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随着现代工业的高速发展,国内外相继提出制造业“工业4.0”规划以及“中国制造2025计划”,而电机则是工业领域重要的动力来源之一。为解决传统电机的机械摩擦磨损、寿命短等问题,无轴承异步电机(A Bearingless Induction Motor,BIM)应运而生。BIM不仅具有磁轴承无摩擦磨损、轴承无需额外添加润滑剂及使用时限长等优势,同时兼备机械结构相对简易、气隙均匀等优点。因此,BIM适用于维护难的生命科学领域、酸腐蚀性强的化工领域以及涡轮分子泵、飞轮电池、航空航天等高速领域。本文在国家自然科学基金面上项目(51475214)以及江苏省自然科学基金面上项目(BK20141301)的资助下,就BIM工作原理、数学模型建立、转矩部分和悬浮部分控制、无速度传感器以及数字控制系统实现等开展研究,其主要内容如下:(1)阐述了无轴承电机的研究背景、国内外研究现状,以及发展趋势。简述BIM以及其转矩部分和悬浮部分控制策略,以及无速度传感器技术。在分析BIM的可实现结构和运行机理基础上,推导BIM数学模型,并基于有限元验证其模型,并基于该模型搭建BIM的直接转矩控制系统。(2)为解决BIM传统直接转矩控制系统中转子转速识别精度不高的问题,将超螺旋(Super-Twisting,ST)滑模算法为基础的转子磁链观测器作为参考模型,利用模型自适应(Model Reference Adaptive System,MRAS)构造无速度传感器系统,实现BIM的无速度传感器运行,并且通过构造定子电阻自适应实现对其在线辨识修正。(3)为解决BIM传统直接转矩控制中滞环比较器造成的定子磁链和电磁转矩脉动过大的问题,提出一种模型预测直接转矩控制策略。根据定子电流和定子磁链观测值,预测下一时刻的电磁转矩和定子磁链。利用定子磁链和电磁转矩的约束关系,解决传统目标函数中多变量之间权重系数设计问题。通过仿真分析,证实了所提策略的有效性。(4)设计以TSM320F2812为核心芯片的BIM数字控制系统硬件和软件。其中转矩部分采用气隙磁场定向控制,悬浮力部分采用力/悬浮电流解耦控制。实验结果表明,所设计数字控制系统不仅能稳定悬浮,而且具有良好的动静态性能。