两个二自由度无轴承电机的简单叠加,而是将这两个电机的定子绕组进行精确的转矩与悬浮协同控制。为此,根据所建的电磁转矩与悬浮力数学模型提出了五自由度无轴承电机的整体设计方案,并进行机电结构的参数化设计、电磁参数的有限元仿真计算及控制系统的流程设计。(3)感应型无轴承电机悬浮控制为多输入多输出系统,因此为实现电磁转矩与磁悬浮力之间、磁悬浮力各分量之间的多变量解耦控制,本文以磁场定向控制策略为基础,建立了基于转矩绕组的电磁转矩矢量控制模型,将其中所需的参数进行坐标变换,建立以转矩磁场为基础的旋转坐标系,将不同转速的磁悬浮力磁场与电磁转矩磁场进行解耦。然后再利用坐标变换方法,将磁悬浮力分解为两个相互垂直的分量,从而实现磁悬浮力控制的解耦。所提出的多变量解耦控制方法已通过实验验证,可在无轴承电机旋转状态下实现转子的稳定悬浮控制。(4)五自由度无轴承电机运行时,其转子时刻处于不规则偏心旋转状态,运动形态复杂。传统的两个二自由度无轴承电机采用分散PID控制策略,根据各自位移传感器反馈信号进行独立悬浮控制,割裂了转子悬浮控制的整体性。本文依据上述磁悬浮力解耦模型,将转子视为刚体,对其进行转子动力学分析及建模,然后将每个二自由度无轴承电机的位移反馈量与磁悬浮力输出量,转化为转子运动方程中的参数,并对转子运动状态进行解耦,以实现五自由度无轴承电机转子悬浮系统的整体PID控制。(5)五自由度无轴承电机控制系统所需输入输出信号繁多,单DSP控制系统由于接口数量有限难以满足本文提出的所有控制要求,而采用多个DSP各自独立控制的方案,则无法保证转矩子系统与悬浮子系统之间数据交换的实时性以及各驱动模块之间输出信号的协调性。为此本文设计了一种以双口RAM为共享存储器的双DSP硬件控制系统,并编制了软件程序,搭建了所需的硬件实验平台,实验表明本文设计的软、硬件系统可保证各驱动控制单元数据通讯的同步性。(6)根据上述研究成果,研制出感应型五自由度无轴承电机的实验样机及其控制系统,并搭建了实验平台:(1)通过可控悬浮力测定实验,得到了磁饱和限制条件下的悬浮绕组电流与磁悬浮力之间的线性变化范围,验证了本文所建立磁悬浮力模型的正确性;(2)通过磁悬浮力解耦控制实验,验证了采用转矩绕组磁场定向控制策略进行磁悬浮力解耦控制方法可实现无轴承电机在旋转状态下的悬浮控制;(3)通过五自由度转子系统的悬浮实验,获得了不同转速状态下的转子悬浮控制精度变化规律,验证了本文所建的双DSP硬件控制系统的有效性;(4)通过对悬浮转子进行径向载荷冲击实验,验证了整体PID控制方法较分散PID控制,可更有效地提高转子受冲击载荷作用后的径向位移恢复能力。