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无轴承同步磁阻电机具有同步磁阻电机的结构简单坚固、转子上省略了永磁体,也无励磁绕组等优点,还具有无轴承电机的高速高精、无摩擦、无润滑等优良特性,因此在航空航天业、食品制造业、精密仪器加工业等领域具有潜在应用前景。
无轴承同步磁阻电机控制系统分为两个部分:转矩控制系统和悬浮力控制系统。两套系统的运行都需要依靠不同的传感器来采集电机速度位移信息,通过闭环控制使电机得以稳定运行。但是,机械传感器具有安装困难、可靠性低、受环境影响较大等固有缺陷,同时机械传感器价格贵、参数调试繁琐,这不但增加了电机的系统成本和降低了电机工作效率,且严重限制了电机的产品化和实用化。因此,克服机械传感器所带来的种种局限性、降低成本以及提高其系统的可靠性和稳定性对实现无轴承同步磁阻电机无传感器控制具有重要的研究意义和研究价值。
本文在国家自然科学基金项目(60974053)、江苏省自然科学基金项目(BK2009204)和高校博士点基金项目(20093227110002)资助下开展对无轴承同步磁阻电机的关键基础理论研究,重点对基于高频注入法的无轴承同步磁阻电机速度位移自检测技术进行了研究。论文主要工作:
(1)综述了无轴承电机、无轴承同步磁阻电机和无传感技术的研究背景和国内外研究现状,指出了本文研究的目的和意义。
(2)阐述了无轴承同步磁阻电机的结构以及运行原理,并在此基础上推导了电机转矩子系统数学模型和悬浮力子系统数学模型。
(3)阐述了高频注入法的种类和原理,结合本文所研究的无轴承同步磁阻电机数学模型,在理论上分析论证了旋转高频电压注入法和脉振高频电压注入法实现电机位置/速度自检测的可行性并对两种方法进行了比较。
(4)推导了无轴承同步磁阻电机在静止坐标系下电感矩阵以及两套绕组间的互感矩阵,对矩阵中含有的位移信息进行解耦,论证了通过注入脉振高频电压信号提取转子位移信息的可行性并推导了脉振高频电压激励下无轴承同步磁阻电机的响应信号数学模型。
(5)通过MATLAB仿真软件构建无轴承同步磁阻电机控制系统模型,对基于旋转高频电压注入法的无轴承同步磁阻电机位置/速度自检测、基于脉振高频电压注入法的无轴承同步磁阻电机位置/速度自检测以及基于脉振高频电压注入法的无轴承同步磁阻电机位移自检测进行仿真。仿真结果表明这三种方法能够实现无轴承同步磁阻电机速度位移的自检测。
(6)建立了无轴承同步磁阻电机数控实验平台,在采用传感器的情况下对电机进行了悬浮和旋转实验,并给出了无传感器实验方案。